JP5287184B2

JP5287184B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5287184B2
Application number: JP2008305498A
Authority: JP
Inventors: 圭吾池添
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: JP2010129479A

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、発電に伴う生成水などの燃料電池内部の水を利用して電解質膜の加湿を行うに好適な燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system suitable for humidifying an electrolyte membrane using water inside the fuel cell such as generated water accompanying power generation.

従来から発電に伴う生成水などの燃料電池内部の水を利用して電解質膜の加湿を行う燃料電池システムが提案されている(特許文献１参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system that humidifies an electrolyte membrane using water inside the fuel cell such as generated water accompanying power generation has been proposed (see Patent Document 1).

これは、反応ガスの加湿手段として、電解質膜(ＭＥＡ)の触媒層を備える反応エリア(アクティブエリア)の外側に触媒層を持たない電解質膜のみからなる部位（加湿エリア）を設け、一方のガス流路出口の水を、電解質膜を介して他方のガス流路入り口に移動させることでガスを加湿するようにしている。
特開２００８−９７８９１号公報 As a means for humidifying the reaction gas, a portion (humidification area) consisting only of an electrolyte membrane without a catalyst layer is provided outside a reaction area (active area) having a catalyst layer of an electrolyte membrane (MEA), and one gas The water at the outlet of the flow path is moved to the other gas flow path inlet through the electrolyte membrane so that the gas is humidified.
JP 2008-97891 A

しかしながら、上記従来例では、低負荷運転時にカソードガスの出口側の相対湿度が極めて低下しているため、ＭＥＡのアクティブエリアの外側に加湿エリアを設けたとしてもアノードガスの下流側セル内部での加湿能力が低下しているので、アノードガス流路内を十分に加湿できない。 However, in the above-described conventional example, the relative humidity on the cathode gas outlet side is extremely low during low load operation, so even if a humidification area is provided outside the active area of the MEA, Since the humidifying capacity is lowered, the inside of the anode gas channel cannot be sufficiently humidified.

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、アノードガス流路内の加湿を行うに好適な燃料電池システムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system suitable for performing humidification in an anode gas passage.

本発明は、各燃料電池の電解質膜における反応エリアのアノード電極触媒層側にアノードガスを供給する各アノードガス流路の下流側に連通させて形成される、燃料電池スタック内のアノード出口内部マニホールドに、アノードガス流路の出口から排出される凝縮水を貯留する水溜まり部を形成する。そして、水溜り部の凝縮水を燃料電池スタックの外部に排出可能な排出手段が接続配置し、燃料電池システムは、運転負荷・冷却水温度・カソードガス圧力から現在の運転条件が水収支が乾燥側か湿潤側かを演算する制御手段を備え、制御手段は、水収支が乾燥側で運転している時には、排出手段によりアノード出口内部マニホールドの水溜まり部の水位を上昇させ、水収支が湿潤側で運転している時には、排出手段によりアノード出口内部マニホールドの水位を低下させることを特徴とする。 The present invention relates to an anode outlet internal manifold in a fuel cell stack, which is formed in communication with the downstream side of each anode gas flow path for supplying anode gas to the anode electrode catalyst layer side of the reaction area in the electrolyte membrane of each fuel cell. In addition, a water reservoir for storing condensed water discharged from the outlet of the anode gas flow path is formed. A discharge means that can discharge the condensate in the water pool to the outside of the fuel cell stack is connected, and the fuel cell system has a dry water balance based on the current operating conditions from the operating load, cooling water temperature, and cathode gas pressure. Control means for calculating whether the water balance is on the dry side or not, when the water balance is operating on the dry side, the discharge means raises the water level in the water pool portion of the anode outlet internal manifold so that the water balance is on the wet side When operating at, the water level of the anode outlet internal manifold is lowered by the discharge means .

したがって、本発明では、アノード出口内部マニホールドは温度が高く、水溜り部に溜まっている凝縮水の気化が促進され、アノード出口内部マニホールドにおける凝縮水による水蒸気分圧を高くすることができるため、効率よくアノードガス流路内の加湿を促進することができる。 Therefore, in the present invention, the anode outlet internal manifold has a high temperature, the vaporization of the condensed water accumulated in the water reservoir is promoted, and the water vapor partial pressure due to the condensed water in the anode outlet internal manifold can be increased. The humidification in the anode gas channel can be promoted well.

以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the fuel cell system of the present invention will be described based on each embodiment.

（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの第１実施形態を示す構成図である。図１において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に電気化学反応に供される反応ガスとしての燃料ガス(水素ガス)を供給する燃料ガス供給手段２と、燃料電池スタック１に電気化学反応に供される反応ガスとしての酸化ガス(空気)を供給する酸化ガス供給手段３と、燃料電池スタック１を冷却する冷却媒体（水、エチレングリコール等の不凍水、空気等）を供給する冷却媒体供給手段４と、これらを制御する制御装置５と、を備える。 (First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied. In FIG. 1, a fuel cell system includes a fuel cell stack 1, fuel gas supply means 2 for supplying a fuel gas (hydrogen gas) as a reaction gas to be used for an electrochemical reaction to the fuel cell stack 1, and a fuel cell stack. 1 is an oxidizing gas supply means 3 for supplying an oxidizing gas (air) as a reaction gas to be used in an electrochemical reaction; ), And a control device 5 for controlling them.

前記燃料ガス供給手段２は、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述するアノード入口内部マニホールド１４（図２参照）を経由して各燃料電池セルのアノードに、高圧水素を貯蔵した水素タンク２１から、供給配管２２を介して水素を供給する。水素タンク２１の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成してもよい。供給配管２２には、水素の供給を調整するため、調圧弁２３が配置されている。また、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述するアノード出口内部マニホールド１６（図２参照）を経由して、アノードから排出される燃料ガスを、供給配管２２に戻す水素循環ライン２４を備え、水素循環ライン２４には水素循環ブロア２５が配置されている。また、水素循環ライン２４の前記水素循環ブロア２５より上流側には、外部への分岐配管２６が配置され、分岐配管２６には、水素ガスに含まれる不純物としての窒素を排出するための窒素パージ弁２７が配置されている。また、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述するアノード出口内部マニホールド１６には、直接外部へ連通する排水ラインを構成する排出配管２８が接続され、排出配管２８には凝縮水を排出するための排水弁２９が配置されている。また、排出配管２８若しくはアノード出口内部マニホールド１６には、アノード出口内部マニホールド１６内に溜まる凝縮水の液面レベルを検出するレベルセンサ５１が配置されている。 The fuel gas supply means 2 is a hydrogen tank that stores high-pressure hydrogen at the anode of each fuel cell via an anode inlet internal manifold 14 (see FIG. 2), which will be described later, arranged in the stacking direction of the fuel cell stack 1. Hydrogen is supplied from 21 through a supply pipe 22. Instead of the hydrogen tank 21, hydrogen may be generated by a reforming reaction using alcohol, hydrocarbon or the like as a raw material. A pressure regulating valve 23 is arranged in the supply pipe 22 in order to adjust the supply of hydrogen. Further, a hydrogen circulation line 24 is provided for returning the fuel gas discharged from the anode to the supply pipe 22 via an anode outlet internal manifold 16 (see FIG. 2), which will be described later, arranged in the stacking direction of the fuel cell stack 1. A hydrogen circulation blower 25 is disposed in the hydrogen circulation line 24. A branch pipe 26 to the outside is disposed upstream of the hydrogen circulation blower 25 in the hydrogen circulation line 24, and a nitrogen purge for discharging nitrogen as an impurity contained in the hydrogen gas is provided in the branch pipe 26. A valve 27 is arranged. A discharge pipe 28 that constitutes a drainage line that communicates directly with the outside is connected to an anode outlet internal manifold 16 that will be described later arranged in the stacking direction of the fuel cell stack 1, and condensed water is discharged to the discharge pipe 28. A drain valve 29 is provided. Further, a level sensor 51 for detecting the level of the condensed water accumulated in the anode outlet internal manifold 16 is disposed in the discharge pipe 28 or the anode outlet internal manifold 16.

前記酸化ガス供給手段３は、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述するカソード入口内部マニホールド１７（図２参照）を経由して各燃料電池セルのカソードに、コンプレッサ３１から配管３２を介して酸化ガスとしての空気を供給する。また、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述するカソード出口内部マニホールド１９（図２参照）を経由して、カソードから排出される酸化ガスを、排出配管３３を介して大気中に放出する。排出配管３３には酸化ガス供給経路における各内圧を調整するための背圧調整弁３４が配置されている。 The oxidizing gas supply means 3 is connected to the cathode of each fuel cell via a pipe 32 from a compressor 31 via a cathode inlet internal manifold 17 (see FIG. 2) described later arranged in the stacking direction of the fuel cell stack 1. Supply air as oxidizing gas. Further, the oxidizing gas discharged from the cathode is released into the atmosphere through the discharge pipe 33 via a cathode outlet internal manifold 19 (see FIG. 2), which will be described later, arranged in the stacking direction of the fuel cell stack 1. . The exhaust pipe 33 is provided with a back pressure adjusting valve 34 for adjusting each internal pressure in the oxidizing gas supply path.

前記冷却媒体供給手段４は、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述する冷却水入口内部マニホールド４７（図２参照）を経由して各燃料電池セル間に配置された冷却水流路に、ラジエータ４１から配管４２を介して冷却媒体を供給する。また、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述する冷却水出口内部マニホールド４８（図２参照）を経由して各燃料電池セル間に配置された冷却水流路から排出される冷却媒体を、配管４３を介してラジエータ４１に戻し、再び燃料電池スタック１へ循環させる。配管４３には循環のための冷却水循環ポンプ４４が配置されている。また、ラジエータ４１をバイパスさせて冷却水を循環させる冷却水パイパス通路４５を備え、この冷却水バイパス通路４５の両端と配管４２，４３とを接続する一方の接続部には、ラジエータ４１若しくは冷却水バイパス通路４５のいずれに冷却媒体を循環させるかを選択する三方弁４６が配置されている。 The cooling medium supply means 4 passes through a cooling water inlet internal manifold 47 (see FIG. 2), which will be described later, arranged in the stacking direction of the fuel cell stack 1, A cooling medium is supplied from the radiator 41 via the pipe 42. Further, a cooling medium discharged from a cooling water flow path disposed between the respective fuel cells via a cooling water outlet internal manifold 48 (see FIG. 2), which will be described later, disposed in the stacking direction of the fuel cell stack 1, It returns to the radiator 41 via the pipe 43 and is circulated again to the fuel cell stack 1. A cooling water circulation pump 44 for circulation is disposed in the pipe 43. In addition, a cooling water bypass passage 45 that bypasses the radiator 41 and circulates the cooling water is provided. One end of the cooling water bypass passage 45 that connects the pipes 42 and 43 is connected to the radiator 41 or the cooling water. A three-way valve 46 that selects which of the bypass passages 45 circulates the cooling medium is disposed.

前記燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池モジュール１０を図示しないインシュレータ及びターミナルを挟んで、一対のエンドプレート１１、１１により挟持される。一対のエンドプレート１１，１１は、図示しないテンション手段によりセル積層方向に所定の力で燃料電池モジュール１０を圧縮挟持した状態とする。 In the fuel cell stack 1, a fuel cell module 10 in which a plurality of fuel cells are stacked is sandwiched between a pair of end plates 11 and 11 with an insulator and a terminal (not shown) interposed therebetween. The pair of end plates 11 and 11 are in a state in which the fuel cell module 10 is compressed and sandwiched with a predetermined force in the cell stacking direction by a tension means (not shown).

前記燃料電池セルは、図２に示すように、セル構成体１２を一対のセパレータ１３（ａ）,１３（ｂ）により、図示しない環状のシールを介在させて、積層して構成している。図中の（Ａ）に示すセパレータ１３（ａ）及び（Ｂ）に示すセル構成体１２は上下方向が鉛直方向となる図示状態で、セパレータ１３（ａ）上にセル構成体１２が積層されるものであり、（Ｃ）に示すセパレータ１３（ｂ）は鉛直方向となる上下方向を反転した状態で図示しており、図中の表示されている面が図示のセル構成体１２に対面させて積層されるものである。 As shown in FIG. 2, the fuel battery cell is constructed by laminating a cell structure 12 with a pair of separators 13 (a) and 13 (b) with an annular seal (not shown) interposed therebetween. In the figure, the cell structure 12 shown in (A) and the separator 13 (A) shown in (B) are stacked in a vertical direction on the separator 13 (a). The separator 13 (b) shown in (C) is shown in a state where the vertical direction, which is the vertical direction, is inverted, and the surface displayed in the figure faces the cell structure 12 shown in the figure. It is to be laminated.

前記セル構成体１２は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、ＭＥＡの反応エリアの両面に、例えばカーボン製の多孔質部材である一対のガス拡散層Ｇを夫々積層して構成される。前記ＭＥＡは、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備える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電解質膜１２Ａと、電解質膜１２Ａの反応エリアの夫々面にアノードおよびカソードを構成するよう、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている一対の電極触媒層を接合して形成している。 The cell structure 12 is configured by laminating a pair of gas diffusion layers G, which are porous members made of, for example, carbon, on both sides of the MEA (Membrane-Electrode Assembly) and the reaction area of the MEA. The MEA is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluororesin containing perfluorocarbon sulfonic acid, and an electrolyte membrane 12A showing good electrical conductivity in a wet state, and an electrolyte membrane A pair of electrocatalyst layers comprising a catalyst that promotes an electrochemical reaction, such as platinum or an alloy made of platinum and another metal, are joined to form an anode and a cathode on each side of the reaction area of 12A. Forming.

前記セパレータ１３は、積層方向から見た外郭形状が同じに形成され、導電性材料による薄板状部材で形成されている。そして、セパレータ１３は、セル構成体１２を両面から挟むように配置されて、一方の面のみがセル構成体１２に接触するアノード側セパレータ１３（ａ）及びカソード側セパレータ１３（ｂ）と、から構成される。 The separator 13 has the same outer shape as viewed from the stacking direction, and is formed of a thin plate member made of a conductive material. The separator 13 is arranged so as to sandwich the cell structure 12 from both sides, and only one side of the separator 13 (a) and the cathode side separator 13 (b) are in contact with the cell structure 12. Composed.

前記アノード側セパレータ１３（ａ）は、一方の面であるセル構成体１２の反応エリアに接触する部位に、後述するアノード入口内部マニホールド１４からアノード出口内部マニホールド１６に到る多数のアノードガス流路１５を備える。前記カソード側セパレータ１３（ｂ）は、一方の面であるセル構成体１２の反応エリアに接触する部位に、後述するカソード入口内部マニホールド１７からカソード出口内部マニホールド１９に到る多数のカソードガス流路１８を備える。 The anode separator 13 (a) has a large number of anode gas flow paths from an anode inlet internal manifold 14 (described later) to an anode outlet internal manifold 16 at a portion in contact with the reaction area of the cell structure 12 on one side. 15. The cathode-side separator 13 (b) has a large number of cathode gas passages extending from a cathode inlet internal manifold 17 (described later) to a cathode outlet internal manifold 19 at a portion in contact with the reaction area of the cell structure 12 on one side. 18 is provided.

また、前記アノード側セパレータ１３（ａ）及びカソード側セパレータ１３（ｂ）は、燃料電池モジュールとして背面同士が接触され、接触するいずれか一方の面若しくは両方の面に後述する冷却水入口内部マニホールド４７から冷却水出口内部マニホールド４８に到る多数の冷媒流路（図１３に背面側が示されたカソードセパレータ１３（ｂ）を参照のこと）を備える。 The anode side separator 13 (a) and the cathode side separator 13 (b) are in contact with each other as a fuel cell module, and either one or both surfaces of the contact are in contact with a cooling water inlet internal manifold 47 described later. To the cooling water outlet internal manifold 48 (see the cathode separator 13 (b) whose rear side is shown in FIG. 13).

前記セル構成体１２及びセパレータ１３には、前記セル構成体１２の反応エリアに対する両側のエリアにおいて、（燃料ガス用および酸化剤ガス用）ガス流路１５，１８および冷媒流路の入口および出口に夫々独立して連通するマニホールド形成用の貫通穴が積層方向に沿って形成されている。図示例では、図中左側領域においては、カソード入口内部マニホールド１７、冷却水入口内部マニホールド４７、アノード出口内部マニホールド１６が鉛直方向となる上方から下方に向かってこの順に配列されて形成されている。また、図中右側領域においては、アノード入口内部マニホールド１４、冷却水出口内部マニホールド４８、カソード出口内部マニホールド１９が鉛直方向の上方から下方に向かってこの順に配列されて形成されている。カソード入口内部マニホールド１７とアノード出口内部マニホールド１６とが同じ領域側(図中左側領域)に配置され、また、カソード出口内部マニホールド１９とアノード入口内部マニホールド１４とが同じ領域側(図中右側領域)に配置されているため、アノードガス流路１５を流れるアノードガスとカソードガス流路１８を流れるカソードガスとはセル構成体１２を挟んで互いに逆方向に流れる。そして、アノードガス流路１５の出口とカソードガス流路１８の入口とがセル構成体１２の電解質膜を挟んで対面し、アノードガス流路１５の入口とカソードガス流路１８の出口とがセル構成体１２の電解質膜を挟んで対面している。 The cell structure 12 and the separator 13 are connected to the gas flow paths 15 and 18 (for fuel gas and oxidant gas) and the inlets and outlets of the refrigerant flow paths in the areas on both sides of the reaction area of the cell structure 12. Through holes for forming manifolds that communicate with each other independently are formed along the stacking direction. In the illustrated example, the cathode inlet internal manifold 17, the cooling water inlet internal manifold 47, and the anode outlet internal manifold 16 are arranged in this order from the upper side to the lower side in the vertical direction in the left region in the drawing. In the right region in the figure, the anode inlet internal manifold 14, the cooling water outlet internal manifold 48, and the cathode outlet internal manifold 19 are arranged in this order from the upper side to the lower side in the vertical direction. The cathode inlet internal manifold 17 and the anode outlet internal manifold 16 are arranged on the same region side (left side region in the figure), and the cathode outlet internal manifold 19 and the anode inlet internal manifold 14 are on the same region side (right side region in the figure). Therefore, the anode gas flowing through the anode gas flow path 15 and the cathode gas flowing through the cathode gas flow path 18 flow in opposite directions with respect to the cell structure 12. The outlet of the anode gas passage 15 and the inlet of the cathode gas passage 18 face each other with the electrolyte membrane of the cell structure 12 interposed therebetween, and the inlet of the anode gas passage 15 and the outlet of the cathode gas passage 18 are between the cells. The components 12 face each other across the electrolyte membrane.

前記アノード出口内部マニホールド１６は、セル構成体１２の反応エリアの鉛直方向の下側よりも下方領域に容積が拡大され、これに伴い、各セパレータ１３及びセル構成体１２の電解質膜の下方輪郭が部分的に鉛直方向下方に突出する形状となっている。この拡大されたアノード出口内部マニホールド１６は、アノードガス流路１５の出口から排出される凝縮水を溜める水溜り部を構成している。 The anode outlet internal manifold 16 is expanded in volume to a lower region than the lower side in the vertical direction of the reaction area of the cell structure 12, and accordingly, the lower contour of the electrolyte membrane of each separator 13 and the cell structure 12 is formed. It has a shape that partially projects downward in the vertical direction. The enlarged anode outlet internal manifold 16 constitutes a water reservoir for storing condensed water discharged from the outlet of the anode gas flow path 15.

前記アノード出口内部マニホールド１６の両端はエンドプレート１１、１１により閉じた空間に構成される。また、図３に示すように、アノード出口内部マニホールド１６の一方の端部に配置されるエンドプレート１１には、水素循環ライン２４を構成する外部マニホールドを貫通させて配置しており、アノード出口内部マニホールド１６に排出された水素ガスは外部マニホールドを介して水素循環ライン２４に導入されるよう構成している。また、アノード出口内部マニホールド１６の一方の端部に配置されるエンドプレート１１には、前記外部マニホールドが貫通された部位より鉛直方向下方において、アノード出口内部マニホールド１６の下部領域と連通するよう、エンドプレート１１を貫通させて、排水弁２９及びレベルセンサ５１を備えた排水配管２８を配置して備える。なお、図４では本実施形態をわかりやすくするため、便宜的にセル構成体１２の側面にこれら配管を開口させて図示しているが、実際には、図３に示すように、アノード出口内部マニホールド１６の燃料電池セル積層方向の延長線上のエンドプレート１１にアノードリサイクルラインである水素循環ライン２４の配管と排水ラインの排水配管２８が貫通配置されているものである。 Both ends of the anode outlet internal manifold 16 are formed in a space closed by end plates 11 and 11. Further, as shown in FIG. 3, the end plate 11 disposed at one end of the anode outlet internal manifold 16 is disposed so as to penetrate the external manifold constituting the hydrogen circulation line 24, and the anode outlet internal manifold 16 The hydrogen gas discharged to the manifold 16 is configured to be introduced into the hydrogen circulation line 24 via the external manifold. Further, the end plate 11 disposed at one end of the anode outlet internal manifold 16 has an end so as to communicate with a lower region of the anode outlet internal manifold 16 below the portion through which the external manifold is penetrated. A drain pipe 28 provided with a drain valve 29 and a level sensor 51 is disposed through the plate 11. In FIG. 4, for the sake of clarity, the present embodiment is shown with these pipes open on the side surface of the cell structure 12 for the sake of convenience. Actually, however, as shown in FIG. A pipe of a hydrogen circulation line 24 that is an anode recycling line and a drain pipe 28 of a drain line are disposed through the end plate 11 on an extension line in the fuel cell stacking direction of the manifold 16.

前記制御装置５は、燃料ガス供給手段２の水素調圧弁２３及び水素循環ブロア２５を制御することにより、水素タンク２１の水素を燃料電池スタック１のアノード入口内部マニホールド１４に供給する。アノード入口内部マニホールド１４に供給された水素は、セパレータ１３のアノードガス流路１５を経由してアノード出口内部マニホールド１６に向かって流れる。この過程で水素ガスはセル構成体１２の一方の面における反応エリアのガス拡散層、触媒層に供給される。アノード出口内部マニホールド１６に流入した水素ガスは、水素循環ブロア２５の作動により水素循環ライン２４に導入され、再び燃料電池スタック１のアノード入口内部マニホールド１４に供給される。 The control device 5 supplies the hydrogen in the hydrogen tank 21 to the anode inlet internal manifold 14 of the fuel cell stack 1 by controlling the hydrogen pressure regulating valve 23 and the hydrogen circulation blower 25 of the fuel gas supply means 2. The hydrogen supplied to the anode inlet internal manifold 14 flows toward the anode outlet internal manifold 16 via the anode gas flow path 15 of the separator 13. In this process, hydrogen gas is supplied to the gas diffusion layer and the catalyst layer in the reaction area on one surface of the cell structure 12. The hydrogen gas flowing into the anode outlet internal manifold 16 is introduced into the hydrogen circulation line 24 by the operation of the hydrogen circulation blower 25 and is supplied again to the anode inlet internal manifold 14 of the fuel cell stack 1.

また、前記制御装置５は、酸化ガス供給手段３のコンプレッサ３１を作動させることにより、空気を燃料電池スタック１のカソード入口内部マニホールド１７に供給する。カソード入口内部マニホールド１７に供給された空気は、セパレータ１３のカソードガス流路１８を経由してカソード出口内部マニホールド１９に向かって流れる。この過程で酸化ガスはセル構成体１２の他方の面における反応エリアのガス拡散層、触媒層に供給される。また、背圧調整弁３４を制御することにより、酸化ガス供給経路における各内圧を調整する。 The control device 5 supplies air to the cathode inlet internal manifold 17 of the fuel cell stack 1 by operating the compressor 31 of the oxidizing gas supply means 3. The air supplied to the cathode inlet internal manifold 17 flows toward the cathode outlet internal manifold 19 via the cathode gas flow path 18 of the separator 13. In this process, the oxidizing gas is supplied to the gas diffusion layer and the catalyst layer in the reaction area on the other surface of the cell structure 12. Further, each internal pressure in the oxidizing gas supply path is adjusted by controlling the back pressure adjusting valve 34.

また、前記制御手段は、冷却媒体供給手段４の冷却水循環ポンプ４４を作動させることにより、冷却水を燃料電池スタック１の冷却水入口内部マニホールド４７に供給する。冷却水入口内部マニホールド４７に供給された冷却水は、セパレータ１３の冷却水流路を経由して冷却水出口内部マニホールド４８に向かって流れる。この過程で冷却水は反応エリアの温度を調節する。即ち、反応エリアの温度が設定温度より上昇した場合には、三方弁４６を作動させて冷却水をラジエータ４１に循環させて反応エリアの温度を低下させ、反応エリアの温度が設定温度より低い場合には、三方弁４６を作動させて冷却水を、ラジエータ４１を介することなく、冷却水バイパス通路４５に循環させて反応エリアの温度を上昇させる。 Further, the control means supplies the cooling water to the cooling water inlet internal manifold 47 of the fuel cell stack 1 by operating the cooling water circulation pump 44 of the cooling medium supply means 4. The cooling water supplied to the cooling water inlet internal manifold 47 flows toward the cooling water outlet internal manifold 48 via the cooling water flow path of the separator 13. In this process, the cooling water adjusts the temperature of the reaction area. That is, when the temperature of the reaction area rises above the set temperature, the three-way valve 46 is operated to circulate cooling water to the radiator 41 to lower the temperature of the reaction area, and the temperature of the reaction area is lower than the set temperature. In order to increase the temperature of the reaction area, the three-way valve 46 is operated to circulate the cooling water through the cooling water bypass passage 45 without passing through the radiator 41.

また、制御装置５は、排水配管２８若しくはアノード出口内部マニホールド１６の冷却水の液面レベルをレベルセンサ５１により検出し、液面が予め設定したレベルを超えて上昇する場合に、排水バルブ２９を開放してアノード出口内部マニホールド１６に溜まった凝縮水を排出して所定の液面レベルに戻すよう作動させる。 Further, the control device 5 detects the level of the cooling water in the drain pipe 28 or the anode outlet internal manifold 16 by the level sensor 51, and when the liquid level rises above a preset level, the control unit 5 sets the drain valve 29. The condensed water accumulated in the anode outlet internal manifold 16 is discharged and discharged to return to a predetermined liquid level.

また、制御装置５は、循環する水素ガス中に含まれる窒素などの不純物の割合が上昇した場合に、水素タンク２１よりの水素を供給しつつ窒素パージ弁２７を開いて不純物を含む水素ガスを排出し、燃料電池スタック１に新鮮な水素ガスを供給する。 In addition, when the ratio of impurities such as nitrogen contained in the circulating hydrogen gas increases, the control device 5 opens the nitrogen purge valve 27 while supplying hydrogen from the hydrogen tank 21, and supplies hydrogen gas containing impurities. Then, the fuel cell stack 1 is supplied with fresh hydrogen gas.

セル構成体１２の反応エリアに空気と水素が供給されることにより、セル構成体１２の電解質膜を介した電気化学的反応が生じ、発電が行われる。発電に伴い、空気と水素の反応の結果、カソードガス流路１８で水が生成する。カソードガス流路１８の空気はこの生成水を含みながら流れるため、カソードガス流路１８の出口側の空気は相対的に湿度が高くなる。そのため、カソードガス流路１８には、その出口側ほど、多くの水が存在する傾向になる。 Supplying air and hydrogen to the reaction area of the cell structure 12 causes an electrochemical reaction through the electrolyte membrane of the cell structure 12 to generate power. As power is generated, water is generated in the cathode gas flow path 18 as a result of the reaction between air and hydrogen. Since the air in the cathode gas passage 18 flows while containing this generated water, the air on the outlet side of the cathode gas passage 18 has a relatively high humidity. For this reason, the cathode gas flow path 18 tends to have more water on the outlet side.

ところで、カソードガス流路１８の下流側では相対湿度が高くなり、カソード側とアノード側の相対湿度差をドライビングフォースとして、電解質膜中を生成水が逆拡散し、アノードガス流路１５の上流側を加湿する。そして、アノードガス流路１５の水蒸気はアノード下流側に運ばれてカソード上流（図７における領域１）の電解質膜を加湿するよう機能する。このように、アノード・カソード・カウンタフローで互いの極を加湿する技術はかなり以前から公知である。 By the way, the relative humidity is increased on the downstream side of the cathode gas flow path 18, and the generated water is reversely diffused in the electrolyte membrane using the relative humidity difference between the cathode side and the anode side as a driving force, and the upstream side of the anode gas flow path 15. Humidify. The water vapor in the anode gas flow path 15 is carried downstream of the anode and functions to humidify the electrolyte membrane upstream of the cathode (region 1 in FIG. 7). As described above, the technique of humidifying each other's poles by the anode / cathode / counter flow has been known for a long time.

この公知の技術によれば、水収支が湿潤（ウエット）側になるような運転条件(中高負荷状態)で燃料電池システムを運転した場合には、ガス流量が比較的多く、ガス圧力を上げることができるため、上記アノード・カソード・カウンタフローの機能が充分に発揮されて、カソードガス（出口側）の相対湿度を高く維持することができる。このため、カソードガス流路出口の水を、電解質膜を介してアノードガス流路入口に移動させてアノードガスを加湿することができる。したがって、図７に示す、最も乾燥しやすい領域１においても電解質膜の湿潤状態を維持することができる。 According to this known technique, when the fuel cell system is operated under an operating condition (medium / high load state) where the water balance is on the wet (wet) side, the gas flow rate is relatively high and the gas pressure is increased. Therefore, the function of the anode / cathode / counter flow is sufficiently exhibited, and the relative humidity of the cathode gas (outlet side) can be kept high. Therefore, the anode gas can be humidified by moving the water at the cathode gas channel outlet to the anode gas channel inlet via the electrolyte membrane. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be maintained even in the region 1 that is most easily dried as shown in FIG.

しかしながら、水収支が乾燥（ドライ）側の条件(低負荷状態)で燃料電池システムを運転した場合には、ガス圧力を上げることができない（流量が少ないので、コンプレッサの特性上からその圧力を上げられない）ため、カソードガス流路１８の下流側での相対湿度が低くなる。このため、カソードガス流路出口側から電解質膜を介してアノードガス流路入口に水を移動させてアノードガスを加湿することが難しくなる。したがって、アノードガス流路１５の出口側が乾燥（ドライ）のままとなり、比較的に乾燥（ドライ）したカソードガスが供給される領域１の電解質膜及び触媒層が乾燥してしまい、発電が行われなくなる。領域１での発電が行われなくなると、領域２〜５で負荷相当分の発電が行われるようになる。しばらく時間が経過すると、次には領域２が乾燥し領域２で発電が行われなくなる。このような現象が連鎖的に発生し、条件によっては、図８に示すように、最終的に領域５のみが発電するような状態になり、セル電圧が低下する。 However, when the fuel cell system is operated under conditions where the water balance is dry (dry), the gas pressure cannot be increased (since the flow rate is low, the pressure is increased due to the characteristics of the compressor). Therefore, the relative humidity on the downstream side of the cathode gas flow path 18 becomes low. This makes it difficult to humidify the anode gas by moving water from the cathode gas channel outlet side to the anode gas channel inlet via the electrolyte membrane. Therefore, the outlet side of the anode gas channel 15 remains dry, and the electrolyte membrane and the catalyst layer in the region 1 to which the relatively dried (dry) cathode gas is supplied are dried, and power generation is performed. Disappear. When power generation in the region 1 is not performed, power generation corresponding to the load is performed in the regions 2 to 5. After a while, region 2 is dried and power generation is not performed in region 2. Such a phenomenon occurs in a chain, and depending on the conditions, as shown in FIG. 8, only the region 5 finally generates power, and the cell voltage decreases.

これに対し、本実施形態では、水収支が湿潤（ウエット）側になるような運転条件(中高負荷状態)で燃料電池システムを運転した時に生ずるアノードガス流路１５の水蒸気が、アノード下流側に運ばれてアノード出口内部マニホールド１６に排出され、アノード出口内部マニホールド１６内に凝縮水として溜められるようにしている。アノード出口内部マニホールド１６内の凝縮水は温度が高いので、図６に示すように、アノード出口内部マニホールド１６内の水蒸気分圧が高く保持できる。 On the other hand, in the present embodiment, the water vapor in the anode gas passage 15 generated when the fuel cell system is operated under an operation condition (medium / high load state) where the water balance is on the wet (wet) side is downstream of the anode. It is carried and discharged to the anode outlet internal manifold 16 so as to be stored as condensed water in the anode outlet internal manifold 16. Since the condensed water in the anode outlet internal manifold 16 has a high temperature, the partial pressure of water vapor in the anode outlet internal manifold 16 can be kept high as shown in FIG.

その結果、図５に示すように、もっとも乾燥（ドライ）状態になり易いアノードガス流路１５の下流部（カソードガス流路１８の上流部）を水蒸気の拡散により加湿することができる。同時に、アノード出口内部マニホールド１６内にから流出する水素循環ライン２４の水素ガスもより加湿されるので、アノード入口内部マニホールド１４から供給される水蒸気量も多くなり、電解質膜の湿潤状態を改善することができる。このため、アノードガス流路１５を出口側から加湿することにより、公知の技術で説明したような乾燥領域が上流から中流に進行していく連鎖（図８）が起きなくなり、図９に示すように、安定して発電を継続することができる。 As a result, as shown in FIG. 5, the downstream portion of the anode gas flow path 15 (upstream portion of the cathode gas flow path 18) that is most likely to be in a dry state can be humidified by the diffusion of water vapor. At the same time, since the hydrogen gas in the hydrogen circulation line 24 flowing out from the anode outlet internal manifold 16 is further humidified, the amount of water vapor supplied from the anode inlet internal manifold 14 is increased, thereby improving the wet state of the electrolyte membrane. Can do. For this reason, by humidifying the anode gas flow path 15 from the outlet side, the chain (FIG. 8) in which the dry region proceeds from the upstream to the middle flow as described in the known technique does not occur, as shown in FIG. In addition, power generation can be continued stably.

なお、停止後の燃料電池システムが氷点下温度まで低下する場合においては、燃料電池システムの運転停止時に、排水弁２９を開放して、アノード出口内部マニホールド１６に溜まった凝縮水を排出して、アノード出口内部マニホールド１６内において氷結する凝縮水が残らないようにする。 When the stopped fuel cell system is cooled to a temperature below freezing point, when the fuel cell system is stopped, the drain valve 29 is opened, and the condensed water accumulated in the anode outlet internal manifold 16 is discharged. Condensed water that freezes in the outlet internal manifold 16 does not remain.

図１０〜図１６に示す実施例は、アノード出口内部マニホールド１６の底面に凝縮水が溜まるようにする変形例を夫々示すものである。なお、図１０〜図１６に示す実施例は、後述する第２実施形態の燃料電池システムにも同様に適用できるものである。 The embodiment shown in FIGS. 10 to 16 shows a modification in which condensed water is accumulated on the bottom surface of the anode outlet internal manifold 16. The examples shown in FIGS. 10 to 16 can be similarly applied to the fuel cell system according to the second embodiment to be described later.

図１０に示す実施例においては、排水ラインを構成する排水配管２８のエンドプレート１１を貫通させる先端部分２８Ａの位置を、アノード出口内部マニホールド１６の底面よりも重力方向で上部に貫通させて形成したものである。即ち、排水配管２８の先端部分２８Ａの重力方向で下端位置を、アノード出口内部マニホールド１６の底面よりも上方に位置させることができ、排水弁２９を開放して所定レベル以上の凝縮水を排出させる場合において、アノード出口内部マニホールド１６の底面に凝縮水の溜りを常時残すことができる。このため、前記凝縮水の溜りにより、アノードガス流路１５の出口部を良好に加湿できる。 In the embodiment shown in FIG. 10, the position of the tip end portion 28 </ b> A that penetrates the end plate 11 of the drainage pipe 28 that constitutes the drainage line is formed so as to penetrate above the bottom surface of the anode outlet internal manifold 16 in the gravity direction. Is. That is, the lower end position in the gravity direction of the tip end portion 28A of the drain pipe 28 can be positioned above the bottom surface of the anode outlet internal manifold 16, and the drain valve 29 is opened to discharge condensed water of a predetermined level or higher. In some cases, a pool of condensed water can always remain on the bottom surface of the anode outlet internal manifold 16. For this reason, the outlet part of the anode gas flow path 15 can be humidified favorably by the accumulation of the condensed water.

図１１に示す実施例においては、排水ラインを構成する排水配管２８の先端部分２８Ａをアノード出口内部マニホールド１６の底面に対して重力方向の上方から傾斜させた状態でエンドプレート１１に対して貫通させて取付けるようにしたものである。このため、排水配管２８の先端部分２８Ａの傾斜により、溜まった凝縮水が流出する液面レベルを重力方向でアノード出口内部マニホールド１６の底面よりも上方に位置させることができ、排水弁２９を開放して所定レベル以上の凝縮水を排出させる場合において、アノード出口内部マニホールド１６の底面に凝縮水の溜りを常時残すことができる。このため、前記凝縮水の溜りにより、アノードガス流路１５の出口部を良好に加湿できる。 In the embodiment shown in FIG. 11, the end portion 28A of the drainage pipe 28 constituting the drainage line is made to penetrate the end plate 11 while being inclined from above in the gravity direction with respect to the bottom surface of the anode outlet internal manifold 16. It is intended to be installed. For this reason, the inclination of the tip end portion 28A of the drainage pipe 28 allows the liquid level at which the accumulated condensed water flows out to be positioned above the bottom surface of the anode outlet internal manifold 16 in the direction of gravity, and the drainage valve 29 is opened. Thus, when draining condensed water at a predetermined level or higher, a pool of condensed water can be always left on the bottom surface of the anode outlet internal manifold 16. For this reason, the outlet part of the anode gas flow path 15 can be humidified favorably by the accumulation of the condensed water.

なお、図１０及び図１１に示す実施例において、アノード出口内部マニホールド１６に溜まる凝縮水のレベル(量)を調整するために、排水配管２８の先端部分２８Ａが貫通している壁面(エンドプレート１１の一部分)の重力方向の位置を、図示しないアクチュエータにより鉛直方向となる上下方向に移動可能に配置したり、排水配管２８の先端部分の傾斜角度を図示しないアクチュエータにより変更可能に構成することもできる。この場合には、排水配管２８の先端部分２８Ａの位置を重力方向に下降させることにより、また、排水配管２８の先端部分２８Ａの傾斜を水平状態に変更させることにより、アノード出口内部マニホールド１６に溜まる凝縮水のレベルをゼロに設定することもできる。このように、凝縮水の液面レベルをゼロにして燃料電池スタック１内に残る凝縮水を排出することは、停止後の燃料電池システムが氷点下温度まで低下する場合において、凝縮水の氷結に対して有効な対策となる。 10 and 11, in order to adjust the level (amount) of condensed water accumulated in the anode outlet internal manifold 16, the wall surface (end plate 11) through which the distal end portion 28 </ b> A of the drainage pipe 28 passes. The position in the gravitational direction of a portion of the drain pipe 28 can be arranged so as to be vertically movable by an actuator (not shown), or the inclination angle of the tip portion of the drainage pipe 28 can be changed by an actuator (not shown). . In this case, the position of the front end portion 28A of the drainage pipe 28 is lowered in the direction of gravity, and the inclination of the front end portion 28A of the drainage pipe 28 is changed to a horizontal state, thereby accumulating in the anode outlet internal manifold 16. The condensate level can also be set to zero. Thus, discharging the condensed water remaining in the fuel cell stack 1 by setting the liquid level of the condensed water to zero is effective against the freezing of the condensed water when the fuel cell system after the stop falls to a temperature below the freezing point. Effective measures.

図１２に示す実施例においては、アノード出口内部マニホールド１６の凝縮水を溜められる容量を拡大しつつ、燃料電池セル形状のアスペクト比(短辺：長辺の比)を大きくすることなく、四辺形状としたものである。即ち、アノード出口内部マニホールド１６を、燃料電池セルの一方の領域から反応エリアの下方に延長しており、更にアノード入口内部マニホールド１４、カソード出口内部マニホールド１９等が設けられる他方の領域の下方に達するよう延長して形成している。 In the embodiment shown in FIG. 12, the capacity of the anode outlet internal manifold 16 for condensing water is expanded, and the aspect ratio (short side: long side ratio) of the fuel cell shape is not increased, and the quadrilateral shape is increased. It is what. That is, the anode outlet internal manifold 16 extends from one region of the fuel cell to the lower side of the reaction area, and further reaches the lower side of the other region in which the anode inlet internal manifold 14 and the cathode outlet internal manifold 19 are provided. It is formed so as to extend.

このように構成することにより燃料電池スタック１の鉛直方向の下部領域全体を利用した容量の大きいアノード出口内部マニホールド１６を形成でき、大量の凝縮水を溜めることができ、燃料電池システムにおける水収支乾燥（ドライ）側の運転時間を長くすることができる。しかも、外形形状が異形であるよりも、四角に近い形状とでき且つ燃料電池セル形状のアスペクト比(短辺：長辺の比)の増加を小さく抑えることができるため、材料の歩留まり等も良好であると共に生産時のハンドリングも容易となり、燃料電池スタック１の大量生産に好適である。 With this configuration, a large-capacity anode outlet internal manifold 16 can be formed using the entire vertical lower region of the fuel cell stack 1, a large amount of condensed water can be stored, and water balance drying in the fuel cell system can be performed. The operation time on the (dry) side can be lengthened. In addition, since the outer shape can be closer to a square shape than the irregular shape, and the increase in the aspect ratio (short side: long side ratio) of the fuel cell shape can be kept small, the material yield is also good. In addition, handling at the time of production becomes easy, which is suitable for mass production of the fuel cell stack 1.

上記した実施例では、アノード出口内部マニホールド１６を構成する空間が燃料電池スタック１の鉛直方向の下部領域全体に拡大されているため、セル構成体１２並びにセパレータ１３の形状安定性が低下することが予想される。このため、図１３に示すように、各セパレータ１３及びセル構成体１２のアノード出口内部マニホールド１６を形成する空間に、ブレイス１２Ａ，１３Ａ(支柱、ｂｒａｃｅ)を設けるようにする。このように構成することにより、各セパレータ１３及びセル構成体１２の組立前の形状安定性が良好に維持され、生産性の低下を抑制できる。そして、各セパレータ１３及びセル構成体１２に設けるブレイス１２Ａ，１３Ａは、設置する長手方向の位置を各セパレータ１３とセル構成体１２とで異ならせることにより、燃料電池スタック１として組立てられた状態で、ブレイスによる仕切りが存在しない全体を一つのボリュームとするアノード出口内部マニホールド１６を形成することができる。 In the above-described embodiment, the space constituting the anode outlet internal manifold 16 is expanded to the entire lower region of the fuel cell stack 1 in the vertical direction, so that the shape stability of the cell structure 12 and the separator 13 may be reduced. is expected. For this reason, as shown in FIG. 13, braces 12 </ b> A and 13 </ b> A (supports, braces) are provided in the spaces forming the separator outlets 13 and the anode outlet internal manifold 16 of the cell structure 12. By comprising in this way, the shape stability before the assembly of each separator 13 and the cell structure 12 is maintained favorable, and the fall of productivity can be suppressed. The braces 12A and 13A provided in each separator 13 and the cell structure 12 are assembled in the fuel cell stack 1 by making the longitudinal positions to be installed different in each separator 13 and the cell structure 12. Thus, the anode outlet internal manifold 16 can be formed in which the whole without a brace partition is one volume.

図１４及び図１５に示す実施例においては、アノード出口内部マニホールド１６の鉛直方向の底面を、アノードガス流路１５の出口側が開口している領域から、アノード入口内部マニホールド１４、カソード出口内部マニホールド１９等が設けられる他方の領域に向かって鉛直方向上方となるよう傾斜させて形成したものである。このように構成することにより、アノード出口内部マニホールド１６内に溜まる凝縮水の量が多い場合には、図１４に示すように、アノード出口内部マニホールド１６の平面方向の全領域に存在するように溜めることができる。また、アノード出口内部マニホールド１６内に溜まる凝縮水の量が少なくなるに連れて、凝縮水の溜まる領域が徐々にアノードガス流路１５の出口側が開口している領域に近づいて行き、溜まる凝縮水の量が少量となる場合には、図１５に示すように、アノードガス流路１５の出口側が開口している領域のみに溜まることとなる。このため、アノード出口内部マニホールド１６内において、アノードガス流路１５の出口側が開口している領域には、常に凝縮水が存在していることとなり、凝縮水蒸発による水蒸気をアノードガス流路１５の出口近傍に供給することができ、電解質膜の湿潤状態を改善することができる。 In the embodiment shown in FIGS. 14 and 15, the anode bottom inner manifold 14 and the cathode outlet inner manifold 19 are formed on the bottom surface in the vertical direction of the anode outlet inner manifold 16 from the region where the outlet side of the anode gas flow path 15 is opened. Etc. are formed so as to be inclined upward in the vertical direction toward the other region in which etc. are provided. With this configuration, when the amount of condensed water collected in the anode outlet internal manifold 16 is large, as shown in FIG. 14, the condensed water is accumulated in the entire area in the planar direction of the anode outlet internal manifold 16. be able to. Further, as the amount of condensed water accumulated in the anode outlet internal manifold 16 decreases, the area where the condensed water accumulates gradually approaches the area where the outlet side of the anode gas flow path 15 is open, and the condensed water accumulated. When the amount is small, as shown in FIG. 15, it accumulates only in the region where the outlet side of the anode gas flow path 15 is open. For this reason, in the anode outlet internal manifold 16, the condensed water always exists in the region where the outlet side of the anode gas flow path 15 is open, and the water vapor from the condensed water evaporation is supplied to the anode gas flow path 15. It can be supplied in the vicinity of the outlet, and the wet state of the electrolyte membrane can be improved.

しかも、停止後の燃料電池システムが氷点下温度まで低下する場合においては、燃料電池システムの運転停止時に、排水弁２９を開放して、アノード出口内部マニホールド１６に溜まった凝縮水を排出すると、アノード出口内部マニホールド１６の底部の傾斜により、凝縮水のアノード出口内部マニホールド１６内への残留を確実に防止でき、凝縮水が氷結することを防止できる。 In addition, when the fuel cell system after the stop is lowered to a sub-freezing temperature, the drain valve 29 is opened and the condensed water accumulated in the anode outlet internal manifold 16 is discharged when the operation of the fuel cell system is stopped. The inclination of the bottom of the internal manifold 16 can reliably prevent the condensed water from remaining in the anode outlet internal manifold 16 and prevent the condensed water from freezing.

図１６に示す実施例は、セパレータ１３で構成するガス流路及び冷媒流路が鉛直方向となるよう構成した燃料電池スタック１を提供するものである。この場合においては、アノード入口内部マニホールド１４は燃料電池スタック１の上方領域に配置される一方、アノード出口内部マニホールド１６は燃料電池スタック１の下方領域に配置される。このため、図２〜図１５の実施例に示すように、アノード出口内部マニホールド１６が燃料電池セルの反応エリアより鉛直方向下方に位置するよう領域拡大させる(反応エリアの幅からはみ出す)ことなく、アノードガス流路１５の出口が開口するアノード出口内部マニホールド１６は、その全体領域がセル構成体１２の反応エリアより鉛直方向の下方に配置することができる。したがって、セル構成体１２及びセパレータ１３のアスペクト比を変更することなく、アノード出口内部マニホールド１６に凝縮水を溜めることができる。 The embodiment shown in FIG. 16 provides the fuel cell stack 1 configured such that the gas flow path and the refrigerant flow path formed by the separator 13 are in the vertical direction. In this case, the anode inlet internal manifold 14 is disposed in the upper region of the fuel cell stack 1, while the anode outlet internal manifold 16 is disposed in the lower region of the fuel cell stack 1. For this reason, as shown in the embodiment of FIGS. 2 to 15, the anode outlet internal manifold 16 is not expanded (extruded from the width of the reaction area) so as to be positioned vertically below the reaction area of the fuel cell, The entire area of the anode outlet internal manifold 16 in which the outlet of the anode gas flow path 15 is opened can be arranged below the reaction area of the cell structure 12 in the vertical direction. Therefore, condensed water can be stored in the anode outlet internal manifold 16 without changing the aspect ratio of the cell structure 12 and the separator 13.

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, the following effects can be achieved.

（ア）各燃料電池の電解質膜における反応エリアのアノード電極触媒層側にアノードガスを供給する各アノードガス流路１５の下流側に連通させて形成される、燃料電池スタック１内のアノード出口内部マニホールド１６に、凝縮水を燃料電池スタック１の外部に排出可能な排出手段が接続配置すると共に、前記アノードガス流路１５の出口から排出される凝縮水を貯留する水溜まり部を形成した。このため、カソードガスの相対湿度が湿潤（ウエット）状態となる燃料電池の運転状態において前記水溜まり部に凝縮水を貯留することができ、燃料電池スタック１外に水を溜めその水で加湿する場合と比較して、アノード出口内部マニホールド１６は温度が高く凝縮水による水蒸気分圧を高くすることができ、効率よくアノードガス流路１５内（特に出口側）を加湿することができる。したがって、カソードガスの相対湿度が低くなる運転状態においても電解質膜の加湿を行うことができる。 (A) Inside the anode outlet in the fuel cell stack 1 formed in communication with the downstream side of each anode gas channel 15 for supplying anode gas to the anode electrode catalyst layer side of the reaction area in the electrolyte membrane of each fuel cell A discharge means capable of discharging condensed water to the outside of the fuel cell stack 1 is connected to the manifold 16, and a water reservoir for storing condensed water discharged from the outlet of the anode gas flow path 15 is formed. For this reason, when the relative humidity of the cathode gas is in a wet (wet) state, the condensed water can be stored in the water reservoir, and water is stored outside the fuel cell stack 1 and humidified with the water. As compared with the above, the anode outlet internal manifold 16 has a high temperature and can increase the water vapor partial pressure due to the condensed water, and can efficiently humidify the anode gas flow path 15 (especially the outlet side). Therefore, the electrolyte membrane can be humidified even in an operating state where the relative humidity of the cathode gas is low.

前記水溜まり部は、図２〜図５、図１０〜１５に示すアノード出口内部マニホールド１６を鉛直方向下方に拡大させて形成するものであってもよく、また、アノード出口内部マニホールド１６がこのように拡大されていないものであっても、例えば、吸水性のある多孔性材料による水保持機能を発揮する部材による水溜まり部であってもよく、更には、図１６に示すアノード出口内部マニホールド１６を燃料電池セルの反応領域の下方に配置するものであってもよい。 The water reservoir portion may be formed by expanding the anode outlet internal manifold 16 shown in FIGS. 2 to 5 and 10 to 15 downward in the vertical direction, and the anode outlet internal manifold 16 is formed in this way. Even if it is not enlarged, it may be, for example, a water pool portion made of a member that exhibits a water holding function by a porous material having water absorption properties. Furthermore, the anode outlet internal manifold 16 shown in FIG. You may arrange | position below the reaction area | region of a battery cell.

(イ)水溜り部として、アノード出口内部マニホールド１６の底面を、アノードガス流路１５の出口より重力方向下側に位置させることにより形成した場合には、水溜り部からアノードガス流路１５に向かって凝縮水が逆流しにくい効果がある。 (A) When the bottom surface of the anode outlet internal manifold 16 is formed as a water reservoir portion by being positioned below the outlet of the anode gas flow channel 15 in the direction of gravity, the water reservoir portion is moved to the anode gas flow channel 15. Condensed water is less likely to flow backwards.

(ウ)アノード出口内部マニホールド１６は、その空間の重力方向の下部に排出手段が接続配置され、その空間の重力方向の上部に、水素ガスを燃料電池スタック１へ供給する供給経路に他端が接続された水素循環ライン２４の一端が接続され、アノード出口内部マニホールド１６内に排出された水素ガスを、水素循環ライン２４を経由させて燃料電池スタック１の供給経路に戻すよう構成しているため、アノード出口内部マニホールド１６内にから流出する水素循環ライン２４の水素ガスもより加湿されるので、アノード入口内部マニホールド１４から供給される水蒸気量も多くなり、電解質膜の湿潤状態を改善することができる。 (C) The anode outlet internal manifold 16 has discharge means connected to the lower part of the space in the gravitational direction, and the other end of the supply path for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 1 at the upper part of the space in the gravitational direction. One end of the connected hydrogen circulation line 24 is connected so that the hydrogen gas discharged into the anode outlet internal manifold 16 is returned to the supply path of the fuel cell stack 1 via the hydrogen circulation line 24. Since the hydrogen gas in the hydrogen circulation line 24 flowing out from the anode outlet internal manifold 16 is also humidified, the amount of water vapor supplied from the anode inlet internal manifold 14 is increased, and the wet state of the electrolyte membrane can be improved. it can.

（第２実施形態）
図１７〜図２４は本発明を適用した燃料電池システムの第２実施形態を示し、図１７〜図２０は第１実施例の燃料電池システムを示す構成図・斜視図及び説明図、図２１〜図２４は第２実施例の燃料電池システムにおけるフローチャート・動作状態図及び説明図である。本実施形態においては、燃料電池スタック１若しくは燃料電池スタック下流で閉じたアノード経路に対してアノードガスを間歇的に供給するアノードデッドエンドシステムの燃料電池システムに本発明を適用したものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。 (Second Embodiment)
FIGS. 17 to 24 show a second embodiment of the fuel cell system to which the present invention is applied. FIGS. 17 to 20 are a configuration diagram, a perspective view and an explanatory diagram showing the fuel cell system of the first embodiment, FIGS. FIG. 24 is a flowchart, operation state diagram, and explanatory diagram of the fuel cell system of the second embodiment. In the present embodiment, the present invention is applied to a fuel cell system of an anode dead end system that intermittently supplies anode gas to the fuel cell stack 1 or an anode path closed downstream of the fuel cell stack. The same devices as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.

図１７〜図１９において、本実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態と同様に、容積を拡大させたアノード出口内部マニホールド１６を備えるものである。そして、第１実施形態における水素循環ライン２４が廃止され、アノード出口内部マニホールド１６には、排水弁２９を備えた排水ライン及び窒素パージ弁２７を備えた窒素パージラインのみが接続されている。また、図２０に示すように、アノード出口内部マニホールド１６に連通させてアノード下流容積部３０を設けるものであってもよい。燃料ガス供給手段２の水素調圧弁２３の下流、及び、酸化ガス供給手段３の背圧調整弁３４の上流には、夫々のガス圧力を検出する圧力センサ５２，５３が設けられ、また冷却媒体供給手段４のスタック出口には冷却水出口温度を検出する温度センサ５４が配置されている。 17 to 19, the fuel cell system according to the present embodiment includes the anode outlet internal manifold 16 having an enlarged volume, as in the first embodiment. Then, the hydrogen circulation line 24 in the first embodiment is abolished, and only the drain line provided with the drain valve 29 and the nitrogen purge line provided with the nitrogen purge valve 27 are connected to the anode outlet internal manifold 16. Further, as shown in FIG. 20, the anode downstream volume portion 30 may be provided in communication with the anode outlet internal manifold 16. Pressure sensors 52 and 53 for detecting the respective gas pressures are provided downstream of the hydrogen pressure regulating valve 23 of the fuel gas supply means 2 and upstream of the back pressure adjustment valve 34 of the oxidizing gas supply means 3, and the cooling medium. A temperature sensor 54 for detecting the coolant outlet temperature is disposed at the stack outlet of the supply means 4.

なお、図１９では本実施形態をわかりやすくするため、便宜的にセル構成体１２の側面にこれら配管を開口させて図示しているが、実際には、図１８に示すように、アノード出口内部マニホールド１６の燃料電池セル積層方向の延長線上のエンドプレート１１に窒素パージ弁２７を備えた窒素パージラインの配管２６と排水ラインの排水配管２８が貫通配置されているものである。その他の構成、例えば、燃料電池スタック１、酸化ガス供給手段３および冷却媒体供給手段４等の構成は、第１実施形態と同様に構成されている。また、図１０〜図１６に示すアノード出口内部マニホールド１６の底面に凝縮水が溜まるようにする各実施例も、本実施形態に対して同様に適用できるものである。 In FIG. 19, for ease of understanding of the present embodiment, these pipes are opened on the side surface of the cell structure 12 for the sake of convenience. However, actually, as shown in FIG. A pipe 26 of a nitrogen purge line provided with a nitrogen purge valve 27 and a drain pipe 28 of a drain line are disposed through the end plate 11 on the extension line in the fuel cell stacking direction of the manifold 16. Other configurations, for example, the configuration of the fuel cell stack 1, the oxidizing gas supply unit 3, the cooling medium supply unit 4, and the like are configured in the same manner as in the first embodiment. Moreover, each Example which makes condensed water accumulate on the bottom face of the anode exit internal manifold 16 shown in FIGS. 10-16 is similarly applicable with respect to this embodiment.

本実施形態のアノードデッドエンドシステムとして作動する燃料電池システムにおいては、先ず燃料電池スタック１のアノード入口内部マニホールド１４を介してアノードガス流路１５及びアノード出口内部マニホールド１６に水素を供給し、燃料電池スタック１のアノード側の上流の水素調圧弁２３とアノード側の下流の排水弁２９とを閉じた状態にして燃料電池の発電を行なう。発電が継続することにより供給された水素ガスが発電により消費され、燃料電池スタック１内及び燃料電池スタック１に連通した容器が徐々に減圧状態となる。そして、燃料電池スタック１内及び燃料電池スタック１に連通したアノード下流容積部３０の圧力が所定の圧力に低下したところで、水素調圧弁２３を開いて減圧状態の燃料電池スタック１内に水素を噴入し、燃料電池スタック１のアノードガス流路１５側の凝縮水をアノード出口内部マニホールド１６に押し出し、アノード出口内部マニホールド１６に溜まり所定レベルを超えている凝縮水を、排水弁２９を開いて外部へ排出するよう作動する。 In the fuel cell system that operates as the anode dead end system of the present embodiment, first, hydrogen is supplied to the anode gas flow path 15 and the anode outlet internal manifold 16 via the anode inlet internal manifold 14 of the fuel cell stack 1, and the fuel cell. Power generation of the fuel cell is performed with the upstream hydrogen pressure regulating valve 23 on the anode side of the stack 1 and the downstream drain valve 29 on the anode side closed. As the power generation continues, the supplied hydrogen gas is consumed by the power generation, and the containers in the fuel cell stack 1 and the fuel cell stack 1 are gradually reduced in pressure. Then, when the pressure in the fuel cell stack 1 and the anode downstream volume portion 30 communicating with the fuel cell stack 1 is reduced to a predetermined pressure, the hydrogen pressure regulating valve 23 is opened to inject hydrogen into the fuel cell stack 1 in the decompressed state. The condensed water on the anode gas flow path 15 side of the fuel cell stack 1 is pushed out to the anode outlet internal manifold 16, and the condensed water accumulated in the anode outlet internal manifold 16 exceeds the predetermined level is opened by opening the drain valve 29. Operates to discharge to

上記作動において、水素調圧弁２３を閉じて発電を継続している時に、アノードガス流路１５の下流の容積部（図１７〜図１９に示す実施例では、アノード出口内部マニホールド１６のボリューム、図２０に示す実施例では、アノード出口内部マニホールド１６及びアノード下流容積部３０のボリューム）から水素が燃料電池スタック１のアノードガス流路１５側へ逆流する現象を生ずる。逆流する水素の量は、燃料電池スタックから取り出している負荷、アノード出口内部マニホールド１６(及びアノード下流容積部３０)のボリューム、圧力等から決まる。 In the above operation, when the hydrogen pressure regulating valve 23 is closed and power generation is continued, the volume portion downstream of the anode gas flow path 15 (in the embodiment shown in FIGS. 17 to 19, the volume of the anode outlet internal manifold 16, In the embodiment shown in FIG. 20, a phenomenon occurs in which hydrogen flows backward from the anode outlet internal manifold 16 and the volume of the anode downstream volume 30 to the anode gas flow path 15 side of the fuel cell stack 1. The amount of hydrogen flowing backward is determined by the load taken out from the fuel cell stack, the volume of the anode outlet internal manifold 16 (and the anode downstream volume 30), the pressure, and the like.

アノードデッドエンドシステムでは、上記した作動における、水収支湿潤（ウエット）側では燃料電池セル内からの過渡的な液水流入に備えて、アノードアクティブエリア(反応エリア)下流のボリューム(アノード出口内部マニホールド１６及びアノード下流容積部３０)はある程度大きく取っておく必要があり、第１実施形態の図１２〜図１５に示すアノード出口内部マニホールド１６を採用することにより、アクティブエリアより下流のボリューム容積を大きくでき、良好に発電を継続でき、特に高負荷側でのより大きいボリュームを提供できる。 In the anode dead-end system, the volume (wet the anode outlet internal manifold) downstream of the anode active area (reaction area) in preparation for the transient liquid water inflow from the fuel cell on the water balance wet (wet) side in the above operation. 16 and the anode downstream volume portion 30) need to be kept large to some extent, and by adopting the anode outlet internal manifold 16 shown in FIGS. 12 to 15 of the first embodiment, the volume volume downstream from the active area is increased. It is possible to continue power generation well, and to provide a larger volume especially on the high load side.

本実施形態では、アノード出口内部マニホールド１６には、凝縮水が溜められており、スタック温度と同程度の比較的高温の水蒸気が存在するため、アノード出口内部マニホールド１６から燃料電池スタック１のアノードガス流路１５側へ逆流する際に、前記水蒸気がアノードガス流路１５へ下流から供給され、水収支乾燥（ドライ）側の運転時に乾燥しやすいアノードガス流路１５下流を加湿することができる。このため、公知の技術で説明したような乾燥領域が上流から中流に進行していく連鎖が起きなくなり、第１実施形態と同様に、安定して発電を継続することができる。 In the present embodiment, condensed water is stored in the anode outlet internal manifold 16, and relatively high-temperature water vapor having the same temperature as the stack temperature is present, so the anode gas of the fuel cell stack 1 from the anode outlet internal manifold 16 is present. When backflowing to the flow path 15 side, the water vapor is supplied to the anode gas flow path 15 from the downstream side, and the downstream of the anode gas flow path 15 that is easy to dry during operation on the water balance drying (dry) side can be humidified. For this reason, the chain in which the dry region proceeds from the upstream to the middle as described in the known technology does not occur, and the power generation can be stably continued as in the first embodiment.

図２１〜図２４に示す第２実施例の燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転状態に応じてアノード出口内部マニホールド１６に溜めておく凝縮水の量を最適に制御するものである。以下では、この第２実施例をアノードデッドエンドシステムとして作動する燃料電池システムに適用したものについて説明するが、第１実施形態の燃料電池システムに適用することも、同様に可能である。 In the fuel cell system of the second embodiment shown in FIGS. 21 to 24, the amount of condensed water stored in the anode outlet internal manifold 16 is optimally controlled according to the operating state of the fuel cell system. In the following description, the second embodiment is applied to a fuel cell system that operates as an anode dead end system. However, the second embodiment can also be applied to the fuel cell system of the first embodiment.

即ち、図２１は制御装置５で所定時間毎に実行される液面制御のフローチャート、図２２は液面制御による水収支乾燥（ドライ）運転状態での液面制御レベル、図２３は液面制御による水収支湿潤（ウエット）な運転状態での液面制御レベル、図２４は燃料電池システムの運転負荷に応じた水収支特性を示す特性図である。 That is, FIG. 21 is a flow chart of liquid level control executed every predetermined time by the control device 5, FIG. 22 is a liquid level control level in a water balance drying (dry) operation state by liquid level control, and FIG. FIG. 24 is a characteristic diagram showing the water balance characteristic according to the operating load of the fuel cell system.

図２１における液面制御のフローチャートでは、先ず、ステップＳ１において、運転負荷・冷却水温度・カソードガス圧力から現在の運転条件が水収支乾燥（ドライ）側か湿潤（ウエット）側かを演算する。前記水収支は、冷却水出口温度からカソード出口温度を推定し（第１、第２の実施形態の場合は、冷却水出口温度がほぼカソード出口温度となる）、その温度とカソードガス圧力から飽和水蒸気量を求める。そして、演算した飽和水蒸気量と、凝縮水の液面レベル関係から、飽和水蒸気量が凝縮水量よりも多い場合は水収支乾燥（ドライ）側、少ない場合は水収支湿潤（ウエット）側とする。ただし、実際には飽和水蒸気量が凝縮水量よりも若干多い場合でも、電解質膜や触媒層の特性上問題なく運転できる場合もあり、今回の水収支乾燥（ドライ）側、湿潤（ウエット）側の閾値は電解質膜・触媒層さらには拡散層の仕様によって異なるため、事前に実験によってその閾値を決めるとよい。また、その閾値は運転負荷によっても異なるので、運転負荷ごとに閾値を決めるとさらによい。 In the flow chart of liquid level control in FIG. 21, first, in step S1, it is calculated whether the current operating condition is the water balance dry (dry) side or the wet (wet) side from the operating load, cooling water temperature, and cathode gas pressure. The water balance estimates the cathode outlet temperature from the cooling water outlet temperature (in the case of the first and second embodiments, the cooling water outlet temperature is substantially the cathode outlet temperature), and is saturated from the temperature and the cathode gas pressure. Determine the amount of water vapor. Then, from the calculated saturated water vapor amount and the liquid level level of the condensed water, when the saturated water vapor amount is larger than the condensed water amount, the water balance is dry (dry) side, and when it is small, the water balance is wet (wet) side. However, even when the amount of saturated water vapor is slightly larger than the amount of condensed water, it may be possible to operate without problems due to the characteristics of the electrolyte membrane and the catalyst layer. Since the threshold value varies depending on the specifications of the electrolyte membrane / catalyst layer and further the diffusion layer, the threshold value may be determined in advance by experiments. Further, since the threshold value varies depending on the driving load, it is better to determine the threshold value for each driving load.

ステップＳ２では、水収支乾燥（ドライ）側か湿潤（ウエット）側かの判断がされ、水収支湿潤（ウエット）側であれば、ステップＳ３へ進み、排水バルブ２９を開けてアノード出口内部マニホールド１６内の水を排出し、図２３に示すように、例えば、水位２の位置まで排水することにより、アノードガス流路１５から新たに排出される凝縮水を溜めるためのボリュームを稼ぐ。 In step S2, it is determined whether the water balance is dry (dry) or wet (wet). If the water balance is wet (wet), the process proceeds to step S3, the drain valve 29 is opened, and the anode outlet internal manifold 16 is opened. As shown in FIG. 23, for example, by draining to the position of the water level 2, a volume for accumulating condensed water newly discharged from the anode gas flow path 15 is gained.

また、ステップＳ２において、もし、水収支乾燥（ドライ）側の判断がなされたら、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、その時のレベルセンサ５１で測定した凝縮水の液面レベルが、図２３に示すような、カソード流路内を加湿するのに十分な凝縮水量となることを、予め実験によって決められた水位である水位１以上である場合には、ステップＳ５へ進み、処理を終了させるが、レベルセンサ５１で測定した凝縮水の液面レベルが水位１以下である場合にはステップＳ６へ進み、ステップＳ６では、燃料電池システムの運転条件を水収支湿潤（ウエット）側になるように変更する。 In step S2, if the water balance drying (dry) side is determined, the process proceeds to step S4. In step S4, it is determined in advance by experiments that the liquid level of the condensed water measured by the level sensor 51 at that time becomes a sufficient amount of condensed water to humidify the cathode channel as shown in FIG. If the water level is equal to or higher than the water level 1, the process proceeds to step S5 and the process is terminated. If the level of the condensed water measured by the level sensor 51 is equal to or lower than the water level 1, the process proceeds to step S6. In step S6, the operating condition of the fuel cell system is changed to be on the water balance wet (wet) side.

前記水収支湿潤（ウエット）側にする運転条件とは、図１７及び図２０に示す燃料電池システムにおいて、（１）冷却媒体供給手段４のラジエータ４１に設置されている冷却ファンの回転数を上昇させて冷却水を冷やすことにより温度を下げる、（２）酸化ガス供給手段３の背圧調整弁３４を閉じ側にしてカソードガス圧を上げる、（３）酸化ガス供給手段３のコンプレッサ３１の回転数を低下させてカソードガス流量を下げる、のいずれかを選択して実行することで実現できる。なお、前記（１）〜（３）の全てを実施してもよいし、複数を組み合わせても実施してもよい。 The operating conditions on the wet (wet) side of the water balance are as follows: (1) Increase the rotational speed of the cooling fan installed in the radiator 41 of the cooling medium supply means 4 in the fuel cell system shown in FIGS. The temperature is lowered by cooling the cooling water, (2) the cathode gas pressure is increased with the back pressure regulating valve 34 of the oxidizing gas supply means 3 closed, and (3) the compressor 31 of the oxidizing gas supply means 3 is rotated. This can be realized by selecting and executing one of lowering the number and lowering the cathode gas flow rate. Note that all of the above (1) to (3) may be implemented, or a plurality of them may be combined.

図２４に示す燃料電池システムの水収支の特性によれば、運転負荷に応じて実線に示す特性で変化されるが、水収支が本来乾燥（ドライ）となる低負荷での運転負荷であっても、ステップＳ６の実行により、破線で示すように、水収支湿潤（ウエット）側に移行させることができる。 According to the characteristics of the water balance of the fuel cell system shown in FIG. 24, the characteristics change as indicated by the solid line in accordance with the operating load, but the operating load at a low load where the water balance is essentially dry (dry). However, by executing step S6, the water balance can be shifted to the wet (wet) side as indicated by the broken line.

なお、上記した水収支を湿潤（ウエット）側にする運転を続けると、凝縮水の水位が上がってくるので、図２２に示すように、その水位が水位１以上になったら、ステップＳ４での判定によりステップＳ６での湿潤（ウエット）側の運転を終了し、ステップＳ５での通常の運転に戻る。 If the operation of making the water balance as described above wet (wet) is continued, the water level of the condensed water rises. Therefore, as shown in FIG. 22, when the water level becomes equal to or higher than the water level 1, in step S4 By the determination, the operation on the wet (wet) side in step S6 is terminated, and the normal operation in step S5 is resumed.

上記した湿潤（ウエット）側での運転は、例えば、（１）のラジエータ４１のファンの回転数を上げると、騒音やファンの消費電力の消費があり、（２）のカソードガス圧力を上げると、酸化ガス供給手段３のコンプレッサ３１での消費電力が上昇したり、（３）の空気供給流量を下げるとフラッディングしてセル電圧が安定しなくなる等のネガティブな面が生じる場合もあり、できるだけ湿潤（ウエット）側の運転は少ない時間で終了させて、通常の運転に戻すことが望ましい。 In the operation on the wet (wet) side described above, for example, if the rotational speed of the fan of the radiator 41 in (1) is increased, noise and power consumption of the fan are consumed, and if the cathode gas pressure in (2) is increased. In some cases, the power consumption in the compressor 31 of the oxidizing gas supply means 3 increases, or if the air supply flow rate in (3) is lowered, flooding may cause negative surfaces such as the cell voltage becoming unstable. It is desirable to finish the operation on the (wet) side in a short time and return to the normal operation.

本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effects (a) and (b) in the first embodiment, the following effects can be achieved.

（エ）アノード出口内部マニホールド１６は、燃料電池のアノード側経路の終端部分として各アノードガス流路１５の出口に接続した閉じた空間に形成され、その空間の重力方向下部に排出手段が接続配置されたアノードデッドエンドシステムを構成すると共に、アノードガス流路１５の出口から排出される凝縮水を貯留する水溜まり部を形成しているため、発電に伴いアクティブエリア(反応エリア)より下流のボリューム(アノード出口内部マニホールド１６及びアノード下流容積部３０)から水素が逆流してアクティブエリア内に入る現象が起こる。その水素の逆流に同期して、アノード出口内部マニホールド１６内の水蒸気もアクティブエリア(反応エリア)内に入る。したがって、簡単な構成で、アノードガス流路１５の加湿を促進することができる。特にアノードガス流路１５出口において、より加湿を促進することができる。 (D) The anode outlet internal manifold 16 is formed in a closed space connected to the outlet of each anode gas flow path 15 as a terminal portion of the anode side path of the fuel cell, and a discharge means is connected to the lower part in the gravity direction of the space. The anode dead-end system is configured and a water reservoir for storing the condensed water discharged from the outlet of the anode gas flow path 15 is formed. Therefore, a volume (downstream from the active area (reaction area) accompanying power generation ( A phenomenon occurs in which hydrogen flows backward from the anode outlet inner manifold 16 and the anode downstream volume 30) into the active area. In synchronization with the back flow of hydrogen, water vapor in the anode outlet internal manifold 16 also enters the active area (reaction area). Therefore, humidification of the anode gas flow path 15 can be promoted with a simple configuration. In particular, humidification can be further promoted at the outlet of the anode gas passage 15.

(オ)燃料電池システムは、運転負荷・冷却水温度・カソードガス圧力から現在の運転条件が水収支乾燥（ドライ）側か湿潤（ウエット）側かを演算する制御手段としての制御装置５を備え、制御装置５は、水収支乾燥（ドライ）側で運転している時には、前記排出手段によりアノード出口内部マニホールド１６の水溜まり部の水位を上昇させ、水収支湿潤（ウエット）側で運転している時には、前記排出手段によりアノード出口内部マニホールド１６の水位を低下させて、アノード出口内部マニホールド１６のボリュームを拡大させるよう作動させる。このため、水収支湿潤（ウエット）側では燃料電池セルのアクティブエリア(反応エリア)内からの過渡的な液水流入に備えてアノードアクティブエリア下流のボリューム(アノード出口内部マニホールド１６及びアノード下流容積部３０)はある程度大きく取っておくことができるので、良好に発電できる。他方、低負荷側の水収支乾燥（ドライ）条件では、アノード出口内部マニホールド１６内の水位を高い位置にすることにより、加湿がより促進される。 (E) The fuel cell system includes a control device 5 as a control means for calculating whether the current operating condition is a water balance dry side or wet side from the operating load, cooling water temperature, and cathode gas pressure. When operating on the water balance dry (dry) side, the control device 5 raises the water level of the water reservoir portion of the anode outlet internal manifold 16 by the discharge means and operates on the water balance wet (wet) side. In some cases, the discharge means lowers the water level of the anode outlet inner manifold 16 to increase the volume of the anode outlet inner manifold 16. For this reason, on the wet (wet) side of the water balance, the volume downstream of the anode active area (the anode outlet internal manifold 16 and the anode downstream volume part) is prepared in preparation for a transient liquid water inflow from the active area (reaction area) of the fuel cell. Since 30) can be kept large to some extent, it can generate electricity well. On the other hand, under the water load dry (dry) condition on the low load side, humidification is further promoted by setting the water level in the anode outlet internal manifold 16 to a high position.

(カ)また、水収支湿潤（ウエット）側での運転から水収支乾燥（ドライ）側での運転に移行した時には、水収支乾燥（ドライ）側の運転条件を水収支湿潤（ウエット）側の運転条件にして、アノード出口内部マニホールド１６内に凝縮水を溜めるよう作動させる。このため、水収支湿潤（ウエット）側から乾燥（ドライ）側に運転条件が変動した場合には、アノード出口内部マニホールド１６内の水が不足するため、水収支乾燥（ドライ）側の運転条件を水収支湿潤（ウエット）側の運転条件にして、アノード出口内部マニホールド１６内に凝縮水を溜めるようにして、アノード流路１５をより加湿することができる。特にアノードガス流路１５出口において、より加湿を促進することができる。 (F) When the operation on the water balance wet (wet) side is shifted to the operation on the water balance dry (dry) side, the operating condition on the water balance dry (dry) side is changed to the water balance wet (wet) side operation condition. The operation is performed so that condensed water is accumulated in the anode outlet internal manifold 16. For this reason, when the operating condition fluctuates from the water balance wet (wet) side to the dry (dry) side, the water in the anode outlet internal manifold 16 is insufficient, so the operating condition on the water balance dry (dry) side is The anode flow path 15 can be further humidified by condensing water in the anode outlet internal manifold 16 under the operating condition on the water balance wet (wet) side. In particular, humidification can be further promoted at the outlet of the anode gas passage 15.

本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system showing an embodiment of the present invention. 同じく燃料電池セルの構成を示す概略構成図。The schematic block diagram which similarly shows the structure of a fuel cell. アノード出口内部マニホールド及び接続配管の構成を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of an anode exit internal manifold and connection piping. アノード出口内部マニホールド及び接続配管の構成を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the structure of an anode exit internal manifold and connection piping. アノード出口内部マニホールドの作動状態を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the operating state of an anode exit internal manifold. アノードガス流路とカソードガス流路との水蒸気交換の状態を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the state of water vapor | steam exchange with an anode gas flow path and a cathode gas flow path. セル構成体の湿潤・乾燥状態を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the wet and dry state of a cell structure. 比較例における発電状態を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the electric power generation state in a comparative example. 本実施形態における発電状態を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the electric power generation state in this embodiment. アノード出口内部マニホールドの他の実施例を示す説明図。Explanatory drawing which shows the other Example of an anode exit internal manifold. アノード出口内部マニホールドの更に他の実施例を示す説明図。Explanatory drawing which shows the further another Example of an anode exit internal manifold. アノード出口内部マニホールドの更に他の実施例を示す説明図。Explanatory drawing which shows the further another Example of an anode exit internal manifold. アノード出口内部マニホールドの更に他の実施例を示す説明図。Explanatory drawing which shows the further another Example of an anode exit internal manifold. アノード出口内部マニホールドの更に他の実施例を示す説明図。Explanatory drawing which shows the further another Example of an anode exit internal manifold. 図１４に示すアノード出口内部マニホールドの動作状態を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the operation state of the anode exit internal manifold shown in FIG. アノード出口内部マニホールドの更に他の実施例を示す説明図。Explanatory drawing which shows the further another Example of an anode exit internal manifold. 本発明の第２実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。The schematic block diagram of the fuel cell system which shows 2nd Embodiment of this invention. 第２実施形態のアノード出口内部マニホールド及び接続配管の構成を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of the anode exit internal manifold and connection piping of 2nd Embodiment. 第２実施形態のアノード出口内部マニホールド及び接続配管の構成を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the structure of the anode exit internal manifold and connection piping of 2nd Embodiment. 第２実施形態の燃料電池システムの変形例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the modification of the fuel cell system of 2nd Embodiment. 第２実施形態の第２実施例における燃料電池システムの液面制御のフローチャート。The flowchart of the liquid level control of the fuel cell system in 2nd Example of 2nd Embodiment. 第２実施例の動作状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the operation state of 2nd Example. 第２実施例の別の動作状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows another operation state of 2nd Example. 第２実施例の運転負荷に対する水収支特性を示す特性図。The characteristic view which shows the water balance characteristic with respect to the driving | running load of 2nd Example.

Explanation of symbols

１燃料電池スタック
２燃料ガス供給手段
３酸化ガス供給手段
４冷却媒体供給手段
５制御手段としての制御装置
１０燃料電池モジュール
１１エンドプレート
１２セル構成体
１３セパレータ
１４アノード入口内部マニホールド
１５アノードガス流路
１６アノード出口内部マニホールド
２３水素調圧弁
２４水素循環ライン
２８排水ラインとしての排水配管
２９排水弁
３１コンプレッサ
３４背圧調整弁
５１レベルセンサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Fuel gas supply means 3 Oxidation gas supply means 4 Cooling medium supply means 5 Control device as control means 10 Fuel cell module 11 End plate 12 Cell structure 13 Separator 14 Anode inlet internal manifold 15 Anode gas flow path 16 Anode outlet internal manifold 23 Hydrogen pressure regulating valve 24 Hydrogen circulation line 28 Drain piping as drainage line 29 Drain valve 31 Compressor 34 Back pressure adjustment valve 51 Level sensor

Claims

A fuel cell system that generates hydrogen by supplying hydrogen to an anode side of a fuel cell stacked as a fuel cell stack and supplying air to a cathode side of the fuel cell;
The anode side of the fuel cell is formed in communication with the downstream side of each anode gas flow path for supplying anode gas to the anode electrode catalyst layer side of the reaction area in the electrolyte membrane of each fuel cell. An anode outlet internal manifold is formed in the anode outlet internal manifold, and a water reservoir for storing condensed water discharged from the outlet of the anode gas flow path is formed, and the condensed water in the water reservoir is disposed outside the fuel cell stack. Disposable discharge means are connected to the
The fuel cell system includes control means for calculating whether the current operating condition is a water balance on a dry side or a wet side from an operating load, a cooling water temperature, and a cathode gas pressure,
When the water balance is operating on the dry side, the control means raises the water level of the water reservoir of the anode outlet internal manifold by the discharge means, and when the water balance is operating on the wet side, the discharge means A fuel cell system characterized by lowering the water level of an anode outlet internal manifold .

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the water reservoir is formed by positioning a bottom surface of the anode outlet internal manifold below the outlet of the anode gas flow path in the direction of gravity.

The anode outlet internal manifold has the discharge means connected to the lower part in the gravity direction of the space, and the other end connected to the supply path for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack at the upper part in the gravity direction of the space. 3. One end of a hydrogen circulation line is connected, and the hydrogen gas discharged into the anode outlet internal manifold is returned to the supply path of the fuel cell stack via the hydrogen circulation line. The fuel cell system described.

The anode outlet internal manifold is formed in a closed space connected to the outlet of each anode gas flow path as a terminal portion of the anode side path of the fuel cell, and the pressure of the anode gas flow path inside the fuel stack is pressurized. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein an operation of supplying fuel gas to the anode is performed so as to repeat the process and the process of depressurization.