JP5617757B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas.

従来、固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣともいう）は、電解質に薄膜化されたＹ２Ｏ３ドープＺｒＯ２（ＹＳＺ）、燃料極にＮｉ／ＺｒＯ２サーメット、酸素極にＬａＳｒＭｎＯ３等の酸化物導電材料をそれぞれ用いた薄膜の単電池となっており、大出力化を図るために単電池を積層構造としたものが数多く提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC) is made of Y 2 O 3 doped ZrO 2 (YSZ) thinned into an electrolyte, Ni / ZrO 2 cermet as a fuel electrode, LaSrMnO 3 as an oxygen electrode, etc. Thin-cell single cells each using an oxide conductive material have been proposed, and many cells having a single-layer structure have been proposed in order to increase output (see, for example, Patent Document 1).

また、固体酸化物とインターコネクタとを一体化したハニカム構造体を備え、当該ハニカム構造体の各開口内の壁面に電極を設けたものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。   There has also been proposed a structure including a honeycomb structure in which a solid oxide and an interconnector are integrated, and electrodes are provided on a wall surface in each opening of the honeycomb structure (see, for example, Patent Document 2).

特開平４−３４２４３９号公報JP-A-4-342439 特開２０００−１２３８４７号公報JP 2000-123847 A

ところで、上記特許文献１に記載のＳＯＦＣでは、燃料電池とガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を供給、排出するためのマニホールドとの接続面において、シールを行う必要がある。   By the way, in the SOFC described in Patent Document 1, it is necessary to perform sealing at the connection surface between the fuel cell and the manifold for supplying and discharging the gas (fuel gas and oxidant gas).

しかしながら、上記特許文献１に記載のＳＯＦＣでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれで、供給マニホールドおよび排出マニホールドが必要となるため、ＳＯＦＣとマニホールドの接続面が広くなり、シールを確実に行うことができない問題が生じる。また、ＳＯＦＣでは、７００〜１０００℃程度の高温作動を必要とすることから熱膨張が大きく、上記特許文献１に記載のＳＯＦＣではマニホールド接続部が多く、拘束点が増えることでシール部の損傷が生じやすい。   However, since the SOFC described in Patent Document 1 requires a supply manifold and a discharge manifold for each of the fuel gas and the oxidant gas, the connecting surface between the SOFC and the manifold is wide, and sealing can be performed reliably. A problem that cannot be done arises. In addition, since the SOFC requires a high temperature operation of about 700 to 1000 ° C., the thermal expansion is large. In the SOFC described in Patent Document 1, the manifold connection portion is large, and the restriction points are increased, so that the seal portion is damaged. Prone to occur.

さらに、上記特許文献２のようなハニカム構造体のＳＯＦＣにおいては、同じ面上に燃料ガスおよび酸化剤ガスの複数の貫通孔が必要となることから、シールが必要な部位の長さが上記特許文献１に記載のＳＯＦＣ以上に長くなり、酸化剤ガスおよび燃料ガスのシールを確実に行うことが非常に困難である。   Furthermore, in the SOFC having a honeycomb structure as in Patent Document 2, a plurality of through holes for fuel gas and oxidant gas are required on the same surface. It becomes longer than the SOFC described in Document 1, and it is very difficult to reliably seal the oxidant gas and the fuel gas.

本発明は上記点に鑑みて、酸化剤ガスおよび燃料ガスのシールを容易かつ確実に行うことができる燃料電池を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide a fuel cell system provided with the fuel cell which can perform sealing of oxidant gas and fuel gas easily and reliably in view of the said point.

上記目的を達成するため、請求項１、３に記載の燃料電池システムが備える燃料電池（１）は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池構造体（１０）を有し、燃料電池構造体（１０）は、酸化剤ガスが流れるとともに、一端側に第１開口部（２１）が形成され且つ他端側が閉塞された酸化剤ガス流路（２）と、燃料ガスが流れるとともに、一端側に第２開口部（３１）が形成され且つ他端側が閉塞された燃料ガス流路（３）と、酸化剤ガス流路（２）の内壁面に設けられた酸化剤極（２２）と、燃料ガス流路（３）の内壁面に設けられた燃料極（３２）と、一面が酸化剤極（２２）と接触するとともに、他面が燃料極（３２）と接触するように設けられた固体電解質体（１２）とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a fuel cell (1) included in a fuel cell system according to claims 1 and 3 is a fuel cell structure (10) that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas. ) have a fuel cell structure (10), together with the flows containing gas, the first opening (21) is formed and the other end side oxidant gas passage closed at one end and (2) The fuel gas flows and is provided on the inner wall surface of the fuel gas flow path (3) in which the second opening (31) is formed on one end side and the other end side is closed, and the oxidant gas flow path (2). The oxidant electrode (22), the fuel electrode (32) provided on the inner wall surface of the fuel gas channel (3), one surface is in contact with the oxidant electrode (22), and the other surface is the fuel electrode (32). And a solid electrolyte body (12) provided so as to come into contact with It is a sign.

このように、一端側に第１開口部（２１）が形成され且つ他端側が閉塞された酸化剤ガス流路（２）を備えることで、酸化剤ガスは第１開口部（２１）から酸化剤ガス流路（２）内に流入するとともに当該第１開口部（２１）から酸化剤ガス流路（２）外へ流出する。すなわち、第１開口部（２１）が、酸化剤ガス流路（２）に酸化剤ガスを流入させる酸化剤ガス流入口、および酸化剤ガス流路（２）から酸化剤ガスを流出させる酸化剤ガス流出口の双方として機能する。   Thus, the oxidant gas is oxidized from the first opening (21) by providing the oxidant gas flow path (2) in which the first opening (21) is formed at one end and the other end is closed. It flows into the oxidant gas flow path (2) and flows out of the oxidant gas flow path (2) from the first opening (21). That is, the first opening (21) has an oxidant gas inlet through which oxidant gas flows into the oxidant gas channel (2), and an oxidant through which oxidant gas flows out from the oxidant gas channel (2). Functions as both gas outlets.

このため、第１開口部（２１）のシールを行うだけで、酸化剤ガス流入口および酸化剤ガス流出口の双方のシールを行うことができる。したがって、酸化剤ガス流入口および酸化剤ガス流出口の双方のシールを別々に行う場合と比較して、シールが必要な部位の長さを短くすることができる。これにより、酸化剤ガスのシールを容易かつ確実に行うことができる。   For this reason, it is possible to seal both the oxidant gas inlet and the oxidant gas outlet only by sealing the first opening (21). Therefore, compared with the case where sealing is performed separately for both the oxidant gas inlet and the oxidant gas outlet, the length of the part that needs to be sealed can be shortened. Thereby, sealing of oxidant gas can be performed easily and reliably.

同様に、一端側に第２開口部（３１）が形成され且つ他端側が閉塞された燃料ガス流路（３）を備えることで、燃料ガスは第２開口部（３１）から燃料ガス流路（３）内に流入するとともに当該第２開口部（３１）から燃料ガス流路（３）外へ流出する。すなわち、第２開口部（３１）が、燃料ガス流路（３）に燃料ガスを流入させる燃料ガス流入口、および燃料ガス流路（３）から燃料ガスを流出させる燃料ガス流出口の双方として機能する。   Similarly, by providing the fuel gas flow path (3) in which the second opening (31) is formed on one end side and the other end side is closed, the fuel gas flows from the second opening (31) to the fuel gas flow path. (3) While flowing in, it flows out from the said 2nd opening part (31) out of a fuel gas flow path (3). That is, the second opening (31) serves as both a fuel gas inlet that allows fuel gas to flow into the fuel gas passage (3) and a fuel gas outlet that allows fuel gas to flow out of the fuel gas passage (3). Function.

このため、第２開口部（３１）のシールを行うだけで、燃料ガス流入口および燃料ガス流出口の双方のシールを行うことができる。したがって、燃料ガス流入口および燃料ガス流出口の双方のシールを別々に行う場合と比較して、シールが必要な部位の長さを短くすることができる。これにより、燃料ガスのシールを容易かつ確実に行うことができる。   For this reason, it is possible to seal both the fuel gas inlet and the fuel gas outlet only by sealing the second opening (31). Therefore, compared with the case where sealing is performed separately for both the fuel gas inlet and the fuel gas outlet, the length of the portion requiring sealing can be shortened. Thereby, sealing of fuel gas can be performed easily and reliably.

したがって、酸化剤ガスおよび燃料ガスのシールを容易かつ確実に行うことが可能となる。   Therefore, it becomes possible to easily and reliably seal the oxidant gas and the fuel gas.

また、請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システムが備える燃料電池において、酸化剤ガス流路（２）の第１開口部（２１）は、燃料電池構造体（１０）の一側に設けられており、燃料ガス流路（３）の第２開口部（３１）は、燃料電池構造体（１０）の他側に設けられていることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell provided in the fuel cell system according to any one of the first to fifth aspects, the first opening (21) of the oxidant gas flow path (2) is provided. The fuel cell structure (10) is provided on one side, and the second opening (31) of the fuel gas channel (3) is provided on the other side of the fuel cell structure (10). It is characterized by.

これによれば、燃料電池構造体（１０）の一側には第１開口部（２１）のみが存在し、第２開口部（３１）は存在しないので、燃料電池構造体（１０）の一側においては酸化剤ガスのみが流入出する。また、燃料電池構造体（１０）の他側には第２開口部（３１）のみが存在し、第１開口部（２１）は存在しないので、燃料電池構造体（１０）の他側においては燃料ガスのみが流入出する。   According to this, since only the first opening (21) exists on one side of the fuel cell structure (10) and the second opening (31) does not exist, one part of the fuel cell structure (10) exists. Only the oxidant gas flows in and out on the side. In addition, since only the second opening (31) exists on the other side of the fuel cell structure (10) and the first opening (21) does not exist, on the other side of the fuel cell structure (10). Only fuel gas flows in and out.

つまり、燃料電池構造体（１０）の一側からは酸化剤ガスのみを流出入させ、燃料電池構造体（１０）の他側からは燃料ガスのみを流出入させることができる。したがって、酸化剤ガスおよび燃料ガス間のシールを容易かつ確実に行うことが可能となる。   That is, only the oxidant gas can flow in and out from one side of the fuel cell structure (10), and only the fuel gas can flow in and out from the other side of the fuel cell structure (10). Therefore, the seal between the oxidant gas and the fuel gas can be easily and reliably performed.

また、請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の燃料電池システムが備える燃料電池において、燃料電池構造体（１０）は、外周壁（１１）と、外周壁（１１）の内側においてハニカム状に設けられた隔壁（１２）と、隔壁（１２）で区画されるとともに一端から他端に向かって延伸する複数の貫通孔（１３）とを有するハニカム構造体であり、隔壁（１２）は、固体電解質により形成されており、複数の貫通孔（１３）の一端または他端は、封止されており、一端が封止された貫通孔（１３）により、酸化剤ガス流路（２）が構成されており、他端が封止された貫通孔（１３）により、燃料ガス流路（３）が構成されていることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the fuel cell provided in the fuel cell system according to the sixth aspect , the fuel cell structure (10) is disposed between the outer peripheral wall (11) and the outer peripheral wall (11). A honeycomb structure having a partition wall (12) provided in a honeycomb shape and a plurality of through holes (13) partitioned from the partition wall (12) and extending from one end to the other end, the partition wall (12) Is formed of a solid electrolyte, and one end or the other end of the plurality of through holes (13) is sealed, and the oxidant gas flow path (2) is formed by the through hole (13) sealed at one end. ), And the fuel gas flow path (3) is constituted by a through hole (13) sealed at the other end.

このように、燃料電池構造体（１０）をハニカム構造体とすることで、隔壁（１２）が燃料電池セル同士を接合する接合部材であるインターコネクタおよび固体電解質体の双方の機能を果たす。つまり、インターコネクタと固体電解質体とを一体化することができる。したがって、酸化剤極、燃料極および固体電解質等で構成される燃料電池セルをインターコネクタを介して複数接合する燃料電池に対して、燃料電池の体格を小型化することが可能となる。   Thus, by making the fuel cell structure (10) into a honeycomb structure, the partition wall (12) functions as both an interconnector and a solid electrolyte body, which are joining members for joining the fuel cells. That is, the interconnector and the solid electrolyte body can be integrated. Therefore, the physique of the fuel cell can be reduced in size with respect to the fuel cell in which a plurality of fuel cells composed of an oxidant electrode, a fuel electrode, a solid electrolyte, and the like are joined via the interconnector.

また、請求項１に記載の発明では、燃料電池（１）の酸化剤ガス流路（２）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（５１、５２）と、酸化剤ガス供給手段（５１、５２）から燃料電池（１）に供給された酸化剤ガスのうち、電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを含んだオフ酸化剤ガスを燃料電池（１）の酸化剤ガス流路（２）から排出させるオフ酸化剤ガス排出手段（７１、７２）と、燃料電池（１）の燃料ガス流路（３）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（６１〜６３）と、燃料ガス供給手段（６１〜６３）から燃料電池（１）に供給された燃料ガスのうち、電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスを含んだオフ燃料ガスを燃料電池（１）の燃料ガス流路（３）から排出させるオフ燃料ガス排出手段（８１、８２）とを備えることを特徴とする。 Further, in the invention according to claim 1, fuel cell (1) oxidant gas flow path and the oxidant gas supply means for supplying oxidant gas (2) (51, 52), oxidizing gas supply means Of the oxidant gas supplied from (51, 52) to the fuel cell (1), the off-oxidant gas containing unreacted oxidant gas that has not been used for the electrochemical reaction is oxidized by the fuel cell (1). Off-oxidant gas discharge means (71, 72) for discharging from the agent gas flow path (2), and fuel gas supply means (61-63) for supplying fuel gas to the fuel gas flow path (3) of the fuel cell (1) ) And off-fuel gas containing unreacted fuel gas that has not been used for the electrochemical reaction among the fuel gas supplied from the fuel gas supply means (61 to 63) to the fuel cell (1). 1) Off-fuel gas discharger for discharging from the fuel gas flow path (3) Characterized in that it comprises a (81, 82).

これによれば、酸化剤ガス供給手段（５１、５２）により酸化剤ガス流路（２）に酸化剤ガスを供給するとともに、燃料ガス供給手段（６１〜６３）により燃料ガス流路（３）に燃料ガスを供給した後、例えば所定時間経過後に、オフ酸化剤ガス排出手段（７１、７２）により酸化剤ガス流路（２）からオフ酸化剤ガスを排出させるとともに、オフ燃料ガス排出手段（８１、８２）により燃料ガス流路（３）からオフ燃料ガスを排出することができる。   According to this, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas flow path (2) by the oxidant gas supply means (51, 52), and the fuel gas flow path (3) is supplied by the fuel gas supply means (61 to 63). For example, after a predetermined time has elapsed, the off-oxidant gas discharge means (71, 72) discharges the off-oxidant gas from the oxidant gas flow path (2) and the off-fuel gas discharge means ( 81, 82) allows the off-fuel gas to be discharged from the fuel gas channel (3).

すなわち、バッチ処理により、酸化剤ガス流路（２）への酸化剤ガスの供給と、酸化剤ガス流路（２）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。同様に、バッチ処理により、燃料ガス流路（３）への燃料ガスの供給と、燃料ガス流路（３）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。   That is, it is possible to supply the oxidant gas to the oxidant gas flow path (2) and to discharge the off-oxidant gas from the oxidant gas flow path (2) by batch processing. Similarly, supply of fuel gas to the fuel gas channel (3) and discharge of off-oxidant gas from the fuel gas channel (3) can be performed by batch processing.

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、酸化剤ガス流路（２）および燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における電気化学反応で生じた反応ガスの濃度を検出する反応ガス濃度検出手段（３３）を備え、オフ酸化剤ガス排出手段（７１、７２）は、反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された酸化剤ガス流路（２）および燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における反応ガスの濃度が予め定めた基準濃度を上回った場合に、酸化剤ガス流路（２）からオフ酸化剤ガスを排出し、オフ燃料ガス排出手段（８１、８２）は、反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された酸化剤ガス流路（２）および燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における反応ガスの濃度が基準濃度を上回った場合に、燃料ガス流路（３）からオフ燃料ガスを排出することを特徴とする。 Further, in the invention according to claim 2 , in the fuel cell system according to claim 1 , it is caused by an electrochemical reaction in at least one of the oxidant gas channel (2) and the fuel gas channel (3). Reactive gas concentration detecting means (33) for detecting the concentration of the reactive gas is provided, and the off-oxidant gas discharge means (71, 72) are oxidant gas flow paths (2) detected by the reactive gas concentration detecting means (33). ) And the fuel gas flow path (3), the off-oxidant gas is discharged from the oxidant gas flow path (2) and the off-fuel gas is discharged when the concentration of the reactive gas in the fuel gas flow path (3) exceeds a predetermined reference concentration. In the means (81, 82), the concentration of the reaction gas in at least one of the oxidant gas flow path (2) and the fuel gas flow path (3) detected by the reaction gas concentration detection means (33) exceeds the reference concentration. The case, characterized by discharging an off fuel gas from the fuel gas passage (3).

これによれば、酸化剤ガス流路（２）および燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における反応ガスの濃度が基準濃度を上回った場合、すなわち燃料電池内の酸化剤ガス濃度および燃料ガス濃度の少なくとも一方が低下して燃料電池の発電効率が低下した場合に、燃料電池からオフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスを排出することができる。したがって、燃料電池の低効率発電の継続を抑制できる。   According to this, when the concentration of the reactive gas in at least one of the oxidant gas channel (2) and the fuel gas channel (3) exceeds the reference concentration, that is, the oxidant gas concentration and the fuel gas concentration in the fuel cell. When at least one of these decreases and the power generation efficiency of the fuel cell decreases, the off-oxidant gas and the off-fuel gas can be discharged from the fuel cell. Therefore, the continuation of the low-efficiency power generation of the fuel cell can be suppressed.

また、請求項３に記載の発明では、燃料電池（１）の酸化剤ガス流路（２）と連通する酸化剤ガス導入室（２０）と、酸化剤ガス導入室（２０）の容積を可変とする酸化剤ガス側ピストン（２５）と、酸化剤ガス導入室（２０）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路（５）を開閉する酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）と、酸化剤ガス導入室（２０）から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路（７）を開閉する酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）と、燃料電池（１）の燃料ガス流路（３）と連通する燃料ガス導入室（３０）と、燃料ガス導入室（３０）の容積を可変とする燃料ガス側ピストン（３５）と、燃料ガス導入室（３０）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（６）を開閉する燃料ガス供給側開閉手段（６５）と、燃料ガス導入室（３０）から燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路（８）を開閉する燃料ガス排出側開閉手段（８５）とを備えることを特徴とする。 Further, in the invention according to claim 3, the oxidizing gas channel of the fuel cell (1) (2) and communicating with the oxygen-containing gas introduction chamber (20), an oxidant gas inlet chamber volume (20) An oxidant gas supply side opening / closing means (55) for opening / closing an oxidant gas side piston (25) to be variable and an oxidant gas supply channel (5) for supplying an oxidant gas to the oxidant gas introduction chamber (20). An oxidant gas discharge side opening / closing means (75) for opening / closing an oxidant gas discharge channel (7) for discharging the oxidant gas from the oxidant gas introduction chamber (20), and a fuel gas flow of the fuel cell (1) A fuel gas introduction chamber (30) communicating with the passage (3), a fuel gas side piston (35) whose volume of the fuel gas introduction chamber (30) is variable, and a fuel gas is supplied to the fuel gas introduction chamber (30) Fuel gas supply side opening / closing means (65) for opening and closing the fuel gas supply flow path (6), and fuel Characterized in that it comprises scan introducing chamber from (30) the fuel gas discharge channel for discharging the fuel gas and a fuel gas discharge on-off means (85) for opening and closing the (8).

これによれば、酸化剤ガス供給流路（５）を開けて酸化剤ガス導入室（２０）に酸化剤ガスを供給した後、酸化剤ガス供給流路（５）を閉じた状態で酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積を縮小する側に移動させることで、酸化剤ガス流路（２）に酸化剤ガスを供給することができる。同様に、燃料ガス供給流路（６）を開けて燃料ガス導入室（３０）に燃料ガスを供給した後、燃料ガス供給流路（６）を閉じた状態で燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積を縮小する側に移動させることで、燃料ガス流路（３）に燃料ガスを供給することができる。   According to this, the oxidant gas supply flow path (5) is opened, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas introduction chamber (20), and then the oxidant gas supply flow path (5) is closed. The oxidant gas can be supplied to the oxidant gas flow path (2) by moving the gas side piston (25) to the side of reducing the volume of the oxidant gas introduction chamber (20). Similarly, after the fuel gas supply channel (6) is opened and fuel gas is supplied to the fuel gas introduction chamber (30), the fuel gas side piston (35) is opened with the fuel gas supply channel (6) closed. The fuel gas can be supplied to the fuel gas channel (3) by moving the volume of the fuel gas introduction chamber (30) to the side to reduce.

そして、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積を拡大する側に移動させることで、燃料電池の酸化剤ガス流路（２）から酸化剤ガス導入室（２０）にオフ酸化剤ガスを吸引する。その後、酸化剤ガス排出流路（７）を開けた状態で酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積を縮小する側に移動させることで、酸化剤ガス導入室（２０）からオフ外部に酸化剤ガスを排出することができる。   Then, by moving the oxidant gas side piston (25) to the side of enlarging the volume of the oxidant gas introduction chamber (20), the oxidant gas introduction chamber (20) from the oxidant gas flow path (2) of the fuel cell. ) Aspirate off-oxidant gas. Thereafter, the oxidant gas discharge passage (7) is opened, and the oxidant gas side piston (25) is moved to the side of reducing the volume of the oxidant gas introduction chamber (20), whereby the oxidant gas introduction chamber. The oxidant gas can be discharged from (20) to the outside.

同様に、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積を拡大する側に移動させることで、燃料電池の燃料ガス流路（３）から燃料ガス導入室（３０）にオフ燃料ガスを吸引する。その後、燃料ガス排出流路（８）を開けた状態で燃料ガス側ピストン（２５）を燃料ガス導入室（２０）の容積を縮小する側に移動させることで、燃料ガス導入室（２０）からオフ外部に燃料ガスを排出することができる。   Similarly, the fuel gas side piston (35) is moved from the fuel gas flow path (3) of the fuel cell to the fuel gas introduction chamber (30) by moving the volume of the fuel gas introduction chamber (30) to the side where the volume is increased. Aspirate the fuel gas. Thereafter, by moving the fuel gas side piston (25) to the side of reducing the volume of the fuel gas introduction chamber (20) with the fuel gas discharge channel (8) opened, the fuel gas introduction chamber (20) is moved away from the fuel gas introduction chamber (20). The fuel gas can be discharged to the outside.

すなわち、バッチ処理により、酸化剤ガス流路（２）への酸化剤ガスの供給と、酸化剤ガス流路（２）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。同様に、バッチ処理により、燃料ガス流路（３）への燃料ガスの供給と、燃料ガス流路（３）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。   That is, it is possible to supply the oxidant gas to the oxidant gas flow path (2) and to discharge the off-oxidant gas from the oxidant gas flow path (2) by batch processing. Similarly, supply of fuel gas to the fuel gas channel (3) and discharge of off-oxidant gas from the fuel gas channel (3) can be performed by batch processing.

また、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスを含んだオフ燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して、酸化剤ガス側ピストン（２５）および燃料ガス側ピストン（３５）の少なくとも一方を駆動することを特徴とする。これによれば、酸化剤ガス側ピストン（２５）および燃料ガス側ピストン（３５）の少なくとも一方を駆動するための動力を低減できる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the third aspect, combustion energy generated by burning off-fuel gas containing unreacted fuel gas that has not been used in the electrochemical reaction is reduced. Utilizing this, at least one of the oxidant gas side piston (25) and the fuel gas side piston (35) is driven. According to this, power for driving at least one of the oxidant gas side piston (25) and the fuel gas side piston (35) can be reduced.

また、請求項５に記載の発明では、請求項３または４に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、燃料ガス導入室（３０）における燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段（３３）と、酸化剤ガス導入室（２０）および燃料ガス導入室（３０）の少なくとも一方における電気化学反応で生じた反応ガスの濃度を検出する反応ガス濃度検出手段（３３）と、酸化剤ガス側ピストン（２５）、酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）、酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）、燃料ガス側ピストン（３５）、燃料ガス供給側開閉手段（６５）および燃料ガス排出側開閉手段（８５）の作動を制御する制御手段とを備え、制御手段は、燃料ガス濃度検出手段（３３）により検出された燃料ガス導入室（３０）における燃料ガスの濃度が予め定めた基準燃料ガス濃度を下回った場合に、酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）によって酸化剤ガス排出流路（７）を閉じ、燃料ガス排出側開閉手段（８５）によって燃料ガス排出流路（８）を閉じ、酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）によって酸化剤ガス供給流路（５）を開き、燃料ガス供給側開閉手段（６５）によって燃料ガス供給流路（６）を開き、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積が拡大する側に変位させ、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積が拡大する側に変位させる供給ガス吸引処理を行い、ガス吸引処理を行った後、燃料ガス濃度検出手段（３３）により検出された燃料ガス導入室（３０）における燃料ガスの濃度が基準燃料ガス濃度以上になった場合に、酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）によって酸化剤ガス供給流路（５）を閉じ、燃料ガス供給側開閉手段（６５）によって燃料ガス供給流路（６）を閉じ、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積が縮小する側に変位させ、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積が縮小する側に変位させるガス加圧供給処理を行い、ガス加圧供給処理を行った後、反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された酸化剤ガス導入室（２０）および燃料ガス導入室（３０）の少なくとも一方における反応ガスの濃度が予め定めた基準反応ガス濃度を上回った場合に、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積が拡大する側に変位させ、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積が拡大する側に変位させる反応ガス吸引処理を行うことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the third or fourth aspect, the fuel gas concentration detecting means (33) for detecting the concentration of the fuel gas in the fuel gas introduction chamber (30); , A reaction gas concentration detecting means (33) for detecting the concentration of the reaction gas generated by the electrochemical reaction in at least one of the oxidant gas introduction chamber (20) and the fuel gas introduction chamber (30), and an oxidant gas side piston ( 25), oxidant gas supply side opening / closing means (55), oxidant gas discharge side opening / closing means (75), fuel gas side piston (35), fuel gas supply side opening / closing means (65) and fuel gas discharge side opening / closing means ( 85). The control means controls the operation of the fuel gas concentration in the fuel gas introduction chamber (30) detected by the fuel gas concentration detection means (33). If it falls below the level fuel gas concentration, oxidizing agent the oxidizing gas discharging passage by the gas discharge on-off means (75) closed (7), a fuel gas discharge channel by the fuel gas discharge on-off means (85) (8 ), The oxidant gas supply channel (5) is opened by the oxidant gas supply side opening / closing means (55), and the fuel gas supply channel (6) is opened by the fuel gas supply side opening / closing means (65). Supply for displacing the gas side piston (25) to the side where the volume of the oxidant gas introduction chamber (20) is expanded, and displacing the fuel gas side piston (35) to the side where the volume of the fuel gas introduction chamber (30) is expanded. After performing the gas suction process and performing the gas suction process, when the concentration of the fuel gas in the fuel gas introduction chamber (30) detected by the fuel gas concentration detection means (33) is equal to or higher than the reference fuel gas concentration, Oxidant gas supply The oxidant gas supply flow path (5) is closed by the opening / closing means (55), the fuel gas supply flow path (6) is closed by the fuel gas supply side opening / closing means (65), and the oxidant gas side piston (25) is closed by the oxidant. Gas pressure supply processing is performed to displace the volume of the gas introduction chamber (20) to the side where the volume is reduced, and to displace the fuel gas side piston (35) to the side where the volume of the fuel gas introduction chamber (30) is reduced. After performing the pressure supply process, a reference reaction in which the concentration of the reaction gas in at least one of the oxidant gas introduction chamber (20) and the fuel gas introduction chamber (30) detected by the reaction gas concentration detection means (33) is predetermined. When the gas concentration is exceeded, the oxidant gas side piston (25) is displaced to the side where the volume of the oxidant gas introduction chamber (20) expands, and the fuel gas side piston (35) is displaced to the fuel gas introduction chamber (30). The volume of It is characterized in that a reactive gas suction process is performed for displacement to the side to be performed.

これによれば、ガス吸引処理により、酸化剤ガス導入室（２０）に酸化剤ガスを供給するととともに、燃料ガス導入室（３０）に燃料ガスを供給することができる。   According to this, it is possible to supply the oxidant gas to the oxidant gas introduction chamber (20) and supply the fuel gas to the fuel gas introduction chamber (30) by the gas suction process.

また、ガス吸引処理を行った後、ガス加圧供給処理においては、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積を縮小する側に変位させることで燃料電池の酸化剤ガス流路（２）に酸化剤ガスを供給するとともに、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積を縮小する側に変位させることで燃料電池の燃料ガス流路（３）に燃料ガスを供給することができる。   In addition, after the gas suction process is performed, in the gas pressure supply process, the oxidation of the fuel cell is performed by displacing the oxidant gas side piston (25) to the side of reducing the volume of the oxidant gas introduction chamber (20). The oxidant gas is supplied to the agent gas channel (2), and the fuel gas side piston (35) is displaced toward the side where the volume of the fuel gas introduction chamber (30) is reduced, so that the fuel gas channel ( The fuel gas can be supplied to 3).

また、ガス加圧供給処理を行った後、反応ガス吸引処理においては、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積を拡大する側に移動させることで燃料電池の酸化剤ガス流路（２）から酸化剤ガス導入室（２０）にオフ酸化剤ガスを吸引排出させるとともに、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積を拡大する側に移動させることで燃料電池の燃料ガス流路（３）から燃料ガス導入室（３０）にオフ燃料ガスを吸引排出させることができる。   In addition, after performing the gas pressurizing and supplying process, in the reactive gas suction process, the oxidant gas side piston (25) is moved to the side of enlarging the volume of the oxidant gas introduction chamber (20), thereby The off-oxidant gas is sucked and discharged from the oxidant gas flow path (2) to the oxidant gas introduction chamber (20), and the fuel gas side piston (35) is placed on the side of expanding the volume of the fuel gas introduction chamber (30). By moving, off-fuel gas can be sucked and discharged from the fuel gas flow path (3) of the fuel cell to the fuel gas introduction chamber (30).

したがって、バッチ処理により、燃料電池の酸化剤ガス流路（２）への酸化剤ガスの供給と、酸化剤ガス流路（２）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。同様に、バッチ処理により、燃料電池の燃料ガス流路（３）への燃料ガスの供給と、燃料ガス流路（３）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。   Therefore, it is possible to supply oxidant gas to the oxidant gas flow path (2) of the fuel cell and to discharge off-oxidant gas from the oxidant gas flow path (2) by batch processing. Similarly, the fuel gas can be supplied to the fuel gas channel (3) of the fuel cell and the off-oxidant gas can be discharged from the fuel gas channel (3) by batch processing.

また、ガス加圧供給処理を行った後、酸化剤ガス流路（２）および燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における反応ガスの濃度が基準反応ガス濃度を上回った場合に反応ガス吸引処理を行うことで、燃料電池内の酸化剤ガス濃度および燃料ガス濃度の少なくとも一方が低下して燃料電池の発電効率が低下した場合に、燃料電池からオフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスを排出することができる。したがって、燃料電池の低効率発電の継続を抑制できる。   Further, after the gas pressurization supply process is performed, the reaction gas suction process is performed when the concentration of the reaction gas in at least one of the oxidant gas channel (2) and the fuel gas channel (3) exceeds the reference reaction gas concentration. By performing at least one of the oxidant gas concentration and the fuel gas concentration in the fuel cell to reduce the power generation efficiency of the fuel cell, the off-oxidant gas and the off-fuel gas are discharged from the fuel cell. Can do. Therefore, the continuation of the low-efficiency power generation of the fuel cell can be suppressed.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell according to a first embodiment. 図１のＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 第１実施形態に係る燃料電池システムのガス加圧供給時のガス流れ等を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the gas flow etc. at the time of the gas pressurization supply of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態に係る燃料電池システムの密閉時のガス流れ等を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the gas flow etc. at the time of sealing of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態に係る燃料電池システムの反応ガス排出時のガス流れ等を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the gas flow at the time of reaction gas discharge | emission of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control processing of the fuel cell system of 1st Embodiment. 第２実施形態に係る燃料電池システムのガス供給時のガス流れ等を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the gas flow etc. at the time of gas supply of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第２実施形態に係る燃料電池システムのガス加圧時のガス流れ等を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the gas flow etc. at the time of the gas pressurization of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第２実施形態に係る燃料電池システムのガス減圧時のガス流れ等を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the gas flow at the time of the gas pressure reduction of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第２実施形態に係る燃料電池システムの反応ガス排出時のガス流れ等を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the gas flow etc. at the time of reaction gas discharge | emission of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第２実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control processing of the fuel cell system of 2nd Embodiment. 第３実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment. 第３実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control processing of the fuel cell system of 3rd Embodiment. 他の実施形態に係る平板型燃料電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the flat fuel cell which concerns on other embodiment.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを、燃料電池を走行用駆動源として走行する電気自動車（燃料電池自動車）に搭載したものである。本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する固体酸化物型燃料電池（以下、単に燃料電池という）を備えている。 (First embodiment)
1st Embodiment of this invention is described based on FIGS. In this embodiment, the fuel cell system according to the present invention is mounted on an electric vehicle (fuel cell vehicle) that travels using the fuel cell as a driving source for traveling. The fuel cell system of this embodiment includes a solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

図１は本第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図１中、実線矢印が空気流れを示しており、破線矢印が水素流れを示している。   FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell according to the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In FIG. 1, a solid line arrow indicates an air flow, and a broken line arrow indicates a hydrogen flow.

図１および図２に示すように、燃料電池１は、二次電池（図示略）、走行用モータ（図示略）、補機等の各種電気負荷に電力を供給するものである。本実施形態の燃料電池１は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を採用しており、燃料電池構造体としてのハニカム構造体１０を備えている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 1 supplies electric power to various electric loads such as a secondary battery (not shown), a traveling motor (not shown), an auxiliary machine, and the like. The fuel cell 1 of the present embodiment employs a solid oxide fuel cell (SOFC) and includes a honeycomb structure 10 as a fuel cell structure.

ハニカム構造体１０は、外周壁１１と、この外周壁１１の内側においてハニカム状に設けられた隔壁１２と、隔壁１２で区画されるとともに一端から他端に向かって延伸する複数の貫通孔１３とを有している。本実施形態の隔壁１２は、固体酸化物により形成されている。   The honeycomb structure 10 includes an outer peripheral wall 11, partition walls 12 provided in a honeycomb shape inside the outer peripheral wall 11, and a plurality of through holes 13 that are partitioned by the partition walls 12 and extend from one end to the other end. have. The partition wall 12 of this embodiment is formed of a solid oxide.

複数の貫通孔１３の一端または他端は、固体酸化物により互い違いに封止されている。一端が封止された貫通孔１３により、酸化剤ガスとしての空気が流れる空気流路２が構成されている。また、他方が封止された貫通孔１３により、燃料ガスとしての水素が流れる水素流路３が構成されている。   One end or the other end of the plurality of through holes 13 are alternately sealed with a solid oxide. An air flow path 2 through which air as an oxidant gas flows is constituted by the through-hole 13 whose one end is sealed. Moreover, the hydrogen flow path 3 through which hydrogen as fuel gas flows is constituted by the through hole 13 sealed on the other side.

このため、ハニカム構造体１０は、当該ハニカム構造体１０の一側に第１開口部２１が形成され且つ他側が閉塞された空気流路２と、当該ハニカム構造体１０の他側に第２開口部３１（図３参照）が形成され且つ一側が閉塞された水素流路３を有している。また、図１に示すように、ハニカム構造体１０の一端側から見た際に空気流路２が千鳥状に配置されているとともに、ハニカム構造体１０の他端側から見た際に水素流路３が千鳥状に配置されている。   Therefore, the honeycomb structure 10 includes the air flow path 2 in which the first opening 21 is formed on one side of the honeycomb structure 10 and the other side is closed, and the second opening on the other side of the honeycomb structure 10. A portion 31 (see FIG. 3) is formed and the hydrogen channel 3 is closed on one side. In addition, as shown in FIG. 1, the air flow paths 2 are arranged in a staggered manner when viewed from one end side of the honeycomb structure 10, and the hydrogen flow when viewed from the other end side of the honeycomb structure 10. Roads 3 are arranged in a staggered pattern.

図２に示すように、空気流路２の内壁面には、空気極（正極）２２が形成されている。水素流路３の内壁面には、水素極（負極）３２が形成されている。このため、空気極２２と水素極３２とは、固体酸化物により形成された隔壁１２を介して接続されている。   As shown in FIG. 2, an air electrode (positive electrode) 22 is formed on the inner wall surface of the air flow path 2. A hydrogen electrode (negative electrode) 32 is formed on the inner wall surface of the hydrogen flow path 3. For this reason, the air electrode 22 and the hydrogen electrode 32 are connected via the partition wall 12 formed of a solid oxide.

換言すると、空気極２２と水素極３２との間に配置された隔壁１２は、一面が空気極２２と接触するとともに、他面が水素極３２と接触するように設けられている。したがって、空気極２２と水素極３２との間に配置された隔壁１２が、本発明の固体電解質体に相当している。   In other words, the partition wall 12 disposed between the air electrode 22 and the hydrogen electrode 32 is provided such that one surface is in contact with the air electrode 22 and the other surface is in contact with the hydrogen electrode 32. Therefore, the partition wall 12 disposed between the air electrode 22 and the hydrogen electrode 32 corresponds to the solid electrolyte body of the present invention.

空気極２２は、還元触媒であれば特に限定されるものでないが、酸素の還元活性が高いという理由からランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、さらにはランタンマンガナイトまたはランタンコバルタイトが好ましい。また、空気極２２としては、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニア混合粉末、パラジウム−ジルコニア混合粉末、ルテニウム−ジルコニア混合粉末、白金−酸化セリウム混合粉末、ルテニウム−酸化セリウム混合粉末などを使用することもできる。   The air electrode 22 is not particularly limited as long as it is a reduction catalyst, but is preferably a perovskite complex oxide containing lanthanum because of its high oxygen reduction activity, and more preferably lanthanum manganite or lanthanum cobalt. Tight is preferred. As the air electrode 22, palladium, platinum, ruthenium, platinum-zirconia mixed powder, palladium-zirconia mixed powder, ruthenium-zirconia mixed powder, platinum-cerium oxide mixed powder, ruthenium-cerium oxide mixed powder, or the like is used. You can also.

水素極３２は、酸化触媒であれば特に限定されないが、酸素イオンの酸化活性が高いという理由から、ニッケル、パラジウム、白金、ニッケル−ジルコニア混合粉末、白金−ジルコニア混合粉末、パラジウム−ジルコニア混合粉末、ニッケル−酸化セリウム混合粉末、白金−酸化セリウム混合粉末、パラジウム−酸化セリウム混合粉末、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニア混合粉末などを使用することが好ましい。   The hydrogen electrode 32 is not particularly limited as long as it is an oxidation catalyst, but because of the high oxidation activity of oxygen ions, nickel, palladium, platinum, nickel-zirconia mixed powder, platinum-zirconia mixed powder, palladium-zirconia mixed powder, It is preferable to use nickel-cerium oxide mixed powder, platinum-cerium oxide mixed powder, palladium-cerium oxide mixed powder, ruthenium, ruthenium-zirconia mixed powder and the like.

隔壁１２は、イオン導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、酸素イオン導電率が高いという理由からイットリア安定化ジルコニアまたはイットリア部分安定化ジルコニアを用いることが好ましい。   The partition 12 is not particularly limited as long as it has ionic conductivity, but it is preferable to use yttria stabilized zirconia or yttria partially stabilized zirconia because of its high oxygen ion conductivity.

燃料電池１では、空気流路２を介して空気極２２に酸素を含む空気が供給され、水素流路３を介して水素極３２に水素が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。   In the fuel cell 1, air containing oxygen is supplied to the air electrode 22 through the air flow path 2, and hydrogen is supplied to the hydrogen electrode 32 through the hydrogen flow path 3, whereby the following electrochemical reaction occurs. Electric energy is generated.

（水素極）Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（空気極）１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
なお、燃料電池１から出力される電気エネルギは、燃料電池１全体として出力される電圧を検出する電圧センサ１７（図３参照）、および、燃料電池１全体として出力される電流を検出する電流センサ（図示せず）によって計測される。なお、電圧センサ１７および電流センサの検出信号は、後述するシステム制御装置に入力される。 (Hydrogen electrode) H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
(Air electrode) 1 / 2O 2 + 2e − → O 2−
The electric energy output from the fuel cell 1 includes a voltage sensor 17 (see FIG. 3) that detects a voltage output as the entire fuel cell 1, and a current sensor that detects a current output as the entire fuel cell 1. (Not shown). Note that the detection signals of the voltage sensor 17 and the current sensor are input to a system control device described later.

図３〜図５は本第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、図３はガス加圧供給時を示し、図４は密閉時を示し、図５は反応ガス排出時を示している。また、図３〜図５中、実線矢印が空気流れを示しており、破線矢印が水素流れを示している。   3 to 5 are schematic views showing the fuel cell system according to the first embodiment. FIG. 3 shows a gas pressurization supply time, FIG. 4 shows a sealing time, and FIG. 5 shows a reaction gas discharge time. ing. 3-5, the solid line arrow has shown the air flow, and the broken line arrow has shown the hydrogen flow.

図３〜図５に示すように、燃料電池システムには、燃料電池１の空気流路２に空気を供給するための空気供給流路５と、燃料電池１の水素流路３に水素を供給するための水素供給流路６が設けられている。空気供給流路５は、燃料電池１の全ての空気流路２と連通する空気導入室２０に接続されている。水素供給流路６は、燃料電池１の全ての水素流路３と連通する水素導入室３０に接続されている。   As shown in FIGS. 3 to 5, the fuel cell system supplies hydrogen to an air supply channel 5 for supplying air to the air channel 2 of the fuel cell 1 and a hydrogen channel 3 of the fuel cell 1. For this purpose, a hydrogen supply channel 6 is provided. The air supply channel 5 is connected to an air introduction chamber 20 that communicates with all the air channels 2 of the fuel cell 1. The hydrogen supply channel 6 is connected to a hydrogen introduction chamber 30 that communicates with all the hydrogen channels 3 of the fuel cell 1.

空気供給流路５の最上流部には、空気供給ポンプ５１が設けられている。空気供給ポンプ５１は、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送する電動式のポンプであり、後述するシステム制御装置から出力される制御信号によって回転数（流量）が制御される。   An air supply pump 51 is provided at the most upstream portion of the air supply flow path 5. The air supply pump 51 is an electric pump that pumps air sucked from the atmosphere to the fuel cell 1, and the number of rotations (flow rate) is controlled by a control signal output from a system control device described later.

空気供給流路５における空気供給ポンプ５１と空気導入室２０との間には、空気供給流路５を開閉する空気供給側開閉弁５２が設けられている。空気供給側開閉弁５２は、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。   Between the air supply pump 51 and the air introduction chamber 20 in the air supply flow path 5, an air supply side on-off valve 52 that opens and closes the air supply flow path 5 is provided. The air supply side opening / closing valve 52 is an electromagnetic valve whose opening / closing operation is controlled by a control voltage output from the system control device.

空気供給ポンプ５１が作動するとともに空気供給側開閉弁５２が開弁すると、空気供給ポンプ５１から空気導入室２０内へ空気が供給される。したがって、空気供給ポンプ５１および空気供給側開閉弁５２が、本発明の酸化剤ガス供給手段に相当している。   When the air supply pump 51 is activated and the air supply side opening / closing valve 52 is opened, air is supplied from the air supply pump 51 into the air introduction chamber 20. Therefore, the air supply pump 51 and the air supply side on-off valve 52 correspond to the oxidant gas supply means of the present invention.

水素供給流路６の最上流部には、炭化水素化合物（例えばメタンガス）が充填されたガスボンベ６１が設けられている。水素供給流路６におけるガスボンベの下流側には、炭化水素化合物を改質して水素リッチガスを生成する改質器６２が設けられている。この改質器６２は、高温での触媒反応（水蒸気改質反応）により炭化水素化合物を含む改質原料を改質して水素を発生させる。   A gas cylinder 61 filled with a hydrocarbon compound (for example, methane gas) is provided at the most upstream portion of the hydrogen supply flow path 6. A reformer 62 for reforming a hydrocarbon compound to generate a hydrogen rich gas is provided on the downstream side of the gas cylinder in the hydrogen supply channel 6. The reformer 62 reforms a reforming raw material containing a hydrocarbon compound by a catalytic reaction (steam reforming reaction) at a high temperature to generate hydrogen.

水素供給流路６における改質器６２と水素導入室３０との間には、水素供給流路６を開閉する水素供給側開閉弁６３が設けられている。水素供給側開閉弁６３は、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。   Between the reformer 62 and the hydrogen introduction chamber 30 in the hydrogen supply channel 6, a hydrogen supply side on-off valve 63 that opens and closes the hydrogen supply channel 6 is provided. The hydrogen supply side opening / closing valve 63 is an electromagnetic valve whose opening / closing operation is controlled by a control voltage output from the system control device.

水素供給側開閉弁６３が開弁すると、ガスボンベ６１から改質器６２を介して水素導入室３０内へ水素が供給される。したがって、ガスボンベ６１、改質器６２および水素供給側開閉弁６３が、本発明の燃料ガス供給手段に相当している。   When the hydrogen supply side opening / closing valve 63 is opened, hydrogen is supplied from the gas cylinder 61 into the hydrogen introduction chamber 30 via the reformer 62. Therefore, the gas cylinder 61, the reformer 62, and the hydrogen supply side on-off valve 63 correspond to the fuel gas supply means of the present invention.

空気導入室２０には、燃料電池１から排出されたオフ空気が流れる空気排出流路７が接続されている。オフ空気には、電気化学反応に用いられなかった未反応の空気（酸素）が含まれている。   An air discharge passage 7 through which off-air discharged from the fuel cell 1 flows is connected to the air introduction chamber 20. The off-air contains unreacted air (oxygen) that has not been used for the electrochemical reaction.

空気排出流路７には、空気排出流路７を開閉する空気排出側開閉弁７１が設けられている。空気排出側開閉弁７１は、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。   The air discharge channel 7 is provided with an air discharge side on-off valve 71 that opens and closes the air discharge channel 7. The air discharge side opening / closing valve 71 is an electromagnetic valve whose opening / closing operation is controlled by a control voltage output from the system control device.

空気排出流路７における空気排出側開閉弁７１の下流側には、空気排出ポンプ７２が設けられている。空気排出ポンプ７２は、オフ空気を空気排出流路７に流す電動式のポンプであり、システム制御装置から出力される制御信号によって回転数（流量）が制御される。   An air discharge pump 72 is provided downstream of the air discharge side opening / closing valve 71 in the air discharge flow path 7. The air discharge pump 72 is an electric pump that allows off-air to flow into the air discharge flow path 7, and the rotation speed (flow rate) is controlled by a control signal output from the system control device.

空気排出ポンプ８２が作動するとともに空気排出側開閉弁７１が開弁すると、空気排出ポンプ７２により空気導入室２０からオフ空気が排出される。したがって、空気排出ポンプ７２および空気排出側開閉弁７１が、本発明の酸化剤ガス排出手段に相当している。   When the air discharge pump 82 is activated and the air discharge side opening / closing valve 71 is opened, off-air is discharged from the air introduction chamber 20 by the air discharge pump 72. Therefore, the air discharge pump 72 and the air discharge side on-off valve 71 correspond to the oxidant gas discharge means of the present invention.

水素導入室３０には、燃料電池１から排出されたオフ水素が流れる水素排出流路８が接続されている。オフ水素には、電気化学反応で生じた反応ガス（水蒸気）、および電気化学反応に用いられなかった未反応の水素が含まれている。   Connected to the hydrogen introduction chamber 30 is a hydrogen discharge passage 8 through which off-hydrogen discharged from the fuel cell 1 flows. The off-hydrogen includes a reaction gas (water vapor) generated by the electrochemical reaction and unreacted hydrogen that has not been used for the electrochemical reaction.

水素排出流路８には、水素排出流路８を開閉する水素排出側開閉弁８１が設けられている。水素排出側開閉弁８１は、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。   The hydrogen discharge flow path 8 is provided with a hydrogen discharge side on-off valve 81 that opens and closes the hydrogen discharge flow path 8. The hydrogen discharge side opening / closing valve 81 is an electromagnetic valve whose opening / closing operation is controlled by a control voltage output from the system control device.

水素排出流路８における水素排出側開閉弁８１の下流側には、水素排出ポンプ８２が設けられている。水素排出ポンプ８２は、オフ水素を水素排出流路８に流す電動式のポンプであり、システム制御装置から出力される制御信号によって回転数（流量）が制御される。   A hydrogen discharge pump 82 is provided on the downstream side of the hydrogen discharge side on-off valve 81 in the hydrogen discharge flow path 8. The hydrogen discharge pump 82 is an electric pump that allows off-hydrogen to flow into the hydrogen discharge flow path 8, and the rotation speed (flow rate) is controlled by a control signal output from the system control device.

水素排出ポンプ８２が作動するとともに水素排出側開閉弁８１が開弁すると、水素排出ポンプ８２により水素導入室３０からオフ水素が排出される。したがって、水素排出ポンプ８２および水素排出側開閉弁８１が、本発明の燃料ガス排出手段に相当している。   When the hydrogen discharge pump 82 is activated and the hydrogen discharge side on-off valve 81 is opened, off-hydrogen is discharged from the hydrogen introduction chamber 30 by the hydrogen discharge pump 82. Therefore, the hydrogen discharge pump 82 and the hydrogen discharge side on-off valve 81 correspond to the fuel gas discharge means of the present invention.

次に、本実施形態の電気制御部について説明する。システム制御装置（ＥＣＵ）は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのＲＯＭ内に記憶された燃料電池制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された各種システム制御機器５１、５２、６３、７１、７２、８１、８２等の作動を制御する。   Next, the electric control unit of this embodiment will be described. The system control unit (ECU) is composed of a well-known microcomputer including a CPU, ROM, RAM, and its peripheral circuits, and performs various calculations and processing based on a fuel cell control program stored in the ROM, and outputs it. The operation of various system control devices 51, 52, 63, 71, 72, 81, 82, etc. connected to the side is controlled.

また、システム制御装置の入力側には、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ１７、水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈを検出する水素濃度センサ３３等の種々のシステム制御用のセンサ群が接続されている。   Further, on the input side of the system control device, various system control sensor groups such as a voltage sensor 17 that detects the output voltage of the fuel cell 1 and a hydrogen concentration sensor 33 that detects the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30. Is connected.

ところで、燃料電池１での発電時には上述した電気化学反応が起こるので、水素流路３内の水素濃度は低下し、水素流路３内の反応ガスとしての水蒸気（水）の濃度は上昇する。このため、水素流路３と連通する水路導入室３０においても、燃料電池１での発電時には水素濃度は低下し、水蒸気濃度は上昇する。   By the way, since the above-described electrochemical reaction occurs at the time of power generation in the fuel cell 1, the hydrogen concentration in the hydrogen flow path 3 decreases, and the concentration of water vapor (water) as a reaction gas in the hydrogen flow path 3 increases. For this reason, also in the water channel introduction chamber 30 communicating with the hydrogen flow channel 3, the hydrogen concentration decreases and the water vapor concentration increases during power generation in the fuel cell 1.

このように、水素導入室３０においては、水素濃度が低くなる程、水蒸気濃度は高くなるので、水素濃度センサ３３によって水素導入室３０内の水素濃度を検出することで、水素導入室３０内の水蒸気濃度を推定することができる。したがって、水素濃度センサ３３が、本発明の反応ガス濃度検出手段に相当している。   Thus, in the hydrogen introduction chamber 30, the lower the hydrogen concentration, the higher the water vapor concentration. Therefore, the hydrogen concentration sensor 33 detects the hydrogen concentration in the hydrogen introduction chamber 30 to detect the hydrogen concentration in the hydrogen introduction chamber 30. The water vapor concentration can be estimated. Therefore, the hydrogen concentration sensor 33 corresponds to the reaction gas concentration detection means of the present invention.

次に、図６により、上記構成における本実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。図６は、本第１実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。なお、図６中の各制御ステップは、システム制御装置が有する各種の機能実現手段を構成している。   Next, the operation of the fuel cell system of the present embodiment having the above configuration will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing a control process of the fuel cell system according to the first embodiment. Each control step in FIG. 6 constitutes various function realization means possessed by the system control apparatus.

まず、ステップＳ１では、空気排出側開閉弁７１を閉弁するとともに、空気排出ポンプ７２の作動を停止する。これにより、空気排出流路７を閉じて、燃料電池１の空気流路２から空気が排出されないようにする。   First, in step S1, the air discharge side on-off valve 71 is closed and the operation of the air discharge pump 72 is stopped. Thereby, the air discharge flow path 7 is closed so that air is not discharged from the air flow path 2 of the fuel cell 1.

続いて、ステップＳ２では、水素排出側開閉弁８１を閉弁するとともに、水素排出ポンプ８２の作動を停止する。これにより、水素排出流路８を閉じて、燃料電池１の水素流路３から水素が排出されないようにする。   Subsequently, in step S2, the hydrogen discharge side on-off valve 81 is closed and the operation of the hydrogen discharge pump 82 is stopped. As a result, the hydrogen discharge channel 8 is closed to prevent hydrogen from being discharged from the hydrogen channel 3 of the fuel cell 1.

続いて、ステップＳ３では、空気供給側開閉弁５２を開弁するとともに、空気供給ポンプ５１を作動させる。これにより、空気供給流路５から燃料電池１の空気流路２に空気が加圧供給される。   Subsequently, in step S3, the air supply side on-off valve 52 is opened and the air supply pump 51 is operated. Thereby, air is pressurized and supplied from the air supply channel 5 to the air channel 2 of the fuel cell 1.

続いて、ステップＳ４では、水素供給側開閉弁６３を開弁する。これにより、水素供給流路６から燃料電池１の水素流路３に水素が加圧供給される。   Subsequently, in step S4, the hydrogen supply side on-off valve 63 is opened. Thereby, hydrogen is pressurized and supplied from the hydrogen supply channel 6 to the hydrogen channel 3 of the fuel cell 1.

ここで、燃料電池１に空気および水素を加圧供給するステップＳ３およびステップＳ４を、ガス加圧供給処理という。ガス加圧供給処理では、図３に示すように、燃料電池１の空気流路２に空気が供給されるとともに、燃料電池１の水素流路３に水素が供給されるので、燃料電池１では発電が行われる。   Here, steps S3 and S4 for supplying air and hydrogen to the fuel cell 1 under pressure are referred to as gas pressurization supply processing. In the gas pressurization supply process, as shown in FIG. 3, air is supplied to the air flow path 2 of the fuel cell 1 and hydrogen is supplied to the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1. Power generation is performed.

続いて、ステップＳ５では、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが、予め定めた第１基準濃度Ｃｐ以上になっているか否かを判定する。ここで、第１基準濃度Ｃｐは、例えば、水素導入室３０内の水素濃度の許容上限値に設定することができる。   Subsequently, in step S5, it is determined whether or not the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 is equal to or higher than a predetermined first reference concentration Cp. Here, the first reference concentration Cp can be set to an allowable upper limit value of the hydrogen concentration in the hydrogen introduction chamber 30, for example.

ステップＳ５にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になっていないと判定された場合は、再度ステップＳ５に戻る。したがって、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になるまで、ガス加圧供給処理が継続される。   If it is determined in step S5 that the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 is not equal to or higher than the first reference concentration Cp, the process returns to step S5 again. Therefore, the gas pressure supply process is continued until the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 becomes equal to or higher than the first reference concentration Cp.

一方、ステップＳ５にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になったと判定された場合は、次のステップＳ６へ進む。   On the other hand, if it is determined in step S5 that the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 has become equal to or higher than the first reference concentration Cp, the process proceeds to the next step S6.

ステップＳ６では、空気供給側開閉弁５２を閉弁するとともに、空気供給ポンプ５１の作動を停止する。これにより、空気導入室２０が密閉される。   In step S6, the air supply side on-off valve 52 is closed and the operation of the air supply pump 51 is stopped. Thereby, the air introduction chamber 20 is sealed.

続いて、ステップＳ７では、水素供給側開閉弁６３を閉弁する。これにより、水素導入室３０が密閉される。   Subsequently, in step S7, the hydrogen supply side opening / closing valve 63 is closed. Thereby, the hydrogen introduction chamber 30 is sealed.

ここで、空気導入室２０および水素導入室３０をそれぞれ密閉するステップＳ６およびステップＳ７を、密閉処理という。密閉処理では、図４に示すように、空気供給流路５から空気導入室２０に新たな空気が供給されることはない。また、水素供給流路６から水素導入室３０に新たな水素が供給されることはない。   Here, step S6 and step S7 for sealing the air introduction chamber 20 and the hydrogen introduction chamber 30, respectively, are referred to as a sealing process. In the sealing process, as shown in FIG. 4, new air is not supplied from the air supply flow path 5 to the air introduction chamber 20. Further, new hydrogen is not supplied from the hydrogen supply channel 6 to the hydrogen introduction chamber 30.

しかしながら、空気導入室２０には、密閉処理を行う以前に供給された空気が残存しており、水素導入室３０には、密閉処理を行う以前に供給された水素が残存している。このため、燃料電池１の空気流路２に空気が供給されるとともに、燃料電池１の水素流路３に水素が供給されるので、燃料電池１では発電が継続される。   However, air supplied before the sealing process remains in the air introduction chamber 20, and hydrogen supplied before the sealing process remains in the hydrogen introduction chamber 30. For this reason, while air is supplied to the air flow path 2 of the fuel cell 1 and hydrogen is supplied to the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1, power generation is continued in the fuel cell 1.

ただし、燃料電池１の発電時には空気（酸素）および水素が消費されるので、新たな空気および水素の供給がされない密閉処理では、徐々に空気（酸素）および水素の濃度が低下する。   However, since air (oxygen) and hydrogen are consumed during power generation of the fuel cell 1, the concentration of air (oxygen) and hydrogen gradually decreases in a sealing process in which new air and hydrogen are not supplied.

続くステップＳ８では、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが、予め定めた第２基準濃度Ｃｑ以下になっているか否かを判定する。ここで、第２基準濃度Ｃｑは、第１基準濃度Ｃｑより低い濃度に設定され、例えば、水素導入室３０内の水素濃度の許容下限値に設定することができる。   In subsequent step S8, it is determined whether or not the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 is equal to or lower than a predetermined second reference concentration Cq. Here, the second reference concentration Cq is set to a concentration lower than the first reference concentration Cq, and can be set to an allowable lower limit value of the hydrogen concentration in the hydrogen introduction chamber 30, for example.

ステップＳ８にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になっていないと判定された場合は、水素導入室３０内の反応ガス濃度である水蒸気濃度が予め定めた基準水蒸気濃度（基準反応ガス濃度）を下回っていると判断される。この場合、再度ステップＳ８に戻る。したがって、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になるまで、密閉処理が継続される。   If it is determined in step S8 that the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 is not less than or equal to the second reference concentration Cq, the reaction gas concentration in the hydrogen introduction chamber 30 is determined. It is determined that a certain water vapor concentration is lower than a predetermined reference water vapor concentration (reference reaction gas concentration). In this case, the process returns to step S8 again. Therefore, the sealing process is continued until the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 becomes equal to or lower than the second reference concentration Cq.

一方、ステップＳ８にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になったと判定された場合は、水素導入室３０内の水蒸気濃度が基準水蒸気濃度以上であると判断される。この場合、次のステップＳ９へ進む。   On the other hand, if it is determined in step S8 that the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 has become equal to or less than the second reference concentration Cq, the water vapor concentration in the hydrogen introduction chamber 30 is the reference. It is judged that it is higher than the water vapor concentration. In this case, the process proceeds to the next step S9.

ステップＳ９では、空気排出側開閉弁７１を開弁するとともに、空気排出ポンプ７２を作動させる。これにより、燃料電池１の空気流路２から空気排出流路７を介してオフ空気が排出される。   In step S9, the air discharge side on-off valve 71 is opened and the air discharge pump 72 is operated. As a result, off-air is discharged from the air flow path 2 of the fuel cell 1 through the air discharge flow path 7.

続いて、ステップＳ１０では、水素排出側開閉弁８１を開弁するとともに、水素排出ポンプ８２を作動させる。これにより、燃料電池１の水素流路３から水素排出流路８を介してオフ水素が排出される。   Subsequently, in step S10, the hydrogen discharge side on-off valve 81 is opened and the hydrogen discharge pump 82 is operated. Thereby, off-hydrogen is discharged from the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1 through the hydrogen discharge flow path 8.

ここで、燃料電池１からオフ空気およびオフ水素を排出するステップＳ９およびステップＳ１０を、反応ガス排出処理という。反応ガス排出処理では、図５に示すように、燃料電池１の空気流路２からオフ空気が排出されるとともに、燃料電池１の水素流路３からオフ水素が排出される。   Here, steps S9 and S10 for discharging off-air and off-hydrogen from the fuel cell 1 are referred to as reactive gas discharge processing. In the reactive gas discharge process, as shown in FIG. 5, off-air is discharged from the air flow path 2 of the fuel cell 1 and off-hydrogen is discharged from the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1.

次のステップＳ１１では、所定時間τの間待機し、所定時間τの経過を判定するとステップＳ１に戻るようになっている。   In the next step S11, the process waits for a predetermined time τ and returns to step S1 when it is determined that the predetermined time τ has elapsed.

本実施形態の燃料電池システムは、以上の如く作動するので、バッチ処理により、空気流路２への空気の供給および水素流路３への水素の供給と、空気流路２からのオフ空気の排出および水素流路３からのオフ水素の排出を行うことができる。   Since the fuel cell system of this embodiment operates as described above, supply of air to the air flow path 2 and supply of hydrogen to the hydrogen flow path 3 and off-air from the air flow path 2 are performed by batch processing. It is possible to discharge and discharge off-hydrogen from the hydrogen flow path 3.

また、本実施形態の燃料電池システムでは、ステップ８にて、水素流路３と連通する水素導入室３０の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になったと判定された場合に、燃料電池１からオフ空気およびオフ水素を排出している。つまり、燃料電池１の水素流路３内の水素濃度Ｃｈが低下して燃料電池１の発電効率が低下した場合に、燃料電池１からオフ空気およびオフ水素を排出することができる。したがって、燃料電池１の低効率発電の継続を抑制できる。   Further, in the fuel cell system of the present embodiment, when it is determined in step 8 that the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 communicating with the hydrogen flow path 3 has become the second reference concentration Cq or less, the fuel cell 1 Off air and off hydrogen. That is, off-air and off-hydrogen can be discharged from the fuel cell 1 when the hydrogen concentration Ch in the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1 decreases and the power generation efficiency of the fuel cell 1 decreases. Therefore, the continuation of the low-efficiency power generation of the fuel cell 1 can be suppressed.

また、本実施形態では、ハニカム構造体１０に、一端側に第１開口部２１が形成され且つ他端側が閉塞された空気流路２を設けたので、空気は第１開口部２１から空気流路２内に流入するとともに当該第１開口部２１から空気流路２外へ流出する。すなわち、第１開口部２１が、空気流路２に空気を流入させる空気流入口、および空気流路２から空気を流出させる空気流出口の双方として機能する。   In the present embodiment, the honeycomb structure 10 is provided with the air flow path 2 in which the first opening 21 is formed at one end and the other end is closed, so that air flows from the first opening 21 to the air flow. The air flows into the path 2 and flows out of the air channel 2 from the first opening 21. That is, the first opening 21 functions as both an air inflow port through which air flows into the air flow path 2 and an air outflow port through which air flows out from the air flow path 2.

このため、第１開口部２１のシールを行うだけで、空気流入口および空気流出口の双方のシールを行うことができる。したがって、空気流入口および空気流出口の双方のシールを別々に行う場合と比較して、シールが必要な部位の長さを短くすることができる。これにより、空気のシールを容易かつ確実に行うことができる。   For this reason, it is possible to seal both the air inlet and the air outlet only by sealing the first opening 21. Therefore, as compared with the case where both the air inlet and the air outlet are sealed separately, the length of the portion that needs to be sealed can be shortened. Thereby, air sealing can be performed easily and reliably.

同様に、本実施形態では、ハニカム構造体１０に、一端側に第２開口部３１が形成され且つ他端側が閉塞された水素流路３を設けたので、水素は第２開口部３１から水素流路３内に流入するとともに当該第２開口部３１から水素流路３外へ流出する。すなわち、第２開口部３１が、水素流路３に水素を流入させる水素流入口、および水素流路３から水素を流出させる水素流出口の双方として機能する。   Similarly, in the present embodiment, the honeycomb structure 10 is provided with the hydrogen flow path 3 in which the second opening 31 is formed on one end side and the other end side is closed, so that hydrogen is supplied from the second opening 31 to the hydrogen. While flowing into the flow path 3, it flows out of the hydrogen flow path 3 from the second opening 31. That is, the second opening 31 functions as both a hydrogen inlet that allows hydrogen to flow into the hydrogen channel 3 and a hydrogen outlet that allows hydrogen to flow out of the hydrogen channel 3.

このため、第２開口部３１のシールを行うだけで、水素流入口および水素流出口の双方のシールを行うことができる。したがって、水素流入口および水素流出口の双方のシールを別々に行う場合と比較して、シールが必要な部位の長さを短くすることができる。これにより、水素のシールを容易かつ確実に行うことができる。   For this reason, it is possible to seal both the hydrogen inlet and the hydrogen outlet only by sealing the second opening 31. Therefore, as compared with the case where both the hydrogen inlet and the hydrogen outlet are sealed separately, the length of the portion that needs to be sealed can be shortened. Thereby, hydrogen sealing can be performed easily and reliably.

したがって、空気および水素のシールを容易かつ確実に行うことが可能となる。   Therefore, it becomes possible to easily and reliably seal the air and hydrogen.

さらに、本実施形態では、空気流路２の第１開口部２１をハニカム構造体１０の一側に設けるとともに、水素流路３の第２開口部３１をハニカム構造体１０の他側に設けている。このため、ハニカム構造体１０の一側には第１開口部２１のみが存在し、第２開口部３１は存在しないので、ハニカム構造体１０の一側においては空気のみが流入出する。また、ハニカム構造体１０の他側には第２開口部３１のみが存在し、第１開口部２１は存在しないので、ハニカム構造体１０の他側においては水素のみが流入出する。   Further, in the present embodiment, the first opening 21 of the air channel 2 is provided on one side of the honeycomb structure 10 and the second opening 31 of the hydrogen channel 3 is provided on the other side of the honeycomb structure 10. Yes. For this reason, since only the first opening 21 exists on one side of the honeycomb structure 10 and the second opening 31 does not exist, only air flows in and out on one side of the honeycomb structure 10. In addition, since only the second opening 31 exists on the other side of the honeycomb structure 10 and the first opening 21 does not exist, only hydrogen flows in and out on the other side of the honeycomb structure 10.

つまり、ハニカム構造体１０の一側からは空気のみを流出入させ、ハニカム構造体１０の他側からは水素のみを流出入させることができる。したがって、空気および水素間のシールを容易かつ確実に行うことが可能となる。   That is, only air can flow in and out from one side of the honeycomb structure 10, and only hydrogen can flow in and out from the other side of the honeycomb structure 10. Therefore, sealing between air and hydrogen can be performed easily and reliably.

さらに、本実施形態では、ハニカム構造体１０の一側に第１開口部２１を複数設けるとともに、ハニカム構造体１０の他側に第２開口部３１を複数設けている。   Furthermore, in the present embodiment, a plurality of first openings 21 are provided on one side of the honeycomb structure 10, and a plurality of second openings 31 are provided on the other side of the honeycomb structure 10.

このため、ハニカム構造体１０の一側に設けられた複数の第１開口部２１には空気のみが流通する、すなわち水素は流通しないので、各第１開口部２１を個々にシールしなくても、ハニカム構造体１０の一側の外周部をシールすれば、ハニカム構造体１０全体として空気のシールを行うことができる。したがって、空気のシールをより容易かつ確実に行うことができる。   For this reason, only air flows through the plurality of first openings 21 provided on one side of the honeycomb structure 10, that is, hydrogen does not flow, so each first opening 21 need not be individually sealed. If the outer peripheral portion on one side of the honeycomb structure 10 is sealed, the entire honeycomb structure 10 can be sealed with air. Therefore, air sealing can be performed more easily and reliably.

同様に、ハニカム構造体１０の他側に設けられた複数の第２開口部３１には水素のみが流通する、すなわち空気は流通しないので、各第２開口部３１を個々にシールしなくても、ハニカム構造体１０の他側の外周部をシールすれば、ハニカム構造体１０全体として水素のシールを行うことができる。したがって、水素のシールをより容易かつ確実に行うことができる。   Similarly, only hydrogen circulates through the plurality of second openings 31 provided on the other side of the honeycomb structure 10, that is, air does not circulate, so each second opening 31 does not have to be individually sealed. If the outer peripheral portion on the other side of the honeycomb structure 10 is sealed, hydrogen can be sealed as the entire honeycomb structure 10. Therefore, hydrogen sealing can be performed more easily and reliably.

また、本実施形態では、燃料電池構造体としてハニカム構造体１０を採用しているので、隔壁１２がインターコネクタおよび固体電解質体の双方の機能を果たす。つまり、インターコネクタと固体電解質体とを一体化することができる。したがって、空気極、水素極および固体電解質体で構成される燃料電池セルをインターコネクタを介して複数接合する燃料電池（例えば、平板型燃料電池等）に対して、燃料電池の体格を小型化することが可能となる。   In this embodiment, since the honeycomb structure 10 is employed as the fuel cell structure, the partition wall 12 functions as both an interconnector and a solid electrolyte body. That is, the interconnector and the solid electrolyte body can be integrated. Therefore, the size of the fuel cell is reduced with respect to a fuel cell (for example, a flat plate fuel cell) in which a plurality of fuel cells composed of an air electrode, a hydrogen electrode, and a solid electrolyte body are joined via an interconnector. It becomes possible.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７〜図１１に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、燃料電池システムの構成が異なるものである。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the fuel cell system.

図７〜図１０は本第２実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、図７はガス供給時を示し、図８はガス加圧時を示し、図９はガス減圧時を示し、図１０は反応ガス排出時を示している。また、図７〜図１０中、実線矢印が空気流れを示しており、破線矢印が水素流れを示しており、一点鎖線矢印が後述する空気側ピストン２５および水素側ピストン３５の動きを示している。   FIGS. 7 to 10 are schematic diagrams showing the fuel cell system according to the second embodiment, FIG. 7 shows the time of gas supply, FIG. 8 shows the time of gas pressurization, FIG. 9 shows the time of gas decompression, FIG. 10 shows when the reaction gas is discharged. 7-10, the solid line arrow has shown the air flow, the broken line arrow has shown the hydrogen flow, and the dashed-dotted line arrow has shown the motion of the air side piston 25 and the hydrogen side piston 35 which are mentioned later. .

図７〜図１０に示すように、空気導入室２０と空気供給流路５との接続部には、空気供給流路５を開閉する空気供給側開閉手段としての空気供給バルブ５５が設けられている。また、空気導入室２０と空気排出流路７との接続部には、空気排出流路７を開閉する空気排出側開閉手段としての空気排出バルブ７５が設けられている。空気供給バルブ５５および空気排出バルブ７５は、それぞれ、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。   As shown in FIGS. 7 to 10, an air supply valve 55 serving as an air supply side opening / closing means for opening and closing the air supply channel 5 is provided at a connection portion between the air introduction chamber 20 and the air supply channel 5. Yes. An air discharge valve 75 as an air discharge side opening / closing means for opening and closing the air discharge channel 7 is provided at a connection portion between the air introduction chamber 20 and the air discharge channel 7. Each of the air supply valve 55 and the air discharge valve 75 is an electromagnetic valve whose opening / closing operation is controlled by a control voltage output from the system control device.

水素導入室３０と水素供給流路６との接続部には、水素供給流路６を開閉する水素供給側開閉手段としての水素供給バルブ６５が設けられている。水素導入室３０と水素排出流路８との接続部には、水素排出流路８を開閉する水素排出側開閉手段としての水素排出バルブ８５が設けられている。水素供給バルブ６５および水素排出バルブ８５は、それぞれ、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。   A hydrogen supply valve 65 as a hydrogen supply side opening / closing means for opening and closing the hydrogen supply flow path 6 is provided at a connection portion between the hydrogen introduction chamber 30 and the hydrogen supply flow path 6. A hydrogen discharge valve 85 as a hydrogen discharge side opening / closing means for opening and closing the hydrogen discharge flow path 8 is provided at a connection portion between the hydrogen introduction chamber 30 and the hydrogen discharge flow path 8. The hydrogen supply valve 65 and the hydrogen discharge valve 85 are electromagnetic valves whose opening / closing operations are controlled by a control voltage output from the system control device.

本実施形態の燃料電池システムは、空気導入室２０の容積を可変にする空気側ピストン２５を備えている。空気側ピストン２５は、空気側ピストン本体２５ａを電動モータ（図示せず）にて駆動する電動式のピストンであり、後述するシステム制御装置から出力される制御信号によって作動が制御される。   The fuel cell system of this embodiment includes an air-side piston 25 that makes the volume of the air introduction chamber 20 variable. The air-side piston 25 is an electric piston that drives the air-side piston main body 25a with an electric motor (not shown), and its operation is controlled by a control signal output from a system controller described later.

空気側ピストン本体２５ａの外径は、空気導入室２０を形成する空気導入室形成部材２０ａの内径より僅かに小さい径になっている。この空気側ピストン本体２５ａが空気導入室形成部材２０ａの内部をピストン運動することによって、空気導入室２０の容積が変化する。   The outer diameter of the air-side piston main body 25 a is slightly smaller than the inner diameter of the air introduction chamber forming member 20 a that forms the air introduction chamber 20. The volume of the air introduction chamber 20 is changed by the piston movement of the air side piston main body 25a inside the air introduction chamber forming member 20a.

つまり、空気側ピストン本体２５ａは、ピストン運動によって、空気供給流路５から空気導入室２０へ空気を吸引するとともに、空気導入室２０から空気排出流路７へ空気の吐出を行うものである。また、空気側ピストン本体２５ａは、ピストン運動によって、空気を燃料電池１の空気流路２から空気導入室２０へ吸引するとともに、空気導入室２０から燃料電池１の空気流路２へ空気の吐出（押し込み）を行うこともできる。   That is, the air-side piston main body 25a sucks air from the air supply passage 5 to the air introduction chamber 20 and discharges air from the air introduction chamber 20 to the air discharge passage 7 by piston movement. The air-side piston body 25a sucks air from the air flow path 2 of the fuel cell 1 to the air introduction chamber 20 and discharges air from the air introduction chamber 20 to the air flow path 2 of the fuel cell 1 by piston movement. (Push-in) can also be performed.

また、本実施形態の燃料電池システムは、水素導入室３０の容積を可変にする水素側ピストン３５を備えている。水素側ピストン３５は、水素側ピストン本体３５ａを電動モータ（図示せず）にて駆動する電動式のピストンであり、後述するシステム制御装置から出力される制御信号によって作動が制御される。   In addition, the fuel cell system of the present embodiment includes a hydrogen side piston 35 that makes the volume of the hydrogen introduction chamber 30 variable. The hydrogen-side piston 35 is an electric piston that drives the hydrogen-side piston main body 35a with an electric motor (not shown), and its operation is controlled by a control signal output from a system control device described later.

水素側ピストン本体３５ａの外径は、水素導入室３０を形成する水素導入室形成部材３０ａの内径より僅かに小さい径になっている。この水素側ピストン本体３５ａが水素導入室形成部材３０ａの内部をピストン運動することによって、水素導入室３０の容積が変化する。   The outer diameter of the hydrogen-side piston body 35 a is slightly smaller than the inner diameter of the hydrogen introduction chamber forming member 30 a that forms the hydrogen introduction chamber 30. The volume of the hydrogen introduction chamber 30 is changed by the piston movement of the hydrogen side piston main body 35a inside the hydrogen introduction chamber forming member 30a.

つまり、水素側ピストン本体３５ａは、ピストン運動によって、水素を水素供給流路６から水素導入室３０へ吸引するとともに、水素導入室３０から水素排出流路８へ水素の吐出を行うものである。また、水素側ピストン本体３５ａは、ピストン運動によって、水素を燃料電池１の水素流路３から水素導入室３０へ吸引するとともに、水素導入室３０から燃料電池１の水素流路３へ水素の吐出（押し込み）を行うこともできる。   In other words, the hydrogen-side piston main body 35a sucks hydrogen from the hydrogen supply passage 6 into the hydrogen introduction chamber 30 and discharges hydrogen from the hydrogen introduction chamber 30 into the hydrogen discharge passage 8 by piston movement. The hydrogen-side piston main body 35a sucks hydrogen from the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1 to the hydrogen introduction chamber 30 and discharges hydrogen from the hydrogen introduction chamber 30 to the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1 by piston movement. (Push-in) can also be performed.

次に、図１１により、上記構成における本実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。図１１は、本第２実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。なお、図１１中の各制御ステップは、システム制御装置が有する各種の機能実現手段を構成している。   Next, the operation of the fuel cell system of the present embodiment having the above-described configuration will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a flowchart showing a control process of the fuel cell system according to the second embodiment. Note that each control step in FIG. 11 constitutes various function realizing means possessed by the system control apparatus.

まず、ステップＳ２１では、空気排出バルブ７５を閉弁する。これにより、空気排出流路７を閉じて、燃料電池１の空気流路２から空気が排出されないようにする。   First, in step S21, the air discharge valve 75 is closed. Thereby, the air discharge flow path 7 is closed so that air is not discharged from the air flow path 2 of the fuel cell 1.

続いて、ステップＳ２２では、水素排出バルブ８５を閉弁する。これにより、水素排出流路８を閉じて、燃料電池１の水素流路３から水素が排出されないようにする。   Subsequently, in step S22, the hydrogen discharge valve 85 is closed. As a result, the hydrogen discharge channel 8 is closed to prevent hydrogen from being discharged from the hydrogen channel 3 of the fuel cell 1.

続いて、ステップＳ２３では、空気供給バルブ５５を開弁するとともに、空気側ピストン２５を空気導入室２０の容積を拡大する側へ移動（変位）させる。これにより、空気導入室２０が減圧され、空気供給流路５から空気導入室２０へ空気が吸引される。   Subsequently, in step S23, the air supply valve 55 is opened, and the air side piston 25 is moved (displaced) to the side where the volume of the air introduction chamber 20 is enlarged. Thereby, the air introduction chamber 20 is depressurized, and air is sucked from the air supply flow path 5 to the air introduction chamber 20.

続いて、ステップＳ２４では、水素供給バルブ６５を開弁するとともに、水素側ピストン３５を水素導入室３０の容積を拡大する側へ移動させる。これにより、水素導入室３０が減圧され、水素供給流路６から水素導入室３０へ水素が吸引される。   Subsequently, in step S24, the hydrogen supply valve 65 is opened, and the hydrogen-side piston 35 is moved to the side where the volume of the hydrogen introduction chamber 30 is enlarged. As a result, the hydrogen introduction chamber 30 is depressurized, and hydrogen is sucked into the hydrogen introduction chamber 30 from the hydrogen supply channel 6.

ここで、空気導入室２０および水素導入室３０をそれぞれ密閉して、空気導入室２０に空気を吸引するとともに、水素導入室３０に水素を吸引するステップＳ２１〜Ｓ２４を、供給ガス吸引処理という。   Here, steps S21 to S24 in which the air introduction chamber 20 and the hydrogen introduction chamber 30 are respectively sealed and air is sucked into the air introduction chamber 20 and hydrogen is sucked into the hydrogen introduction chamber 30 are referred to as supply gas suction processing.

供給ガス吸引処理では、図７に示すように、空気側ピストン２５の移動により増加した空気導入室２０の容積分だけ空気供給流路５から空気が吸引され、水素側ピストン３５の移動により増加した水素導入室３０の容積分だけ水素供給流路６から水素が吸引される。また、ガス吸引処理では、燃料電池１の空気流路２に空気が流入するとともに、燃料電池１の水素流路３に水素が流入するので、燃料電池１では発電が開始される。   In the supply gas suction process, as shown in FIG. 7, air is sucked from the air supply flow path 5 by the volume of the air introduction chamber 20 increased by the movement of the air side piston 25 and increased by the movement of the hydrogen side piston 35. Hydrogen is sucked from the hydrogen supply channel 6 by the volume of the hydrogen introduction chamber 30. In the gas suction process, since air flows into the air flow path 2 of the fuel cell 1 and hydrogen flows into the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1, power generation is started in the fuel cell 1.

続いて、ステップＳ２５では、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが、予め定めた第１基準濃度Ｃｐ以上になっているか否かを判定する。ここで、第１基準濃度Ｃｐは、例えば、水素導入室３０内の水素濃度の許容上限値に設定することができる。   Subsequently, in step S25, it is determined whether the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 is equal to or higher than a predetermined first reference concentration Cp. Here, the first reference concentration Cp can be set to an allowable upper limit value of the hydrogen concentration in the hydrogen introduction chamber 30, for example.

ステップＳ２５にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になっていないと判定された場合は、再度ステップＳ２５に戻る。したがって、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になるまで、ガス吸引処理が継続される。   When it is determined in step S25 that the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 is not equal to or higher than the first reference concentration Cp, the process returns to step S25 again. Therefore, the gas suction process is continued until the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 becomes equal to or higher than the first reference concentration Cp.

一方、ステップＳ２５にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になったと判定された場合は、次のステップＳ２６へ進む。   On the other hand, if it is determined in step S25 that the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 has become equal to or higher than the first reference concentration Cp, the process proceeds to the next step S26.

ステップＳ２６では、空気供給バルブ５５を閉弁する。これにより、空気導入室２０が密閉される。次のステップＳ２７では、空気側ピストン２５を空気導入室２０の容積を縮小する側へ移動させる。これにより、空気導入室２０内の空気が加圧されて、燃料電池１の空気流路２へ押し込まれる。   In step S26, the air supply valve 55 is closed. Thereby, the air introduction chamber 20 is sealed. In the next step S27, the air side piston 25 is moved to the side where the volume of the air introduction chamber 20 is reduced. Thereby, the air in the air introduction chamber 20 is pressurized and pushed into the air flow path 2 of the fuel cell 1.

続いて、ステップＳ２８では、水素供給バルブ６５を閉弁する。これにより、水素導入室３０が密閉される。次のステップＳ２９では、水素側ピストン３５を水素導入室３０の容積を縮小する側へ移動させる。これにより、水素導入室３０の水素が加圧されて、燃料電池１の水素流路３へ押し込まれる。   Subsequently, in step S28, the hydrogen supply valve 65 is closed. Thereby, the hydrogen introduction chamber 30 is sealed. In the next step S29, the hydrogen side piston 35 is moved to the side for reducing the volume of the hydrogen introduction chamber 30. Thereby, the hydrogen in the hydrogen introduction chamber 30 is pressurized and pushed into the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1.

ここで、空気導入室２０および水素導入室３０をそれぞれ密閉して、燃料電池１に空気および水素を押し込む、すなわち加圧供給するステップＳ２６〜Ｓ２９をガス加圧処理という。   Here, steps S26 to S29 in which the air introduction chamber 20 and the hydrogen introduction chamber 30 are respectively sealed and air and hydrogen are pushed into the fuel cell 1, that is, pressurized and supplied, are referred to as gas pressurization processing.

ガス加圧供給処理では、図８に示すように、燃料電池１の空気流路２に空気が供給されるとともに、燃料電池１の水素流路３に水素が供給されるので、燃料電池１では発電が継続される。   In the gas pressure supply process, as shown in FIG. 8, air is supplied to the air flow path 2 of the fuel cell 1 and hydrogen is supplied to the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1. Power generation continues.

また、ガス加圧供給処理では、空気導入室２０が密閉されているので、空気供給流路５から空気導入室２０に新たな空気が供給されることはない。同様に、ガス加圧供給処理では、水素導入室３０が密閉されているので、水素供給流路６から水素導入室３０に新たな水素が供給されることはない。   Further, in the gas pressurization supply process, since the air introduction chamber 20 is sealed, new air is not supplied from the air supply flow path 5 to the air introduction chamber 20. Similarly, in the gas pressure supply process, since the hydrogen introduction chamber 30 is sealed, new hydrogen is not supplied from the hydrogen supply flow path 6 to the hydrogen introduction chamber 30.

そして、燃料電池１の発電時には空気（酸素）および水素が消費されるので、新たな空気および水素の供給がされないガス加圧処理では、徐々に空気（酸素）および水素の濃度が低下する。   Since air (oxygen) and hydrogen are consumed during power generation of the fuel cell 1, the concentration of air (oxygen) and hydrogen gradually decreases in the gas pressurizing process in which new air and hydrogen are not supplied.

続くステップＳ３０では、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが、予め定めた第２基準濃度Ｃｑ以下になっているか否かを判定する。ここで、第２基準濃度Ｃｑは、第１基準濃度Ｃｑより低い濃度に設定され、例えば、水素導入室３０内の水素濃度の許容下限値に設定することができる。   In subsequent step S30, it is determined whether or not the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 is equal to or lower than a predetermined second reference concentration Cq. Here, the second reference concentration Cq is set to a concentration lower than the first reference concentration Cq, and can be set to an allowable lower limit value of the hydrogen concentration in the hydrogen introduction chamber 30, for example.

ステップＳ３０にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になっていないと判定された場合は、水素導入室３０内の反応ガス濃度である水蒸気濃度が予め定めた基準水蒸気濃度（基準反応ガス濃度）を下回っていると判断される。この場合、再度ステップＳ３０に戻る。したがって、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になるまで、ガス加圧処理が継続される。   If it is determined in step S30 that the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 is not less than or equal to the second reference concentration Cq, the reaction gas concentration in the hydrogen introduction chamber 30 is determined. It is determined that a certain water vapor concentration is lower than a predetermined reference water vapor concentration (reference reaction gas concentration). In this case, the process returns to step S30 again. Therefore, the gas pressurization process is continued until the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 becomes equal to or lower than the second reference concentration Cq.

一方、ステップＳ３０にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になったと判定された場合は、水素導入室３０内の水蒸気濃度が基準水蒸気濃度以上であると判断される。この場合、次のステップＳ３１へ進む。   On the other hand, when it is determined in step S30 that the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 has become equal to or less than the second reference concentration Cq, the water vapor concentration in the hydrogen introduction chamber 30 is the reference. It is judged that it is higher than the water vapor concentration. In this case, the process proceeds to the next step S31.

ステップＳ３１では、空気側ピストン２５を空気導入室２０の容積を拡大する側へ移動させる。これにより、空気導入室２０が減圧され、燃料電池１の空気流路２から空気導入室２０へオフ空気が吸引される。   In step S31, the air side piston 25 is moved to the side where the volume of the air introduction chamber 20 is enlarged. As a result, the air introduction chamber 20 is decompressed, and off-air is sucked from the air flow path 2 of the fuel cell 1 into the air introduction chamber 20.

続いて、ステップＳ３２では、水素側ピストン３５を水素導入室３０の容積を拡大する側へ移動させる。これにより、水素導入室３０が減圧され、燃料電池１の水素流路３から水素導入室３０へオフ水素が吸引される。   Subsequently, in step S <b> 32, the hydrogen side piston 35 is moved to the side of expanding the volume of the hydrogen introduction chamber 30. Thereby, the hydrogen introduction chamber 30 is depressurized, and off-hydrogen is sucked from the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1 into the hydrogen introduction chamber 30.

ここで、空気導入室２０を減圧して燃料電池１の空気流路２からオフ空気を吸引するステップＳ３１、および水素導入室３０を減圧して燃料電池１の水素流路３からオフ水素を吸引するステップＳ３２を、反応ガス吸引処理という。反応ガス吸引処理では、図９に示すように、燃料電池１の空気流路２からオフ空気が排出されるとともに、燃料電池１の水素流路３からオフ水素が排出される。   Here, the air introduction chamber 20 is decompressed to suck off air from the air flow path 2 of the fuel cell 1, and the hydrogen introduction chamber 30 is decompressed to suck off hydrogen from the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1. This step S32 is referred to as reactive gas suction processing. In the reactive gas suction process, as shown in FIG. 9, off-air is discharged from the air flow path 2 of the fuel cell 1 and off-hydrogen is discharged from the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1.

次のステップＳ３３では、第１所定時間τ１の間待機し、第１所定時間τ１の経過を判定するとステップＳ３４へ進むようになっている。   In the next step S33, the process waits for the first predetermined time τ1, and proceeds to step S34 when it is determined that the first predetermined time τ1 has elapsed.

ステップＳ３４では、空気排出バルブ７５を開弁するとともに、空気側ピストン２５を空気導入室２０の容積を縮小する側へ移動させる。これにより、空気導入室２０内のオフ空気が加圧されて、空気排出流路７へ押し込まれる。   In step S34, the air discharge valve 75 is opened, and the air side piston 25 is moved to the side where the volume of the air introduction chamber 20 is reduced. Thereby, the off-air in the air introduction chamber 20 is pressurized and pushed into the air discharge channel 7.

続いて、ステップＳ３５では、水素排出バルブ８５を開弁するとともに、水素側ピストン３５を水素導入室３０の容積を縮小する側へ移動させる。これにより、水素導入室３０内のオフ水素が加圧されて、水素排出流路８へ押し込まれる。   Subsequently, in step S35, the hydrogen discharge valve 85 is opened, and the hydrogen-side piston 35 is moved to the side for reducing the volume of the hydrogen introduction chamber 30. Thereby, off-hydrogen in the hydrogen introduction chamber 30 is pressurized and pushed into the hydrogen discharge flow path 8.

ここで、空気導入室２０内のオフ空気を加圧して空気排出流路７へ押し込むステップＳ３４、および水素導入室３０内のオフ水素を加圧して水素排出流路８へ押し込むステップＳ３５を、反応ガス排出処理という。反応ガス排出処理では、図１０に示すように、空気排出流路７からオフ空気が排出されるとともに、水素排出流路８からオフ水素が排出される。   Here, step S34 in which off-air in the air introduction chamber 20 is pressurized and pushed into the air discharge channel 7 and step S35 in which off-hydrogen in the hydrogen introduction chamber 30 is pressurized and pushed into the hydrogen discharge channel 8 are reacted. This is called gas discharge treatment. In the reactive gas discharge process, as shown in FIG. 10, off-air is discharged from the air discharge passage 7 and off-hydrogen is discharged from the hydrogen discharge passage 8.

次のステップＳ３６では、第２所定時間τ２の間待機し、第２所定時間τ２の経過を判定するとステップＳ２１に戻るようになっている。   In the next step S36, the process waits for the second predetermined time τ2, and returns to step S21 when it is determined that the second predetermined time τ2 has elapsed.

本実施形態の燃料電池システムは、以上の如く作動するので、バッチ処理により、空気流路２への空気の供給および水素流路３への水素の供給と、空気流路２からのオフ空気の排出および水素流路３からのオフ水素の排出を行うことができる。   Since the fuel cell system of this embodiment operates as described above, supply of air to the air flow path 2 and supply of hydrogen to the hydrogen flow path 3 and off-air from the air flow path 2 are performed by batch processing. It is possible to discharge and discharge off-hydrogen from the hydrogen flow path 3.

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１２に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態と比較して、オフ水素を燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して水素側ピストン３５の水素側ピストン本体３５ａを駆動する点が異なるものである。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The third embodiment is different from the second embodiment in that the hydrogen-side piston main body 35a of the hydrogen-side piston 35 is driven using combustion energy generated by burning off-hydrogen. .

図１２は、本第３実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。図１２中、実線矢印は空気の流れを示しており、破線矢印は水素の流れを示している。   FIG. 12 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to the third embodiment. In FIG. 12, a solid line arrow indicates the flow of air, and a broken line arrow indicates the flow of hydrogen.

図１２に示すように、空気排出流路７の空気出口側および水素排出流路８の水素出口側は、燃料電池１から排出されたオフ空気およびオフ水素を混合して混合ガスとする混合器９１に接続されている。混合器９１の混合ガス出口側は、混合ガス室９２に接続されている。   As shown in FIG. 12, the air outlet side of the air discharge flow path 7 and the hydrogen outlet side of the hydrogen discharge flow path 8 are a mixer that mixes off-air and off-hydrogen discharged from the fuel cell 1 into a mixed gas. 91. The mixed gas outlet side of the mixer 91 is connected to the mixed gas chamber 92.

混合ガス室９２は、水素導入室形成部材３０ａにより形成されている。すなわち、水素導入室形成部材３０ａの内部における、水素導入室３０と水素側ピストン３５を挟んで反対側に、混合ガス室９２が形成されている。   The mixed gas chamber 92 is formed by the hydrogen introduction chamber forming member 30a. That is, the mixed gas chamber 92 is formed on the opposite side of the hydrogen introducing chamber 30 and the hydrogen side piston 35 inside the hydrogen introducing chamber forming member 30a.

混合ガス室９２には、水素側ピストン３５に接続された混合ガスピストン部３５ｂが設けられている。混合ガスピストン部３５ｂの外径は、水素導入室形成部材３０ａの内径より僅かに小さい径になっている。   The mixed gas chamber 92 is provided with a mixed gas piston portion 35 b connected to the hydrogen side piston 35. The outer diameter of the mixed gas piston portion 35b is slightly smaller than the inner diameter of the hydrogen introduction chamber forming member 30a.

水素側ピストン本体３５と混合ガスピストン部３５ｂとは、互いに連結されている。このため、水素側ピストン本体３５ａおよび混合ガスピストン部３５ｂは、互いに連動して移動する。  The hydrogen side piston main body 35 and the mixed gas piston portion 35b are connected to each other. For this reason, the hydrogen side piston main body 35a and the mixed gas piston portion 35b move in conjunction with each other.

つまり、混合ガスピストン部３５ｂが混合ガス室９２の容積を拡大する側（図１２中の右側）に移動した際には、水素側ピストン３５は水素導入室３０の容積を縮小する側（図１２中の右側）に移動する。一方、混合ガスピストン部３５ｂが混合ガス室９２の容積を縮小する側（図１２中の左側）に移動した際には、水素側ピストン３５は水素導入室３０の容積を拡大する側（図１２中の左側）に移動する。   That is, when the mixed gas piston portion 35b moves to the side that expands the volume of the mixed gas chamber 92 (right side in FIG. 12), the hydrogen side piston 35 reduces the volume of the hydrogen introduction chamber 30 (FIG. 12). Move to the right in the middle). On the other hand, when the mixed gas piston portion 35b moves to the side for reducing the volume of the mixed gas chamber 92 (left side in FIG. 12), the hydrogen side piston 35 expands the volume of the hydrogen introduction chamber 30 (FIG. 12). Move to the left (inside).

混合ガス室９２には、混合ガス室９２内の混合ガスを着火させる点火プラグ９３が設けられている。点火プラグ９３は、システム制御装置から出力される制御信号によって点火タイミングが制御される。   The mixed gas chamber 92 is provided with a spark plug 93 that ignites the mixed gas in the mixed gas chamber 92. The ignition timing of the ignition plug 93 is controlled by a control signal output from the system control device.

ここで、点火プラグ９３を点火すると、混合ガス室９２内の混合ガスに含まれる未反応空気および未反応水素が燃焼する。このとき、混合ガス室９２内の燃焼ガスの圧力により、混合ガスピストン部３５ｂが混合ガス室９２の容積を拡大する側に移動させられる。これに伴い、水素側ピストン３５の水素側ピストン本体３５ａが、水素導入室３０の容積を縮小する側へ移動する。つまり、本実施形態では、未反応水素の燃焼エネルギにより水素側ピストン３５を駆動することができる。   Here, when the spark plug 93 is ignited, unreacted air and unreacted hydrogen contained in the mixed gas in the mixed gas chamber 92 are combusted. At this time, the pressure of the combustion gas in the mixed gas chamber 92 causes the mixed gas piston portion 35 b to move to the side of expanding the volume of the mixed gas chamber 92. Accordingly, the hydrogen-side piston main body 35a of the hydrogen-side piston 35 moves to the side where the volume of the hydrogen introduction chamber 30 is reduced. That is, in this embodiment, the hydrogen side piston 35 can be driven by the combustion energy of unreacted hydrogen.

混合ガス室９２の混合ガス出口側には、燃焼器９４が接続されている。燃焼器９４は、オフ水素に含まれる未反応水素およびオフ空気に含まれる未反応空気を燃焼させて高温の燃焼排ガスを生成するものである。燃焼器９４には、燃焼器９４にて生じた高温の燃焼排ガスを外部に排出するための燃焼排ガス経路９５が接続されている。   A combustor 94 is connected to the mixed gas outlet side of the mixed gas chamber 92. The combustor 94 generates high-temperature combustion exhaust gas by burning unreacted hydrogen contained in off-hydrogen and unreacted air contained in off-air. A combustion exhaust gas path 95 for discharging high-temperature combustion exhaust gas generated in the combustor 94 to the outside is connected to the combustor 94.

次に、図１３により、上記構成における本実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。図１３は、本第３実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートであり、Ｓ２１〜Ｓ２８、Ｓ３０〜Ｓ３４およびＳ３６は第２実施形態と共通している。   Next, the operation of the fuel cell system of the present embodiment having the above-described configuration will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a flowchart showing the control process of the fuel cell system of the third embodiment, and S21 to S28, S30 to S34, and S36 are common to the second embodiment.

本実施形態では、ステップＳ２８で水素供給バルブ６５を閉弁して水素導入室３０を密閉した後、ステップＳ２９０にて点火プラグ９３を点火する。   In this embodiment, the hydrogen supply valve 65 is closed in step S28 to seal the hydrogen introduction chamber 30, and then the spark plug 93 is ignited in step S290.

これにより、混合ガス室９２内の混合ガスに含まれる未反応空気および未反応水素が燃焼する。このとき、混合ガス室９２内の燃焼ガスの圧力により、混合ガスピストン部３５ｂが混合ガス室９２の容積を拡大する側に移動させられる。これに伴い、水素側ピストン３５の水素側ピストン本体３５ａが、水素導入室３０の容積を縮小する側へ移動する。これにより、水素導入室３０の水素が加圧されて、燃料電池１の水素流路３へ押し込まれる。   Thereby, unreacted air and unreacted hydrogen contained in the mixed gas in the mixed gas chamber 92 are combusted. At this time, the pressure of the combustion gas in the mixed gas chamber 92 causes the mixed gas piston portion 35 b to move to the side of expanding the volume of the mixed gas chamber 92. Accordingly, the hydrogen-side piston main body 35a of the hydrogen-side piston 35 moves to the side where the volume of the hydrogen introduction chamber 30 is reduced. Thereby, the hydrogen in the hydrogen introduction chamber 30 is pressurized and pushed into the hydrogen flow path 3 of the fuel cell 1.

また、本実施形態では、ステップＳ３４でオフ空気を空気排出流路７へ押し込んだ後、ステップＳ３５にて、水素排出バルブ８５を開弁するとともに、点火プラグ９３を点火する。   In the present embodiment, after the off-air is pushed into the air discharge flow path 7 in step S34, the hydrogen discharge valve 85 is opened and the spark plug 93 is ignited in step S35.

これにより、混合ガス室９２内の混合ガスに含まれる未反応空気および未反応水素が燃焼する。このとき、混合ガス室９２内の燃焼ガスの圧力により、混合ガスピストン部３５ｂが混合ガス室９２の容積を拡大する側に移動させられる。これに伴い、水素側ピストン３５の水素側ピストン本体３５ａが、水素導入室３０の容積を縮小する側へ移動する。これにより、水素導入室３０内のオフ水素が加圧されて、水素排出流路８へ押し込まれる。   Thereby, unreacted air and unreacted hydrogen contained in the mixed gas in the mixed gas chamber 92 are combusted. At this time, the pressure of the combustion gas in the mixed gas chamber 92 causes the mixed gas piston portion 35 b to move to the side of expanding the volume of the mixed gas chamber 92. Accordingly, the hydrogen-side piston main body 35a of the hydrogen-side piston 35 moves to the side where the volume of the hydrogen introduction chamber 30 is reduced. Thereby, off-hydrogen in the hydrogen introduction chamber 30 is pressurized and pushed into the hydrogen discharge flow path 8.

本実施形態では、オフ水素を燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して水素側ピストン３５を駆動しているので、水素側ピストン３５を駆動するための動力を低減できる。   In this embodiment, since the hydrogen side piston 35 is driven using combustion energy generated by burning off-hydrogen, the power for driving the hydrogen side piston 35 can be reduced.

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。 (Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified as follows without departing from the spirit of the present invention.

（１）上記実施形態では、空気流路２の第１開口部２１をハニカム構造体１０の一側に設け、水素流路３の第２開口部３１をハニカム構造体１０の他側に設けた例について説明したが、第１開口部２１および第２開口部３１をハニカム構造体１０の同一側に設けてもよい。   (1) In the above embodiment, the first opening 21 of the air channel 2 is provided on one side of the honeycomb structure 10, and the second opening 31 of the hydrogen channel 3 is provided on the other side of the honeycomb structure 10. Although the example has been described, the first opening 21 and the second opening 31 may be provided on the same side of the honeycomb structure 10.

（２）上記実施形態では、ハニカム構造体１０において、空気流路２および水素流路３をそれぞれ千鳥状に配置した例について説明したが、空気流路２および水素流路３の配置はこれに限定されない。例えば、複数の空気流路２および複数の水素流路３をそれぞれ横方向に一列に配置するとともに、空気流路２の列と水素流路３の列とを縦方向に交互に配置してもよい。   (2) In the above embodiment, an example in which the air flow paths 2 and the hydrogen flow paths 3 are arranged in a staggered manner in the honeycomb structure 10 has been described. It is not limited. For example, a plurality of air flow paths 2 and a plurality of hydrogen flow paths 3 may be arranged in a row in the horizontal direction, and a row of air flow paths 2 and a row of hydrogen flow paths 3 may be alternately arranged in the vertical direction. Good.

（３）上記実施形態では、燃料電池１として、ハニカム型（モノリス型）の燃料電池を採用した例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池１として、図１４に示すように、両側面に空気極２２および水素極３２が接合された固体電解質体１２と、空気流路２または水素流路３を形成するセパレータ１０１とから構成されるセル１００が複数個積層された平板型燃料電池等を採用してもよい。   (3) In the above embodiment, an example in which a honeycomb type (monolith type) fuel cell is employed as the fuel cell 1 has been described, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 14, the fuel cell 1 includes a solid electrolyte body 12 in which an air electrode 22 and a hydrogen electrode 32 are joined to both side surfaces, and a separator 101 that forms the air channel 2 or the hydrogen channel 3. A flat plate fuel cell or the like in which a plurality of constructed cells 100 are stacked may be employed.

（４）上記実施形態では、反応ガス濃度検出手段として、水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈを検出する水素濃度センサ３３を採用し、水素濃度センサ３３によって水素導入室３０内の水素濃度を検出することで、水素導入室３０内の水蒸気濃度を推定する例について説明したが、反応ガス濃度検出手段これに限定されない。例えば、反応ガス濃度検出手段として、水素導入室３０内の反応ガス濃度（水蒸気濃度）を直接検出する反応ガス濃度センサを採用してもよい。   (4) In the above embodiment, the hydrogen concentration sensor 33 that detects the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 is adopted as the reaction gas concentration detection means, and the hydrogen concentration in the hydrogen introduction chamber 30 is detected by the hydrogen concentration sensor 33. Thus, the example of estimating the water vapor concentration in the hydrogen introduction chamber 30 has been described, but the reaction gas concentration detection means is not limited to this. For example, a reactive gas concentration sensor that directly detects the reactive gas concentration (water vapor concentration) in the hydrogen introduction chamber 30 may be employed as the reactive gas concentration detection means.

また、反応ガス検出手段としては、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ１７を採用してもよい。この場合、システム制御装置は、電圧センサ１７により検出された燃料電池１の電圧降下が予め定めた基準値以上になったときに、水素導入室３０内の反応ガス濃度である水蒸気濃度が基準水蒸気濃度以上になったと判断してもよい。   Further, as the reactive gas detection means, a voltage sensor 17 that detects the output voltage of the fuel cell 1 may be employed. In this case, when the voltage drop of the fuel cell 1 detected by the voltage sensor 17 is equal to or higher than a predetermined reference value, the system control device sets the water vapor concentration, which is the reaction gas concentration in the hydrogen introduction chamber 30, to the reference water vapor. You may judge that it became the density | concentration or more.

（５）上記実施形態では、システム制御装置が、水素濃度センサ３３によって検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈによって各種システム制御機器の作動を制御した例について説明したが、これに限らず、時間によって各種システム制御機器の作動を制御してもよい。   (5) In the above embodiment, the example in which the system control device controls the operation of various system control devices by the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33 has been described. The operation of various system control devices may be controlled according to time.

（６）上記第２、第３実施形態では、システム制御装置が、水素濃度センサ３３によって検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈによって各種システム制御機器の作動を制御した例について説明したが、これに限らず、各種システム制御機器の制御方法はこれに限定されない。   (6) In the second and third embodiments described above, the system control device has described an example in which the operation of various system control devices is controlled by the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 detected by the hydrogen concentration sensor 33. However, the present invention is not limited to this, and the control method of various system control devices is not limited to this.

例えば、水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上第２基準濃度Ｃｑ以下となるように空気側ピストン２５および水素側ピストン３５のサイクルタイムを調整するとともに、時間によって各種システム制御機器の作動を制御してもよい。   For example, the cycle times of the air-side piston 25 and the hydrogen-side piston 35 are adjusted so that the hydrogen concentration Ch in the hydrogen introduction chamber 30 is not less than the first reference concentration Cp and not more than the second reference concentration Cq. The operation of the device may be controlled.

（７）上記第３実施形態では、オフ水素を燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して水素側ピストン３５を駆動した例について説明したが、これに限らず、オフ水素を燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して空気側ピストン２５を駆動してもよい。   (7) In the third embodiment, the example in which the hydrogen-side piston 35 is driven using the combustion energy generated by burning off-hydrogen has been described. However, the present invention is not limited to this, and it is generated by burning off-hydrogen. The air side piston 25 may be driven using combustion energy.

１ 燃料電池
１０ 燃料電池構造体
１２ 隔壁（固体電解質体）
２ 空気流路（酸化剤ガス流路）
２１ 第１開口部
２２ 空気極（酸化剤極）
３ 水素流路（燃料ガス流路）
３１ 第２開口部
３２ 水素極（燃料極） 1 Fuel Cell 10 Fuel Cell Structure 12 Bulkhead (Solid Electrolyte)
2 Air channel (oxidant gas channel)
21 First opening 22 Air electrode (oxidant electrode)
3 Hydrogen channel (fuel gas channel)
31 Second opening 32 Hydrogen electrode (fuel electrode)

Claims (7)

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池構造体（１０）を有し、前記燃料電池構造体（１０）は、前記酸化剤ガスが流れるとともに、一端側に第１開口部（２１）が形成され且つ他端側が閉塞された酸化剤ガス流路（２）と、前記燃料ガスが流れるとともに、一端側に第２開口部（３１）が形成され且つ他端側が閉塞された燃料ガス流路（３）と、前記酸化剤ガス流路（２）の内壁面に設けられた酸化剤極（２２）と、前記燃料ガス流路（３）の内壁面に設けられた燃料極（３２）と、一面が前記酸化剤極（２２）と接触するとともに、他面が前記燃料極（３２）と接触するように設けられた固体電解質体（１２）とを備える、燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）の前記酸化剤ガス流路（２）に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（５１、５２）と、
前記酸化剤ガス供給手段（５１、５２）から前記燃料電池（１）に供給された前記酸化剤ガスのうち、前記電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを含んだオフ酸化剤ガスを前記燃料電池（１）の前記酸化剤ガス流路（２）から排出させるオフ酸化剤ガス排出手段（７１、７２）と、
前記燃料電池（１）の前記燃料ガス流路（３）に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（６１〜６３）と、
前記燃料ガス供給手段（６１〜６３）から前記燃料電池（１）に供給された前記燃料ガスのうち、前記電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスを含んだオフ燃料ガスを前記燃料電池（１）の前記燃料ガス流路（３）から排出させるオフ燃料ガス排出手段（８１、８２）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell structure (10) that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas. The fuel cell structure (10) includes a first electrode on one end side when the oxidant gas flows. An oxidant gas flow path (2) in which one opening (21) is formed and the other end is closed, and the fuel gas flows, and a second opening (31) is formed on one end and the other end is The closed fuel gas channel (3), the oxidant electrode (22) provided on the inner wall surface of the oxidant gas channel (2), and the inner wall surface of the fuel gas channel (3). A fuel electrode (32), and a solid electrolyte body (12) provided so that one surface is in contact with the oxidant electrode (22) and the other surface is in contact with the fuel electrode (32). A battery (1);
Oxidant gas supply means (51, 52) for supplying the oxidant gas to the oxidant gas flow path (2) of the fuel cell (1);
Off-oxidant containing unreacted oxidant gas not used for the electrochemical reaction among the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means (51, 52) to the fuel cell (1). Off-oxidant gas discharge means (71, 72) for discharging gas from the oxidant gas flow path (2) of the fuel cell (1);
Fuel gas supply means (61-63) for supplying the fuel gas to the fuel gas flow path (3) of the fuel cell (1);
Of the fuel gas supplied from the fuel gas supply means (61 to 63) to the fuel cell (1), off-fuel gas containing unreacted fuel gas not used in the electrochemical reaction is used as the fuel. A fuel cell system comprising off fuel gas discharge means (81, 82) for discharging from the fuel gas flow path (3) of the battery (1). さらに、前記酸化剤ガス流路（２）および前記燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における前記電気化学反応で生じた反応ガスの濃度を検出する反応ガス濃度検出手段（３３）を備え、
前記オフ酸化剤ガス排出手段（７１、７２）は、前記反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された前記酸化剤ガス流路（２）および前記燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における前記反応ガスの濃度が予め定めた基準濃度を上回った場合に、前記酸化剤ガス流路（２）から前記オフ酸化剤ガスを排出し、
前記オフ燃料ガス排出手段（８１、８２）は、前記反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された前記酸化剤ガス流路（２）および前記燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における前記反応ガスの濃度が前記基準濃度を上回った場合に、前記燃料ガス流路（３）から前記オフ燃料ガスを排出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 Furthermore, a reactive gas concentration detecting means (33) for detecting the concentration of the reactive gas generated by the electrochemical reaction in at least one of the oxidant gas flow channel (2) and the fuel gas flow channel (3) is provided.
The off-oxidant gas discharge means (71, 72) is provided in the at least one of the oxidant gas flow path (2) and the fuel gas flow path (3) detected by the reaction gas concentration detection means (33). When the concentration of the reaction gas exceeds a predetermined reference concentration, the off-oxidant gas is discharged from the oxidant gas flow path (2),
The off-fuel gas discharge means (81 82) is configured to react the reaction in at least one of the oxidant gas flow path (2) and the fuel gas flow path (3) detected by the reaction gas concentration detection means (33). 2. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the off-fuel gas is discharged from the fuel gas flow path when the gas concentration exceeds the reference concentration. 3. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池構造体（１０）を有し、前記燃料電池構造体（１０）は、前記酸化剤ガスが流れるとともに、一端側に第１開口部（２１）が形成され且つ他端側が閉塞された酸化剤ガス流路（２）と、前記燃料ガスが流れるとともに、一端側に第２開口部（３１）が形成され且つ他端側が閉塞された燃料ガス流路（３）と、前記酸化剤ガス流路（２）の内壁面に設けられた酸化剤極（２２）と、前記燃料ガス流路（３）の内壁面に設けられた燃料極（３２）と、一面が前記酸化剤極（２２）と接触するとともに、他面が前記燃料極（３２）と接触するように設けられた固体電解質体（１２）とを備える、燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）の前記酸化剤ガス流路（２）と連通する酸化剤ガス導入室（２０）と、
前記酸化剤ガス導入室（２０）の容積を可変とする酸化剤ガス側ピストン（２５）と、
前記酸化剤ガス導入室（２０）に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路（５）を開閉する酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）と、
前記酸化剤ガス導入室（２０）から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路（７）を開閉する酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）と、
前記燃料電池（１）の前記燃料ガス流路（３）と連通する燃料ガス導入室（３０）と、
前記燃料ガス導入室（３０）の容積を可変とする燃料ガス側ピストン（３５）と、
前記燃料ガス導入室（３０）に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（６）を開閉する燃料ガス供給側開閉手段（６５）と、
前記燃料ガス導入室（３０）から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路（８）を開閉する燃料ガス排出側開閉手段（８５）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell structure (10) that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas. The fuel cell structure (10) includes a first electrode on one end side when the oxidant gas flows. An oxidant gas flow path (2) in which one opening (21) is formed and the other end is closed, and the fuel gas flows, and a second opening (31) is formed on one end and the other end is The closed fuel gas channel (3), the oxidant electrode (22) provided on the inner wall surface of the oxidant gas channel (2), and the inner wall surface of the fuel gas channel (3). A fuel electrode (32), and a solid electrolyte body (12) provided so that one surface is in contact with the oxidant electrode (22) and the other surface is in contact with the fuel electrode (32). A battery (1);
An oxidant gas introduction chamber (20) communicating with the oxidant gas flow path (2) of the fuel cell (1);
An oxidant gas side piston (25) that makes the volume of the oxidant gas introduction chamber (20) variable;
Oxidant gas supply side opening / closing means (55) for opening and closing the oxidant gas supply channel (5) for supplying the oxidant gas to the oxidant gas introduction chamber (20);
Oxidant gas discharge side opening / closing means (75) for opening and closing the oxidant gas discharge channel (7) for discharging the oxidant gas from the oxidant gas introduction chamber (20);
A fuel gas introduction chamber (30) communicating with the fuel gas flow path (3) of the fuel cell (1);
A fuel gas side piston (35) having a variable volume of the fuel gas introduction chamber (30);
Fuel gas supply side opening / closing means (65) for opening and closing a fuel gas supply channel (6) for supplying the fuel gas to the fuel gas introduction chamber (30);
A fuel cell system comprising fuel gas discharge side opening / closing means (85) for opening and closing a fuel gas discharge channel (8) for discharging the fuel gas from the fuel gas introduction chamber (30). 前記電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスを含んだオフ燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して、前記酸化剤ガス側ピストン（２５）および前記燃料ガス側ピストン（３５）の少なくとも一方を駆動することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。 The oxidant gas side piston (25) and the fuel gas side piston (35) are produced by utilizing combustion energy generated by burning off fuel gas containing unreacted fuel gas that has not been used in the electrochemical reaction. 4) is driven. 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein at least one of said two is driven. さらに、前記燃料ガス導入室（３０）における前記燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段（３３）と、
前記酸化剤ガス導入室（２０）および前記燃料ガス導入室（３０）の少なくとも一方における前記電気化学反応で生じた反応ガスの濃度を検出する反応ガス濃度検出手段（３３）と、
前記酸化剤ガス側ピストン（２５）、前記酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）、前記酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）、前記燃料ガス側ピストン（３５）、前記燃料ガス供給側開閉手段（６５）および前記燃料ガス排出側開閉手段（８５）の作動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記燃料ガス濃度検出手段（３３）により検出された前記燃料ガス導入室（３０）における前記燃料ガスの濃度が予め定めた基準燃料ガス濃度を下回った場合に、前記酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）によって前記酸化剤ガス排出流路（７）を閉じ、前記燃料ガス排出側開閉手段（８５）によって前記燃料ガス排出流路（８）を閉じ、前記酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）によって前記酸化剤ガス供給流路（５）を開き、前記燃料ガス供給側開閉手段（６５）によって燃料ガス供給流路（６）を開き、前記酸化剤ガス側ピストン（２５）を前記酸化剤ガス導入室（２０）の容積が拡大する側に変位させ、前記燃料ガス側ピストン（３５）を前記燃料ガス導入室（３０）の容積が拡大する側に変位させる供給ガス吸引処理を行い、
前記ガス吸引処理を行った後、前記燃料ガス濃度検出手段（３３）により検出された前記燃料ガス導入室（３０）における前記燃料ガスの濃度が前記基準燃料ガス濃度以上になった場合に、前記酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）によって前記酸化剤ガス供給流路（５）を閉じ、前記燃料ガス供給側開閉手段（６５）によって前記燃料ガス供給流路（６）を閉じ、前記酸化剤ガス側ピストン（２５）を前記酸化剤ガス導入室（２０）の容積が縮小する側に変位させ、前記燃料ガス側ピストン（３５）を前記燃料ガス導入室（３０）の容積が縮小する側に変位させるガス加圧供給処理を行い、
前記ガス加圧供給処理を行った後、前記反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された前記酸化剤ガス導入室（２０）および前記燃料ガス導入室（３０）の少なくとも一方における前記反応ガスの濃度が予め定めた基準反応ガス濃度を上回った場合に、前記酸化剤ガス側ピストン（２５）を前記酸化剤ガス導入室（２０）の容積が拡大する側に変位させ、前記燃料ガス側ピストン（３５）を前記燃料ガス導入室（３０）の容積が拡大する側に変位させる反応ガス吸引処理を行うことを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。 A fuel gas concentration detecting means (33) for detecting the concentration of the fuel gas in the fuel gas introduction chamber (30);
Reaction gas concentration detection means (33) for detecting the concentration of the reaction gas generated by the electrochemical reaction in at least one of the oxidant gas introduction chamber (20) and the fuel gas introduction chamber (30);
The oxidant gas side piston (25), the oxidant gas supply side opening / closing means (55), the oxidant gas discharge side opening / closing means (75), the fuel gas side piston (35), and the fuel gas supply side opening / closing means. (65) and control means for controlling the operation of the fuel gas discharge side opening / closing means (85),
The control means includes
When the concentration of the fuel gas in the fuel gas introduction chamber (30) detected by the fuel gas concentration detection means (33) falls below a predetermined reference fuel gas concentration, the oxidant gas discharge side opening / closing means ( 75) closes the oxidant gas discharge passage (7) , closes the fuel gas discharge passage (8) by the fuel gas discharge side opening / closing means (85), and closes the oxidant gas supply side opening / closing means (55). Opens the oxidant gas supply channel (5), opens the fuel gas supply channel (6) by the fuel gas supply side opening / closing means (65), and connects the oxidant gas side piston (25) to the oxidant gas. Displacement to the side where the volume of the introduction chamber (20) expands, and supply gas suction processing to displace the fuel gas side piston (35) to the side where the volume of the fuel gas introduction chamber (30) expands,
When the concentration of the fuel gas in the fuel gas introduction chamber (30) detected by the fuel gas concentration detection means (33) becomes equal to or higher than the reference fuel gas concentration after performing the gas suction process, The oxidizing gas supply channel (5) is closed by an oxidizing gas supply side opening / closing means (55), the fuel gas supply channel (6) is closed by the fuel gas supply side opening / closing means (65), and the oxidizing agent is closed. The gas side piston (25) is displaced to the side where the volume of the oxidant gas introduction chamber (20) is reduced, and the fuel gas side piston (35) is moved to the side where the volume of the fuel gas introduction chamber (30) is reduced. Displace gas pressure supply processing,
After the gas pressurization supply process, the reaction gas in at least one of the oxidant gas introduction chamber (20) and the fuel gas introduction chamber (30) detected by the reaction gas concentration detection means (33) is detected. When the concentration exceeds a predetermined reference reaction gas concentration, the oxidant gas side piston (25) is displaced to the side where the volume of the oxidant gas introduction chamber (20) is enlarged, and the fuel gas side piston ( The fuel cell system according to claim 3 or 4, wherein a reaction gas suction process is performed in which 35) is displaced to a side where the volume of the fuel gas introduction chamber (30) is enlarged. 前記酸化剤ガス流路（２）の前記第１開口部（２１）は、前記燃料電池構造体（１０）の一側に設けられており、
前記燃料ガス流路（３）の前記第２開口部（３１）は、前記燃料電池構造体（１０）の他側に設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The first opening (21) of the oxidant gas channel (2) is provided on one side of the fuel cell structure (10),
The said 2nd opening part (31) of the said fuel gas flow path (3) is provided in the other side of the said fuel cell structure (10), The one of Claim 1 thru | or 5 characterized by the above-mentioned. The fuel cell system described in 1. 前記燃料電池構造体（１０）は、外周壁（１１）と、前記外周壁（１１）の内側においてハニカム状に設けられた隔壁（１２）と、前記隔壁（１２）で区画されるとともに一端から他端に向かって延伸する複数の貫通孔（１３）とを有するハニカム構造体であり、
前記隔壁（１２）は、固体電解質により形成されており、
前記複数の貫通孔（１３）の前記一端または前記他端は、封止されており、
前記一端が封止された前記貫通孔（１３）により、前記酸化剤ガス流路（２）が構成されており、
前記他端が封止された前記貫通孔（１３）により、前記燃料ガス流路（３）が構成されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。 The fuel cell structure (10) is partitioned by an outer peripheral wall (11), a partition wall (12) provided in a honeycomb shape inside the outer peripheral wall (11), and the partition wall (12) and from one end. A honeycomb structure having a plurality of through holes (13) extending toward the other end,
The partition wall (12) is formed of a solid electrolyte,
The one end or the other end of the plurality of through holes (13) is sealed,
The oxidant gas flow path (2) is constituted by the through hole (13) whose one end is sealed,
The fuel cell system according to claim 6 , wherein the fuel gas flow path (3) is constituted by the through hole (13) sealed at the other end.
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