JP5879962B2

JP5879962B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5879962B2
Application number: JP2011256284A
Authority: JP
Inventors: 貴仁長田; 耕太郎明石; 英高西村; 孝一田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: JP2013110070A

Description

本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

従来の燃料電池システムとして、燃料電池スタックを流れる冷媒によって、冷却を必要とする被冷却機器の冷却を行うものがある（特許文献１参照）。 As a conventional fuel cell system, there is one that cools a device to be cooled that requires cooling with a refrigerant flowing through a fuel cell stack (see Patent Document 1).

特開２００９−１９３９２１号公報JP 2009-193921 A

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの外周面からの放熱によってガス出口マニホールド内で凝縮した生成水の排水性能が低いという問題点があった。 However, the above-described conventional fuel cell system has a problem that the drainage performance of the generated water condensed in the gas outlet manifold due to heat radiation from the outer peripheral surface of the fuel cell stack is low.

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池システムの排水性能を向上させることを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and an object thereof is to improve the drainage performance of the fuel cell system.

本発明は、アノードガス及びカソードガスを、単セルを積層した燃料電池スタックに供給して発電させる燃料電池システムである。そしてその燃料電池システムが、燃料電池スタックをその底面側から昇温させる昇温部を備えることを特徴とする。 The present invention is a fuel cell system in which anode gas and cathode gas are supplied to a fuel cell stack in which single cells are stacked to generate electric power. The fuel cell system includes a temperature raising unit that raises the temperature of the fuel cell stack from the bottom surface side.

本発明によれば、燃料電池スタックをその底面側から昇温させることで、ガス出口マニホールドでの水蒸気の凝縮を抑制することができる。したがって、燃料電池システムの排水性能を向上させることができる。 According to the present invention, by condensing the fuel cell stack from the bottom surface side, it is possible to suppress water vapor condensation at the gas outlet manifold. Therefore, the drainage performance of the fuel cell system can be improved.

本発明の第１実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。1 is a perspective view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of cross section of the single cell 1 seen from the direction in alignment with the II-II line | wire of FIG. アノードセパレータをアノード電極側から見た平面図である。It is the top view which looked at the anode separator from the anode electrode side. 本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an anode gas non-circulating fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. アノードガス出口マニホールド近傍の燃料電池スタックの外周面に電気ヒータを取り付けた様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the electric heater was attached to the outer peripheral surface of the fuel cell stack of the anode gas outlet manifold vicinity. 本発明の第２実施形態によるアノードガス出口マニホールド近傍の燃料電池スタックの外周面の昇温方法について説明する図である。It is a figure explaining the temperature rising method of the outer peripheral surface of the fuel cell stack near the anode gas outlet manifold according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第３実施形態によるウォータジャケットを設けた燃料電池スタックの斜視図である。It is a perspective view of a fuel cell stack provided with a water jacket according to a third embodiment of the present invention. 本発明のその他の実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。FIG. 5 is a perspective view of a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。 (First embodiment)
In a fuel cell, an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.

アノード電極：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- …(１)
カソード電極：４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ …(２) Anode electrode: 2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻ (1)
Cathode electrode: 4H ⁺ + 4e ⁻ + O ₂ → 2H ₂ O (2)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。 The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).

燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。 When a fuel cell is used as a power source for automobiles, a large amount of electric power is required. Therefore, the fuel cell is used as a fuel cell stack in which several hundred fuel cells are stacked. Then, a fuel cell system that supplies anode gas and cathode gas to the fuel cell stack is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.

図１は、本実施形態による燃料電池スタック１０の斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack 10 according to the present embodiment.

燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ，２ｂと、一対の絶縁板３ａ，３ｂと、一対のエンドプレート４ａ，４ｂと、を備える。 The fuel cell stack 10 includes a plurality of stacked single cells 1, a pair of current collecting plates 2a and 2b, a pair of insulating plates 3a and 3b, and a pair of end plates 4a and 4b.

単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構成の詳細については、図２及び図３を参照して後述する。 The single cell 1 is a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force. The single cell 1 generates an electromotive voltage of about 1 volt. Details of the configuration of the single cell 1 will be described later with reference to FIGS.

一対の集電板２ａ，２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ，２ｂは、例えば緻密質カーボンなどのガス不透過性の導電性部材で形成される。集電板２ａ，２ｂは、上辺の一部に電力を取り出すための出力端子６を備える。 The pair of current collector plates 2a and 2b are respectively arranged outside the plurality of unit cells 1 stacked. The current collector plates 2a and 2b are formed of a gas impermeable conductive member such as dense carbon, for example. The current collector plates 2a and 2b are provided with an output terminal 6 for taking out electric power at a part of the upper side.

一対の絶縁板３ａ，３ｂは、集電板２ａ，２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ，３ｂは、例えばゴムなど絶縁性の部材で形成される。 The pair of insulating plates 3a and 3b are disposed outside the current collecting plates 2a and 2b, respectively. The insulating plates 3a and 3b are formed of an insulating member such as rubber, for example.

一対のエンドプレート４ａ，４ｂは、絶縁板３ａ，３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ，４ｂは、例えば鋼などの剛性を備える金属性の材料で形成される。 The pair of end plates 4a and 4b are disposed outside the insulating plates 3a and 3b, respectively. The end plates 4a and 4b are formed of a metallic material having rigidity such as steel.

一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水入口孔４１ａ及び冷却水出口孔４１ｂと、アノードガス入口孔４２ａ及びアノードガス出口孔４２ｂと、カソードガス入口孔４３ａ及びカソードガス出口孔４３ｂとが形成される。詳細には、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に、上から順にカソードガス入口孔４３ａ、冷却水入口孔４１ａ及びアノードガス出口孔４２ｂが形成される。エンドプレート４ｂの他端側（図中左側）に、上から順にアノードガス入口孔４２ａ、冷却水出口孔４１ｂ及びカソードガス出口孔４３ｂが形成される。 Of the pair of end plates 4a and 4b, one end plate 4a includes a cooling water inlet hole 41a and a cooling water outlet hole 41b, an anode gas inlet hole 42a and an anode gas outlet hole 42b, a cathode gas inlet hole 43a and A cathode gas outlet hole 43b is formed. Specifically, a cathode gas inlet hole 43a, a cooling water inlet hole 41a, and an anode gas outlet hole 42b are formed in order from the top on one end side (right side in the drawing) of the end plate 4a. On the other end side (left side in the figure) of the end plate 4b, an anode gas inlet hole 42a, a cooling water outlet hole 41b, and a cathode gas outlet hole 43b are formed in order from the top.

一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、他方のエンドプレート４ｂには、アノードガス出口孔４２ｂ（図示せず）のみが形成される。エンドプレート４ｂに形成されたアノードガス出口孔４２ｂは、一方のエンドプレート４ａに形成されたアノードガス出口孔４２ｂと対向するように設けられる。 Of the pair of end plates 4a and 4b, only the anode gas outlet hole 42b (not shown) is formed in the other end plate 4b. The anode gas outlet hole 42b formed in the end plate 4b is provided so as to face the anode gas outlet hole 42b formed in one end plate 4a.

以下では、図２及び図３を参照して、単セル１の構成について説明する。 Below, the structure of the single cell 1 is demonstrated with reference to FIG.2 and FIG.3.

図２は、図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a part of a cross section of the single cell 1 as seen from the direction along the line II-II in FIG.

単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１を、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持して構成する。 The single cell 1 is configured by sandwiching a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 11 between an anode separator 20 and a cathode separator 30.

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃとを有する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。 The MEA 11 includes an electrolyte membrane 11a, an anode electrode 11b, and a cathode electrode 11c. The MEA 11 has an anode electrode 11b on one surface of the electrolyte membrane 11a and a cathode electrode 11c on the other surface.

電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。 The electrolyte membrane 11a is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The electrolyte membrane 11a exhibits good electrical conductivity in a wet state.

アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。 The anode electrode 11b and the cathode electrode 11c are composed of a gas diffusion layer, a water repellent layer, and a catalyst layer. The gas diffusion layer is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, and is formed of, for example, a carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers. The water repellent layer is a layer containing polyethylene fluoroethylene and a carbon material. The catalyst layer is formed from carbon black particles on which platinum is supported.

アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する。アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するためのガス流路２４を有する。そして、アノード電極１１ｂと直接接する面（後述するリブ２５の頂面）２５ａの反対面に、発電により暖められた燃料電池スタック１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２６を有する。 The anode separator 20 is in contact with the anode electrode 11b. The anode separator 20 has a gas flow path 24 for supplying anode gas to the anode electrode 11b on the side in contact with the anode electrode 11b. A cooling water flow path 26 through which cooling water for cooling the fuel cell stack 10 heated by power generation flows is provided on the surface opposite to the surface (a top surface of the rib 25 described later) 25a that directly contacts the anode 11b.

カソードセパレータ３０も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するためのガス流路３４を有し、カソード電極１１ｃと接する面３５ａの反対面に冷却水流路３６を有する。 Similarly, the cathode separator 30 has a gas flow path 34 for supplying cathode gas to the cathode electrode 11c on the side in contact with the cathode electrode 11c, and a cooling water flow path 36 on the opposite surface to the surface 35a in contact with the cathode electrode 11c. Have.

なお、隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに設けられたそれぞれの冷却水流路２６，３６は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路２６，３６によって１つの冷却水流路４１が形成される。 The cooling water flow paths 26 and 36 provided in the adjacent anode separator 20 and cathode separator 30 are formed so as to face each other, and one cooling water flow path 41 is formed by the cooling water flow paths 26 and 36. It is formed.

また、ガス流路２４を流れるアノードガスと、ガス流路３４を流れるカソードガスとは、ＭＥＡ１１を介して互いに逆向きに流れている。本実施形態では、ガス流路２４を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れており、ガス流路３４を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れている。冷却水流路４１を流れる冷却水は、カソードガスと同じ方向に流れており、紙面手前から奥へ流れている。 Also, the anode gas flowing through the gas flow path 24 and the cathode gas flowing through the gas flow path 34 flow in opposite directions via the MEA 11. In the present embodiment, the anode gas flowing through the gas flow path 24 flows from the back to the front of the paper, and the cathode gas flowing through the gas flow path 34 flows from the front to the back of the paper. The cooling water flowing through the cooling water channel 41 flows in the same direction as the cathode gas, and flows from the front side to the back side of the drawing.

次に図３を参照して、アノードセパレータ２０について説明する。図３は、アノードセパレータ２０をアノード電極側から見た平面図である。 Next, the anode separator 20 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a plan view of the anode separator 20 as viewed from the anode electrode side.

図３に示すように、アノードセパレータ２０の一端（図中左側）には、上から順に、アノードガス入口マニホールド２２ａ、冷却水出口マニホールド２１ｂ、カソードガス出口マニホールド２３ｂが形成される。一方、アノードセパレータ２０の他端（図中右側）には、上から順に、カソードガス入口マニホールド２３ａ、冷却水入口マニホールド２１ａ、アノードガス出口マニホールド２２ｂが形成される。 As shown in FIG. 3, an anode gas inlet manifold 22a, a cooling water outlet manifold 21b, and a cathode gas outlet manifold 23b are formed in order from the top at one end (left side in the figure) of the anode separator 20. On the other hand, a cathode gas inlet manifold 23a, a cooling water inlet manifold 21a, and an anode gas outlet manifold 22b are formed in this order from the top at the other end (right side in the figure) of the anode separator 20.

アノードセパレータ２０の表面には、複数の溝状のガス流路２４が形成される。ガス流路２４は、ガス流路底面２４ａからアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数のリブ２５の間に形成される流路である。 A plurality of groove-like gas flow paths 24 are formed on the surface of the anode separator 20. The gas channel 24 is a channel formed between a plurality of ribs 25 that protrude from the gas channel bottom surface 24a to the anode electrode side and come into contact with the anode electrode.

燃料電池スタック１０の内部では、アノードガス入口マニホールド２２ａが重なって単セル１の積層方向に延びる一本の通路となっており（図４参照）、アノードガスは、アノードガス入口孔４２ａからアノードガス入口マニホールド２２ａへと流れ込み、各アノードセパレータ２０のガス流路２４に供給される。このとき、アノードガス入口マニホールド２２ａへと流れ込んだアノードガスは、アノードガス入口マニホールド２２ａとガス流路２４との間に設けられるアノードガス拡散領域２７で拡散させられて、ガス流路２４に供給される。アノードガスはガス流路２４を流れながらアノード電極１１ｂと接する。これにより、アノード電極１１ｂでは、前述した式（１）の電極反応が生じる。 Inside the fuel cell stack 10, the anode gas inlet manifold 22a overlaps to form a single passage extending in the stacking direction of the single cells 1 (see FIG. 4), and the anode gas is supplied from the anode gas inlet hole 42a to the anode gas. It flows into the inlet manifold 22 a and is supplied to the gas flow path 24 of each anode separator 20. At this time, the anode gas flowing into the anode gas inlet manifold 22 a is diffused in an anode gas diffusion region 27 provided between the anode gas inlet manifold 22 a and the gas flow path 24 and supplied to the gas flow path 24. The The anode gas contacts the anode electrode 11 b while flowing through the gas flow path 24. Thereby, in the anode electrode 11b, the electrode reaction of Formula (1) mentioned above arises.

ガス流路２４で電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からガス流路２４へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）は、ガス流路２４とアノードガス出口マニホールド２２ｂとの間に設けられるアノードガス収束領域２８で収束させられて、アノードガス出口マニホールド２２ｂへ排出される。アノードガス出口マニホールド２２ｂも、燃料電池スタック１０の内部で重なって単セル１の積層方向に延びる一本の通路となっており（図４参照）、アノードオフガスは、アノードガス出口マニホールド２２ｂを流れてアノードガス出口孔４２ｂから燃料電池スタック１０の外部へ排出される。 A mixed gas (hereinafter referred to as “anode off gas”) of excess anode gas that has not been used for electrode reaction in the gas flow path 24 and impure gas such as nitrogen or water vapor that has cross-leaked from the cathode side to the gas flow path 24 .) Is converged in an anode gas converging region 28 provided between the gas flow path 24 and the anode gas outlet manifold 22b, and discharged to the anode gas outlet manifold 22b. The anode gas outlet manifold 22b is also a single passage that overlaps inside the fuel cell stack 10 and extends in the stacking direction of the single cells 1 (see FIG. 4), and the anode off-gas flows through the anode gas outlet manifold 22b. The fuel is discharged from the anode gas outlet hole 42b to the outside of the fuel cell stack 10.

以下では、アノードガス拡散領域２７とアノードガス収束領域２８との間のガス流路２４が形成されている領域、すなわち電極反応によって発熱している領域をアクティブエリア２９という。アクティブエリア２９は、アノードガス拡散領域２７及びアノードガス収束領域２８よりも相対的に温度が高くなる。 Hereinafter, a region where the gas flow path 24 between the anode gas diffusion region 27 and the anode gas converging region 28 is formed, that is, a region generating heat due to an electrode reaction is referred to as an active area 29. The active area 29 has a relatively higher temperature than the anode gas diffusion region 27 and the anode gas convergence region 28.

図４は、燃料電池スタック１０を使用した本実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１００の概略構成図である。アノードガス非循環型の燃料電池システム１００とは、アノードガス排出通路５５に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路５２に戻さないものをいう。 FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an anode gas non-circulation type fuel cell system 100 using the fuel cell stack 10 according to the present embodiment. The anode gas non-circulating fuel cell system 100 refers to a fuel cell system that does not return unused anode gas discharged to the anode gas discharge passage 55 to the anode gas supply passage 52.

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、アノードガス供給装置５０と、スタック冷却装置６０と、コントローラ７０と、を備える。燃料電池スタック１０にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。 The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 10, an anode gas supply device 50, a stack cooling device 60, and a controller 70. The cathode gas supply / discharge device that supplies and discharges the cathode gas to / from the fuel cell stack 10 is not a main part of the present invention, and is not shown for easy understanding. In this embodiment, air is used as the cathode gas.

アノードガス供給装置５０は、高圧タンク５１と、アノードガス供給通路５２と、調圧弁５３と、圧力センサ５４と、アノードガス排出通路５５と、バッファタンク５６と、パージ通路５７と、パージ弁５８と、を備える。 The anode gas supply device 50 includes a high pressure tank 51, an anode gas supply passage 52, a pressure regulating valve 53, a pressure sensor 54, an anode gas discharge passage 55, a buffer tank 56, a purge passage 57, and a purge valve 58. .

高圧タンク５１は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。 The high pressure tank 51 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 10 in a high pressure state.

アノードガス供給通路５２は、高圧タンク５１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１０に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク５１に接続され、他端部が燃料電池スタック１０のアノードガス入口孔４２ａに接続される。 The anode gas supply passage 52 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 51 to the fuel cell stack 10. One end of the anode gas supply passage 52 is connected to the high-pressure tank 51 and the other end of the fuel cell stack 10. Connected to the anode gas inlet hole 42a.

調圧弁５３は、アノードガス供給通路５２に設けられる。調圧弁５３は、高圧タンク５１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック１０に供給する。調圧弁５３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ７０によって制御される。 The pressure regulating valve 53 is provided in the anode gas supply passage 52. The pressure regulating valve 53 adjusts the anode gas discharged from the high-pressure tank 51 to a desired pressure and supplies it to the fuel cell stack 10. The pressure regulating valve 53 is an electromagnetic valve that can adjust the opening degree continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 70.

圧力センサ５４は、調圧弁５３よりも下流のアノードガス供給通路５２に設けられる。圧力センサ５４は、調圧弁５３よりも下流のアノードガス供給通路５２を流れるアノードガスの圧力（以下「アノード圧」という。）を検出する。 The pressure sensor 54 is provided in the anode gas supply passage 52 downstream of the pressure regulating valve 53. The pressure sensor 54 detects the pressure of the anode gas flowing through the anode gas supply passage 52 downstream of the pressure regulating valve 53 (hereinafter referred to as “anode pressure”).

アノードガス排出通路５５は、一端が燃料電池スタック１０のアノードガス出口孔４２ｂに接続され、他端がバッファタンク５６の上部に接続される。アノードガス排出通路５５には、アノードオフガスが排出される。 The anode gas discharge passage 55 has one end connected to the anode gas outlet hole 42 b of the fuel cell stack 10 and the other end connected to the upper portion of the buffer tank 56. The anode off gas is discharged into the anode gas discharge passage 55.

バッファタンク５６は、アノードガス排出通路５５を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク５６内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。 The buffer tank 56 temporarily stores the anode off gas that has flowed through the anode gas discharge passage 55. A part of the water vapor in the anode off-gas is condensed in the buffer tank 56 to become liquid water and separated from the anode off-gas.

パージ通路５７は、一端部がバッファタンク５６の下部に接続される。パージ通路５７の他端部は、開口端となっている。バッファタンク５６に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路５７を通って開口端から外気へ排出される。 One end of the purge passage 57 is connected to the lower portion of the buffer tank 56. The other end of the purge passage 57 is an open end. The anode off gas and liquid water stored in the buffer tank 56 are discharged from the opening end to the outside air through the purge passage 57.

パージ弁５８は、パージ通路５７に設けられる。パージ弁５８は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ７０によって制御される。パージ弁５８の開度を調節することで、バッファタンク５６からパージ通路５７を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク５６内のアノードガス濃度を所定の濃度となるように調節する。 The purge valve 58 is provided in the purge passage 57. The purge valve 58 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 70. By adjusting the opening of the purge valve 58, the amount of anode off-gas discharged from the buffer tank 56 to the outside air via the purge passage 57 is adjusted, so that the anode gas concentration in the buffer tank 56 becomes a predetermined concentration. Adjust.

スタック冷却装置６０は、冷却水循環通路６１と、冷却水循環ポンプ６２と、ラジエータ６３と、バイパス通路６４と、三方弁６５と、を備える。 The stack cooling device 60 includes a cooling water circulation passage 61, a cooling water circulation pump 62, a radiator 63, a bypass passage 64, and a three-way valve 65.

冷却水循環通路６１は、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却水が流れる通路であって、第１循環通路６１ａと第２循環通路６１ｂとを備える。第１循環通路６１ａは、一端が燃料電池スタック１０の冷却水出口孔４１ｂに接続され、他端がラジエータ６３に接続される通路であって、冷却水出口孔４１ｂから排出された相対的に高温な冷却水が流れる通路である。第２循環通路６１ｂは、一端がラジエータ６３に接続され、他端が燃料電池スタック１０の冷却水入口孔４１ａに接続される通路であって、ラジエータ６３で冷やされた相対的に低温な冷却水が流れる通路である。 The cooling water circulation passage 61 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 10 flows, and includes a first circulation passage 61a and a second circulation passage 61b. The first circulation passage 61a is a passage where one end is connected to the cooling water outlet hole 41b of the fuel cell stack 10 and the other end is connected to the radiator 63, and is relatively hot discharged from the cooling water outlet hole 41b. It is a passage through which the cooling water flows. The second circulation passage 61 b is a passage that has one end connected to the radiator 63 and the other end connected to the cooling water inlet hole 41 a of the fuel cell stack 10, and has relatively low-temperature cooling water cooled by the radiator 63. It is a passage that flows through.

冷却水循環ポンプ６２は、第２循環通路６１ｂに設けられて、冷却水を循環させる。 The cooling water circulation pump 62 is provided in the second circulation passage 61b and circulates the cooling water.

ラジエータ６３は、冷却水循環通路６１に設けられて、燃料電池スタック１０から排出された冷却水を冷却する。 The radiator 63 is provided in the cooling water circulation passage 61 and cools the cooling water discharged from the fuel cell stack 10.

バイパス通路６４は、ラジエータ６３をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が第１循環通路６１ａに接続され、他端が三方弁６５に接続される。 The bypass passage 64 has one end connected to the first circulation passage 61 a and the other end connected to the three-way valve 65 so that the coolant can be circulated by bypassing the radiator 63.

三方弁６５は、第２循環通路６１ｂに設けられる。三方弁６５は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１０から排出された冷却水が、ラジエータ６３を介して再び燃料電池スタック１０に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１０から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ６３を介さずにバイパス通路６４を流れて再び燃料電池スタック１０に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。 The three-way valve 65 is provided in the second circulation passage 61b. The three-way valve 65 switches the cooling water circulation path according to the temperature of the cooling water. Specifically, when the temperature of the cooling water is relatively high, the cooling water circulation path is such that the cooling water discharged from the fuel cell stack 10 is supplied again to the fuel cell stack 10 via the radiator 63. Switch. On the other hand, when the temperature of the cooling water is relatively low, the cooling water discharged from the cooling water discharged from the fuel cell stack 10 flows through the bypass passage 64 without passing through the radiator 63 and again returns to the fuel cell stack 10. The cooling water circulation path is switched so as to be supplied.

コントローラ７０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。 The controller 70 includes a microcomputer that includes a central processing unit (CPU), a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).

コントローラ７０には、前述した圧力センサ５４の他にも、燃料電池スタック１０の出力電流を検出する電流センサ７１や燃料電池スタック１０を冷却する冷却水の温度（以下「冷却水温」という。）を検出する温度センサ７２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ７３などの、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための信号が入力される。 In addition to the pressure sensor 54 described above, the controller 70 includes a current sensor 71 that detects an output current of the fuel cell stack 10 and a temperature of cooling water that cools the fuel cell stack 10 (hereinafter referred to as “cooling water temperature”). Signals for detecting the operating state of the fuel cell system 100 such as a temperature sensor 72 to detect and an accelerator stroke sensor 73 to detect the amount of depression of the accelerator pedal (hereinafter referred to as “accelerator operation amount”) are input.

コントローラ７０は、これらの入力信号に基づいて調圧弁５３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁５８の開度を調節してバッファタンク５６から排出するアノードオフガスの流量を調節し、バッファタンク５６内のアノードガス濃度を所定濃度に保つ。 The controller 70 periodically opens and closes the pressure regulating valve 53 based on these input signals, performs pulsation operation to periodically increase and decrease the anode pressure, and adjusts the opening degree of the purge valve 58 from the buffer tank 56. The flow rate of the anode off gas to be discharged is adjusted to keep the anode gas concentration in the buffer tank 56 at a predetermined concentration.

ここで、発明者らの鋭意研究の結果、特に本実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１００のように、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備えない燃料電池システムの場合、アノード側でフラッディングが発生しやすくなるという問題点があることがわかった。以下、この問題点について説明する。 Here, as a result of the diligent research by the inventors, particularly in the case of a fuel cell system that does not include a pump for pumping the anode gas to the fuel cell stack 10 like the anode gas non-circulating fuel cell system 100 according to the present embodiment. It has been found that there is a problem that flooding is likely to occur on the anode side. Hereinafter, this problem will be described.

アノードガス入口孔４２ａからアノードガス入口マニホールド２２ａを通ってガス流路２４に流れてきたアノードガスの一部は、電極反応によって消費される。残りの一部は、アノードオフガスとなってアノードガス出口マニホールド２２ｂを通り、アノードガス出口孔４２ｂからアノードガス排出通路５５に排出される。 A part of the anode gas that has flowed from the anode gas inlet hole 42a through the anode gas inlet manifold 22a to the gas flow path 24 is consumed by the electrode reaction. The remaining part becomes anode off gas, passes through the anode gas outlet manifold 22b, and is discharged from the anode gas outlet hole 42b to the anode gas discharge passage 55.

このとき、アノードガス出口マニホールド２２ｂは、燃料電池スタック１０の外周面の近傍に設けられているので、アノードガス出口マニホールド２２ｂを流れるアノードオフガスは、燃料電池スタック１０の外周面から周囲の空気への放熱によって温度が下がりやすい。そのため、アノードガス出口マニホールド２２ｂでは、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮して生成水になりやすい。 At this time, since the anode gas outlet manifold 22b is provided in the vicinity of the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10, the anode off-gas flowing through the anode gas outlet manifold 22b flows from the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 to the surrounding air. Temperature tends to decrease due to heat dissipation. Therefore, in the anode gas outlet manifold 22b, the water vapor in the anode off-gas tends to condense and become product water.

ここで、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備える燃料電池システム（例えばアノードガス循環型の燃料電池システム）の場合は、ポンプの回転速度を増大させることで、アノードガス出口マニホールド２２ｂで凝縮した生成水をアノードオフガスと共にアノードガス排出通路５５へと押し出して、燃料電池スタック１０の外部へと排出させることができる。 Here, in the case of a fuel cell system including a pump for pumping anode gas to the fuel cell stack 10 (for example, an anode gas circulation type fuel cell system), by increasing the rotational speed of the pump, the anode gas outlet manifold 22b The condensed product water can be pushed out together with the anode off gas to the anode gas discharge passage 55 and discharged to the outside of the fuel cell stack 10.

しかしながら、本実施形態のようにアノードガスを圧送するポンプを備えないアノードガス非循環型の燃料電池システム１００の場合は、アノードガス出口マニホールド２２ｂで凝縮した生成水を上記のような方法で燃料電池スタック１０の外部へと排出させることができない。そのため、アノードガス出口マニホールド２２ｂで水詰まりが発生しやすい。このような水詰まりはフラッディングの要因となり、アノードガス流路２４でのアノードガスの拡散を阻害し、電圧低下を生じさせることになる。 However, in the case of the anode gas non-circulation type fuel cell system 100 that does not include a pump for pumping the anode gas as in the present embodiment, the generated water condensed in the anode gas outlet manifold 22b is fuel cell by the above method. It cannot be discharged out of the stack 10. Therefore, water clogging is likely to occur at the anode gas outlet manifold 22b. Such clogging causes flooding, impedes the diffusion of the anode gas in the anode gas flow path 24, and causes a voltage drop.

そこで本実施形態では、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制するために、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面に電気ヒータ８１を取り付けることとした。 Therefore, in the present embodiment, the electric heater 81 is attached to the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 in the vicinity of the anode gas outlet manifold 22b in order to suppress the condensation of water vapor in the anode offgas at the anode gas outlet manifold 22b.

図５は、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面に電気ヒータ８１を取り付けた様子を示した図である。なお、図５では、理解を容易にするために、燃料電池スタック内部のアノードセパレータ２０の様子を破線で示した。 FIG. 5 is a view showing a state in which the electric heater 81 is attached to the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 in the vicinity of the anode gas outlet manifold 22b. In FIG. 5, the state of the anode separator 20 inside the fuel cell stack is shown by a broken line for easy understanding.

図５に示すように、本実施形態では、アクティブエリア２９よりも下流のアノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂを昇温させることができるように、燃料電池スタック１０の外周面に複数の電気ヒータ８１を取り付ける。具体的には、
アノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂの下方の燃料電池スタック１０の底面と、アノードガス出口マニホールド２２ｂの側方の燃料電池スタック１０の側面とに、単セル１の積層方向に沿って電気ヒータ８１を取り付ける。 As shown in FIG. 5, in the present embodiment, a plurality of outer peripheral surfaces of the fuel cell stack 10 are provided on the outer circumferential surface of the fuel cell stack 10 so that the temperature of the anode gas convergence region 28 and the anode gas outlet manifold 22b downstream from the active area 29 can be increased. An electric heater 81 is attached. In particular,
Electricity is provided along the stacking direction of the single cells 1 to the bottom surface of the fuel cell stack 10 below the anode gas converging region 28 and the anode gas outlet manifold 22b and to the side surface of the fuel cell stack 10 on the side of the anode gas outlet manifold 22b. A heater 81 is attached.

これにより、アクティブエリア２９よりも温度が低くなるアノードガス収束領域２８と、燃料電池スタック１０の外周面からの放熱により温度が低下するアノードガス出口マニホールド２２ｂと、を温度調整のしやすい電気ヒータ８１によって暖めることができる。よって、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができるので、アノード側でのフラッディングを抑制することができる。 Thus, the electric heater 81 that easily adjusts the temperature of the anode gas converging region 28 in which the temperature is lower than that of the active area 29 and the anode gas outlet manifold 22 b in which the temperature is reduced by heat radiation from the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10. Can be warmed by. Therefore, condensation of water vapor in the anode off-gas at the anode gas outlet manifold 22b can be suppressed, and flooding on the anode side can be suppressed.

また、本実施形態では、アノードセパレータ２０の一端側の重力方向上側にアノードガス入口マニホールド２２ａを形成し、他端側の重力方向下側にアノードガス出口マニホールド２２ｂを形成した。つまり、アノードガス出口マニホールド２２ｂをアノードガス入口マニホールド２２ａよりも相対的に下側に形成し、アノードガス収束領域２８に存在する生成水を重力によってアノードガス出口マニホールド２２ｂへと排出できるようにした。 In the present embodiment, the anode gas inlet manifold 22a is formed on the upper side in the gravity direction on one end side of the anode separator 20, and the anode gas outlet manifold 22b is formed on the lower side in the gravity direction on the other end side. That is, the anode gas outlet manifold 22b is formed relatively lower than the anode gas inlet manifold 22a, and the generated water existing in the anode gas converging region 28 can be discharged to the anode gas outlet manifold 22b by gravity.

これにより、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備える燃料電池システムに比べてアノード側での排水性が低下する本実施形態のようなアノードガス非循環型の燃料電池システム１００において、アノード側での排水性を向上させることができる。 As a result, in the anode gas non-circulation type fuel cell system 100 as in this embodiment in which drainage performance on the anode side is reduced as compared with a fuel cell system including a pump that pumps the anode gas to the fuel cell stack 10, the anode The drainage at the side can be improved.

また、燃料電池スタック内部でのアノードガスの流れ方向に対して、カソードガス及び冷却水の流れ方向を反対向きとしたので、アクティブエリア２９内の温度分布を均一にすることができる。これにより、アクティブエリア２９内の温度と冷却水温度との温度差を小さくすることができるので、温度差によって生じる水蒸気の凝縮を抑えることができる。 Further, since the cathode gas and the cooling water flow directions are opposite to the anode gas flow direction inside the fuel cell stack, the temperature distribution in the active area 29 can be made uniform. Thereby, since the temperature difference between the temperature in the active area 29 and the cooling water temperature can be reduced, condensation of water vapor caused by the temperature difference can be suppressed.

また、本実施形態では、図４に示すように、一対のエンドプレート４ａ，４ｂのそれぞれにアノードガス出口孔４２ｂを設けた。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the anode gas outlet hole 42b is provided in each of the pair of end plates 4a and 4b.

これにより、一対のエンドプレート４ａ，４ｂの一方にのみアノードガス出口孔４２ｂを設けた場合と比較して、アノードガス出口マニホールド２２ｂに流れ込んだアノードオフガスがアノードガス出口孔４２ｂまで到達するまでの距離を短くすることができる。そのため、アノードオフガスがアノードガス出口マニホールド２２ｂ内を流れている時間を短くすることができるので、アノードガス出口マニホールド２２ｂ内でのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮をより一層抑制することができる。 Thereby, compared with the case where the anode gas outlet hole 42b is provided only in one of the pair of end plates 4a and 4b, the distance until the anode off gas flowing into the anode gas outlet manifold 22b reaches the anode gas outlet hole 42b. Can be shortened. Therefore, since the time during which the anode off gas flows through the anode gas outlet manifold 22b can be shortened, the condensation of water vapor in the anode off gas in the anode gas outlet manifold 22b can be further suppressed.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、電力変換器８２の廃熱によって、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面を暖める点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 in the vicinity of the anode gas outlet manifold 22b is warmed by the waste heat of the power converter 82. Hereinafter, the difference will be mainly described. In each of the following embodiments, the same reference numerals are used for portions that perform the same functions as those of the first embodiment described above, and repeated description is appropriately omitted.

図６は、本実施形態によるアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面の昇温方法について説明する図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating a method for raising the temperature of the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 in the vicinity of the anode gas outlet manifold 22b according to the present embodiment.

図６に示すように、本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０の下に電力変換器８２を備える。電力変換器８２は、直流電力を交流電力に変換するインバータや、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇降圧させるコンバータなどをまとめたものである。 As shown in FIG. 6, the fuel cell system 100 according to the present embodiment includes a power converter 82 below the fuel cell stack 10. The power converter 82 is a collection of an inverter that converts direct current power into alternating current power, a converter that steps up and down the output voltage of the fuel cell stack 10, and the like.

本実施形態では、この電力変換器８２内に収められたインバータ及びコンバータを構成する発熱性の各電子部品（ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチやコンデンサ、リアクトルなど）８２１をアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍に配置させる。 In the present embodiment, each exothermic electronic component (semiconductor switch such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), capacitor, reactor, etc.) 821 constituting the inverter and converter housed in the power converter 82 is supplied to the anode gas outlet. It arrange | positions in the manifold 22b vicinity.

これにより、各電子部品８２１の廃熱によってアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面を暖めることができる。よって、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができるので、アノード側でのフラッディングを抑制することができる。また、昇温のための特別な部品を追加する必要がないので、システム全体のコスト増や大型化を抑制することができる。 Thereby, the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 in the vicinity of the anode gas outlet manifold 22b can be warmed by the waste heat of each electronic component 821. Therefore, condensation of water vapor in the anode off-gas at the anode gas outlet manifold 22b can be suppressed, and flooding on the anode side can be suppressed. In addition, since it is not necessary to add special parts for increasing the temperature, it is possible to suppress an increase in cost and size of the entire system.

また、本実施形態では、発熱性の各電子部品８２１の上方の空間を、熱伝導シート８２２で埋めることとした。これにより、各電子部品８２１の熱を効率的にアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍に伝達して、燃料電池スタック１０の外周面を暖めることができる。 In the present embodiment, the space above each heat-generating electronic component 821 is filled with the heat conductive sheet 822. Thereby, the heat of each electronic component 821 can be efficiently transmitted to the vicinity of the anode gas outlet manifold 22b, and the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 can be warmed.

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面にウォータジャケット６６を設ける点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that a water jacket 66 is provided on the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 in the vicinity of the anode gas outlet manifold 22b. Hereinafter, the difference will be mainly described.

図７は、本実施形態によるウォータジャケット６６を設けた燃料電池スタック１０の斜視図である。 FIG. 7 is a perspective view of the fuel cell stack 10 provided with the water jacket 66 according to the present embodiment.

本実施形態によるスタック冷却装置６０は、ウォータジャケット６６と、分岐通路６７と、をさらに備える。 The stack cooling device 60 according to the present embodiment further includes a water jacket 66 and a branch passage 67.

ウォータジャケット６６は、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面に取り付けられる。ウォータジャケット６６は、燃料電池スタック１０の形状にあわせてＬ字形をしており、燃料電池スタック１０の側面に接する側面部６６１と、燃料電池スタック１０の底面に接する底面部６６２と、を備える。 The water jacket 66 is attached to the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 in the vicinity of the anode gas outlet manifold 22b. The water jacket 66 is L-shaped in accordance with the shape of the fuel cell stack 10, and includes a side surface portion 661 that contacts the side surface of the fuel cell stack 10 and a bottom surface portion 662 that contacts the bottom surface of the fuel cell stack 10.

側面部６６１は、アノードガス出口マニホールド２２ｂの側方に取り付けられる。 The side surface portion 661 is attached to the side of the anode gas outlet manifold 22b.

底面部６６２は、アノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂの下方に取り付けられる。 The bottom surface portion 662 is attached below the anode gas convergence region 28 and the anode gas outlet manifold 22b.

分岐通路６７は、燃料電池スタック１０から排出された相対的に高温な冷却水が流れ通路であって、第１分岐通路６７ａと、第２分岐通路６７ｂと、を備える。 The branch passage 67 is a passage through which the relatively high-temperature coolant discharged from the fuel cell stack 10 flows, and includes a first branch passage 67a and a second branch passage 67b.

第１分岐通路６７ａは、一端がバイパス通路６４との分岐点６４ａよりも上流の第１循環通路６１ａに接続され、他端がウォータジャケット６６の側面部６６１の上面に接続される。 One end of the first branch passage 67 a is connected to the first circulation passage 61 a upstream from the branch point 64 a with the bypass passage 64, and the other end is connected to the upper surface of the side surface portion 661 of the water jacket 66.

第２分岐通路６６ｂは、一端がウォータジャケット６７の底面部６６２の左側面に接続され、他端が三方弁６５と冷却水ポンプ６２との間の第２循環通路６１ｂに接続される。 One end of the second branch passage 66 b is connected to the left side surface of the bottom surface portion 662 of the water jacket 67, and the other end is connected to the second circulation passage 61 b between the three-way valve 65 and the cooling water pump 62.

第１循環通路６１ａから分岐通路６７ａに流れ込んできた冷却水は、ウォータジャケット６６の側面部６６１の上面からウォータジャケット６６内に流れ込む。そして、ウォータジャケット６６の側面部６６１から底面部６６２を経由して、底面部６６２の左側面から第２分岐通路６７ｂへ排出される。 The cooling water flowing into the branch passage 67 a from the first circulation passage 61 a flows into the water jacket 66 from the upper surface of the side surface portion 661 of the water jacket 66. Then, the water jacket 66 is discharged from the left side surface of the bottom surface portion 662 to the second branch passage 67b via the side surface portion 661 and the bottom surface portion 662.

これにより、ウォータジャケット６６を流れる冷却水によって、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面を暖めることができる。よって、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができるので、アノード側でのフラッディングを抑制することができる。 Thereby, the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 in the vicinity of the anode gas outlet manifold 22 b can be warmed by the cooling water flowing through the water jacket 66. Therefore, condensation of water vapor in the anode off-gas at the anode gas outlet manifold 22b can be suppressed, and flooding on the anode side can be suppressed.

また、ウォータジャケット６６内の冷却水が、アノードガス出口マニホールド２２の側方及び下方を通ってからアノードガス収束領域２８の下方を通って流れるので、燃料電池スタック１０の外周面からの放熱の影響を受けやすいアノードガス出口マニホールド２２ｂを、最も高温な状態の冷却水で昇温させることができる。これにより、効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。 In addition, since the cooling water in the water jacket 66 flows through the side and the lower side of the anode gas outlet manifold 22 and then the lower side of the anode gas converging region 28, the influence of heat radiation from the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10. The anode gas outlet manifold 22b that is susceptible to heat can be heated with the cooling water in the hottest state. Thereby, condensation of water vapor in the anode off-gas at the anode gas outlet manifold 22b can be efficiently suppressed.

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.

例えば、上記の各実施形態では、アクティブエリア２９よりも下流のアノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂを昇温させていたが、アノードガス出口マニホールド２２ｂを集中的に昇温させることができるように、電気ヒータ８１や電力変換器８２内の各電子部品８２１、ウォータジャケット６６を配置しても良い。 For example, in each of the above embodiments, the temperature of the anode gas converging region 28 and the anode gas outlet manifold 22b downstream from the active area 29 is increased, but the temperature of the anode gas outlet manifold 22b can be increased intensively. As described above, the electric heater 81, the electronic components 821 in the power converter 82, and the water jacket 66 may be disposed.

これにより、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮しやすいアノードガス出口マニホールド２２ｂを集中的に昇温させることでき、アノードガス出口マニホールド２２ｂに熱源の熱量を集中的に投入することができる。したがって、効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。 As a result, the temperature of the anode gas outlet manifold 22b where water vapor in the anode off-gas is likely to condense can be increased intensively, and the amount of heat from the heat source can be concentrated into the anode gas outlet manifold 22b. Therefore, condensation of water vapor in the anode off-gas at the anode gas outlet manifold 22b can be efficiently suppressed.

また、上記第１及び第２実施形態では、アクティブエリア２９よりも下流のアノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂを均等に昇温させていたが、第３実施形態のようにアノードガスの流れ方向に沿って熱源の熱量が増加するように昇温させても良い。 In the first and second embodiments, the anode gas converging region 28 and the anode gas outlet manifold 22b downstream from the active area 29 are heated uniformly. However, as in the third embodiment, the anode gas concentration You may heat up so that the calorie | heat amount of a heat source may increase along a flow direction.

アノードガスの流れ方向に沿って熱源の熱量を増加させる場合、第１実施形態であれば、アノードガス出口マニホールド２２ｂの周りの燃料電池スタック１０の外周面に電気ヒータ８１を多く取り付ければ良い。第２実施形態であれば、アノードガス出口マニホールド２２ｂの下方に発熱性の各電子部品８２１を多く配置させれば良い。 In the case of increasing the amount of heat of the heat source along the flow direction of the anode gas, in the first embodiment, many electric heaters 81 may be attached to the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 around the anode gas outlet manifold 22b. In the second embodiment, a large number of heat-generating electronic components 821 may be disposed below the anode gas outlet manifold 22b.

これにより、アノードオフガス中の水蒸気の凝縮しやすさに応じた熱量を熱源からアノードガス出口マニホールド２２ｂ及びアノードガス収束領域２８に投入することができる。つまり、燃料電池スタック１０の外周面からの放熱の影響を受けやすいアノードガス出口マニホールド２２ｂに熱源の熱量を多く投入することができるので、より効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。 As a result, an amount of heat corresponding to the ease of condensation of water vapor in the anode off-gas can be input from the heat source to the anode gas outlet manifold 22b and the anode gas converging region 28. That is, since a large amount of heat from the heat source can be input to the anode gas outlet manifold 22b that is easily affected by heat radiation from the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10, the water vapor in the anode off-gas at the anode gas outlet manifold 22b can be more efficiently obtained. Condensation can be suppressed.

また、上記の各実施形態では、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備えない燃料電池システムとしてアノードガス非循環型の燃料電池システム１００を例に説明したが、これに限られるものではない。アノードガス循環型の燃料電池システムであっても、アノードガスを循環させるポンプを備えない燃料電池システムであれば良い。 In each of the above-described embodiments, the anode gas non-circulation type fuel cell system 100 has been described as an example of a fuel cell system that does not include a pump for pumping the anode gas to the fuel cell stack 10, but is not limited thereto. Absent. Even the anode gas circulation type fuel cell system may be any fuel cell system that does not include a pump for circulating the anode gas.

また、上記の各実施形態では、単セル１の積層方向に沿って、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面全体を覆うように電気ヒータ８１や電力変換器８２内の各電子部品８２１、ウォータジャケット６６を配置していたが、これに限られるものではない。 Further, in each of the above embodiments, the electrons in the electric heater 81 and the power converter 82 are covered along the stacking direction of the single cells 1 so as to cover the entire outer peripheral surface of the fuel cell stack 10 near the anode gas outlet manifold 22b. Although the component 821 and the water jacket 66 are disposed, the present invention is not limited to this.

例えば、図８に示すように、単セル１の積層方向の両端部のみを電気ヒータ８１等によって昇温させても良い。そしてこのとき、アノードガス出口孔４２ｂ側にいくほど、熱量が増加するようにしても良い。これにより、放熱の影響が最も大きいアノードガス出口孔４２ｂ近傍のアノードガス出口マニホールド２２ｂに熱源の熱量を多く投入することができるので、より効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。 For example, as shown in FIG. 8, only the both ends in the stacking direction of the single cells 1 may be heated by an electric heater 81 or the like. At this time, the amount of heat may be increased toward the anode gas outlet hole 42b. As a result, a large amount of heat from the heat source can be input to the anode gas outlet manifold 22b in the vicinity of the anode gas outlet hole 42b where the influence of heat dissipation is the greatest, so that the water vapor in the anode off-gas at the anode gas outlet manifold 22b can be more efficiently supplied. Condensation can be suppressed.

１０燃料電池スタック
２２ａアノードガス入口マニホールド
２２ｂアノードガス出口マニホールド
２９アクティブエリア
４２ｂアノードガス出口孔
６０スタック冷却装置（冷却装置）
６６ウォータジャケット（昇温部）
８１電気ヒータ（昇温部）
８２電力変換器（昇温部）
８２１電子部品（発熱性電子部品）
１００燃料電池システム DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell stack 22a Anode gas inlet manifold 22b Anode gas outlet manifold 29 Active area 42b Anode gas outlet hole 60 Stack cooling device (cooling device)
66 Water jacket (heating part)
81 Electric heater (heating part)
82 Power converter (heating unit)
821 Electronic components (heat-generating electronic components)
100 Fuel cell system

Claims

A fuel cell system for generating power by supplying an anode gas and a cathode gas to a fuel cell stack in which single cells are stacked,
The fuel cell stack is
Arranged so that the direction perpendicular to the stacking direction of the single cells is up and down in the direction of gravity,
An outlet manifold that extends in the stacking direction of the single cells and into which off-gas discharged from the fuel cell stack flows,
A fuel cell system comprising: a temperature raising portion that contacts a lower surface of the fuel cell stack in the direction of gravity .

As the off-gas before Symbol outlet manifold is heated by the heating unit, thereby placing the outlet manifold on the surface near the gravity direction lower side of the fuel cell stack,
The fuel cell system according to claim 1.

The fuel cell system is an anode gas non-circulating fuel cell system that does not include a pump for pumping the anode gas.
The outlet manifold is an anode gas outlet manifold into which anode off gas flows.
The fuel cell system according to claim 2.

The single cell includes an active area that generates heat due to an electrode reaction, and a gas convergence region that introduces an anode off gas that has passed through the active area into the anode gas outlet manifold.
The temperature raising portion is provided on the lower surface in the gravitational direction of the fuel cell stack, which is below the gas convergence region of the single cell and the anode gas outlet manifold.
The fuel cell system according to claim 3.

The temperature raising part is provided on the lower surface in the gravitational direction of the fuel cell stack so that the amount of input heat increases relatively along the flow direction of the anode gas orthogonal to the stacking direction of the single cells. ,
The fuel cell system according to claim 3 or 4, characterized by the above.

The temperature raising part is an electric heater,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein:

The temperature raising part is a heat-generating electronic component inside a power converter provided below the fuel cell stack.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein:

A cooling device for circulating cooling water for cooling the fuel cell stack;
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the temperature raising unit is a water jacket into which a relatively high-temperature cooling water that has cooled the fuel cell flows. system.

The fuel cell stack has a plurality of anode gas outlet holes for discharging anode off gas to the outside of the fuel cell stack through the anode gas outlet manifold.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein

A cooling device for circulating cooling water for cooling the fuel cell stack;
The flow direction of the cathode gas and cooling water in the fuel cell stack is opposite to the flow direction of the anode gas in the fuel cell stack.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9, wherein

The anode gas outlet manifold of the fuel cell stack is provided on the lower side in the gravity direction than the anode gas inlet manifold of the fuel cell stack.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, wherein

The temperature raising portion is provided at an end of the fuel cell stack in the single cell stacking direction.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11, wherein the fuel cell system is characterized in that