JP6335559B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成されるセルを複数積層して備える固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid polymer fuel cell including a plurality of cells each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an air electrode.

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜及びそれを両側から挟む燃料極と空気極とが湿潤することにより水素イオン伝導性が高められ、それによって発電が可能となる。そのため、燃料極に供給する燃料ガス及び空気極に供給する酸化剤ガスに水蒸気を混合するなど、加湿して運転させている。また、長期耐久性が求められる定置用途では、劣化抑制の観点から電池温度と、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点とがほぼ同一の飽和加湿条件での作動が一般的である。この条件では、低負荷運転時には電池温度が低下して結露水が発生し易くなるため、反応に必要なガスの流路閉塞を引き起こし、電池性能の低下や不安定化が生じることとなる。そのため、ガス流路内のガス流速を確保するといった余剰水分排出対策がなされてきた(特許文献1を参照)。   In the polymer electrolyte fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane and the fuel electrode and the air electrode sandwiching the polymer electrolyte membrane from both sides are wetted to increase the hydrogen ion conductivity, thereby enabling power generation. Therefore, the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidant gas supplied to the air electrode are operated with humidification such as mixing water vapor. In stationary applications where long-term durability is required, operation under saturated humidification conditions in which the cell temperature and the dew points of the fuel gas and the oxidant gas are substantially the same are generally used from the viewpoint of suppressing deterioration. Under these conditions, the battery temperature is lowered during the low-load operation, and condensation water is likely to be generated. Therefore, the gas flow path necessary for the reaction is blocked, and the battery performance is deteriorated or unstable. For this reason, countermeasures for excess water discharge such as ensuring the gas flow rate in the gas flow path have been made (see Patent Document 1).

一方、燃料ガス及び酸化剤ガスに対する加湿機能を簡略化もしくは削除することによって、コスト低減を図ることができる。そのため、飽和加湿条件でなくてもセルの劣化が抑制されるような開発が進められてきた(例えば、非特許文献1を参照)。
また、このような低加湿条件においては、発電による生成水を如何にセルの湿潤に効率よく利用できるかが発電性能を引き出す上で重要であり、セルの構成部材の最適化が進められている(例えば、非特許文献2を参照)。
On the other hand, cost can be reduced by simplifying or eliminating the humidification function for the fuel gas and the oxidant gas. For this reason, development that suppresses cell deterioration even under non-saturated humidification conditions has been advanced (see, for example, Non-Patent Document 1).
Also, under such low humidification conditions, how efficiently the water generated by power generation can be efficiently used for wetting the cell is important in drawing out power generation performance, and optimization of the components of the cell is underway. (For example, refer nonpatent literature 2).

特開2004−247289号公報JP 2004-247289 A

Eiji Endoh, ECS Transactions,16(2),1229,(2008)Eiji Endoh, ECS Transactions, 16 (2), 1229, (2008) 西川,中村,松山,柏,第15回燃料電池シンポジウム講演予稿集,123,(2008)Nishikawa, Nakamura, Matsuyama, Kaoru, Proc. Of 15th Fuel Cell Symposium, 123, (2008)

しかしながら、発電に伴う生成水を効率よく利用してセル内部の湿潤を保つ場合、運転する条件や環境の変化によりセル内部の湿潤状態が変わる可能性がある。そして、湿潤が足りなくなればセルの劣化は促進されるという問題が発生する。   However, when the generated water accompanying power generation is efficiently used to keep the inside of the cell wet, there is a possibility that the wet state inside the cell changes due to changes in operating conditions and environment. And if the dampness is insufficient, there arises a problem that the deterioration of the cell is promoted.

固体高分子形燃料電池に対する負荷が低下して、固体高分子形燃料電池の発電出力が低下すると、その固体高分子形燃料電池を構成する複数のセルの各セルにおけるセル電圧が上昇する。そして、このような固体高分子形燃料電池の低負荷状態が連続すると(即ち、各セルにおけるセル電圧が高い状態が連続すると)、生成水の量が少なく、湿潤不足によるセルの劣化が促進されやすい。また電圧によっては空気極を構成している例えばカーボンが腐食するという問題が発生する。
また、固体高分子形燃料電池に対する負荷が上昇して、固体高分子形燃料電池の発電出力が上昇すると、その固体高分子形燃料電池を構成する複数のセルの各セルにおけるセル電圧が低下する。そして、このような固体高分子形燃料電池の高負荷状態が連続して(即ち、各セルにおけるセル電圧が低い状態が連続して)、発電により発生する水が多い状態が連続すると、セル内のガス流路がその生成水によって閉塞されるフラッディングが発生するという問題がある。
When the load on the polymer electrolyte fuel cell decreases and the power generation output of the polymer electrolyte fuel cell decreases, the cell voltage in each cell of the plurality of cells constituting the polymer electrolyte fuel cell increases. When such a low-load state of the polymer electrolyte fuel cell continues (that is, when the cell voltage is high in each cell continuously), the amount of generated water is small and the deterioration of the cell due to insufficient wetting is promoted. Cheap. Further, depending on the voltage, there arises a problem that, for example, carbon constituting the air electrode is corroded.
Further, when the load on the polymer electrolyte fuel cell is increased and the power generation output of the polymer electrolyte fuel cell is increased, the cell voltage in each cell of the plurality of cells constituting the polymer electrolyte fuel cell is decreased. . If such a polymer electrolyte fuel cell is continuously in a high load state (that is, a state in which the cell voltage in each cell is low) and a state in which a large amount of water is generated by power generation continues, There is a problem in that flooding occurs in which the gas flow path is blocked by the generated water.

このように、固体高分子形燃料電池にとっての負荷の大きさが変化するのに伴って各セルのセル電圧が大きすぎる値或いは小さすぎる値になると、セルが故障する可能性があった。   As described above, if the cell voltage of each cell becomes too large or too small as the load on the polymer electrolyte fuel cell changes, the cell may fail.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルの故障を回避可能な固体高分子形燃料電池を提供する点にある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of avoiding cell failure.

上記目的を達成するための本発明に係る固体高分子形燃料電池の特徴構成は、固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成される膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に設けられ、燃料ガス流路を通して当該燃料極に燃料ガスを導入する燃料極セパレータと、前記膜電極接合体の前記空気極側に設けられ、酸化剤ガス流路を通して当該空気極に酸化剤ガスを導入する空気極セパレータとを有するセルを複数積層して形成されるセルスタックと、運転を制御する運転制御手段とを備える固体高分子形燃料電池であって、
複数の前記セルのセル電圧を測定する電圧検出手段を備え、
前記運転制御手段は、複数の前記セルのうち、前記電圧検出手段で測定される発電運転している前記セルのセル電圧が高くなるほど、発電運転させるセルの数を少なくする点にある。
In order to achieve the above object, the solid polymer fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a fuel electrode and an air electrode, and the membrane electrode assembly. A fuel electrode separator that introduces fuel gas into the fuel electrode through a fuel gas flow path, and a gas separator that is provided on the air electrode side of the membrane electrode assembly and that passes through the oxidant gas flow path. A polymer electrolyte fuel cell comprising a cell stack formed by laminating a plurality of cells each having an air electrode separator for introducing an oxidant gas into an electrode, and an operation control means for controlling operation,
Voltage detecting means for measuring a cell voltage of the plurality of cells,
The operation control means is such that, among the plurality of cells, the number of cells to be subjected to the power generation operation decreases as the cell voltage of the cell performing the power generation operation measured by the voltage detection means increases.

上記特徴構成によれば、電圧検出手段で測定される発電運転しているセルのセル電圧が高くなったとき(即ち、固体高分子形燃料電池に対する負荷が低下したとき)、発電運転させるセルの数が減少させられる。つまり、発電運転をすることになるセルにとっての負荷が大きくなり、その発電運転することになるセルのセル電圧は低くなる方向に変化する。その結果、生成水の量が少ないことによる湿潤不足によるセルの劣化いった問題の発生を抑制でき、セルの故障を回避できる。 With the above construction, can and the cell voltage of the cell where the power generating operation is determined by the voltage detecting means becomes higher (i.e., when the load on the polymer electrolyte fuel cell is decreased), the cell to be power generation operation The number is reduced. In other words, the load on the cell that is to perform the power generation operation increases, and the cell voltage of the cell that is to perform the power generation operation changes in a direction that decreases. As a result, the amount of produced water is small it is possible to suppress the generation of cell degradation and said problem by wetting shortage due avoids cell failure.

本発明に係る固体高分子形燃料電池の別の特徴構成は、前記運転制御手段は、複数の前記セルのうち、発電運転しているセルのセル電圧が所定の設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下であるか否かを判定する判定部と、前記判定部によって前記セル電圧が前記設定上限電圧より高いと判定されたとき、発電運転する前記セルの数を減少させる運転セル数減少処理を行い、前記判定部によって前記セル電圧が前記設定下限電圧より低いと判定されたとき、発電運転する前記セルの数を増加させる運転セル数増加処理を行い、前記判定部によって前記セル電圧が前記設定下限電圧以上且つ前記設定上限電圧以下であると判定されたとき、発電運転する前記セルの数を現状のまま維持する運転セル数維持処理を行う運転セル数調節部とを有する点にある。   Another characteristic configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is such that the operation control means is configured such that, among the plurality of cells, a cell voltage of a cell that is in a power generation operation is equal to or higher than a predetermined set lower limit voltage and a set upper limit voltage. A determination unit that determines whether or not the cell voltage is below, and when the determination unit determines that the cell voltage is higher than the set upper limit voltage, an operation cell number reduction process is performed to reduce the number of cells that perform power generation operation. When the determination unit determines that the cell voltage is lower than the set lower limit voltage, an operation cell number increase process is performed to increase the number of the cells that perform power generation operation, and the determination unit sets the cell voltage to the set lower limit voltage. An operation cell number adjusting unit that performs an operation cell number maintaining process for maintaining the number of cells that perform power generation operation as it is when it is determined that the voltage is not less than the voltage and not more than the set upper limit voltage. A.

上記特徴構成によれば、運転制御手段が有する判定部は、複数のセルのうち、発電運転しているセルのセル電圧が所定の設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下であるか否かを判定し、運転制御手段が有する運転セル数調節部は、判定部によってセル電圧が設定上限電圧より高いと判定されたとき上記運転セル数減少処理を行い、判定部によってセル電圧が設定下限電圧より低いと判定されたとき上記運転セル数増加処理を行い、判定部によってセル電圧が設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下であると判定されたとき上記運転セル数維持処理を行う。その結果、セル電圧が設定上限電圧より高いと判定されたときはセル電圧が低下して設定上限電圧以下になるようなセル数調節が行われ、セル電圧が設定下限電圧より低いと判定されたときにはセル電圧が高くなって設定下限電圧以上になるようなセル数調節が行われ、設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下であると判定されたときはセル電圧がそのまま設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下となるようにセル数の維持が行われる。このように、発電運転を行っているセルのセル電圧が設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下となるように固体高分子形燃料電池を運転させることができる。   According to the above characteristic configuration, the determination unit included in the operation control unit determines whether or not the cell voltage of the cell that is in the power generation operation among the plurality of cells is equal to or higher than the predetermined set lower limit voltage and lower than the set upper limit voltage. Then, the operation cell number adjustment unit included in the operation control means performs the operation cell number reduction process when the determination unit determines that the cell voltage is higher than the set upper limit voltage, and the determination unit sets the cell voltage lower than the set lower limit voltage. If it is determined that the cell voltage is greater than the set lower limit voltage and less than the set upper limit voltage, the operation cell number maintaining process is performed. As a result, when it is determined that the cell voltage is higher than the set upper limit voltage, the number of cells is adjusted so that the cell voltage decreases to be lower than the set upper limit voltage, and it is determined that the cell voltage is lower than the set lower limit voltage. Sometimes the cell number is adjusted so that the cell voltage becomes higher than the set lower limit voltage, and if it is determined that the cell voltage is higher than the set lower limit voltage and lower than the set upper limit voltage, the cell voltage remains as it is above the set lower limit voltage and higher The number of cells is maintained so as to be equal to or lower than the voltage. In this way, the polymer electrolyte fuel cell can be operated so that the cell voltage of the cell performing the power generation operation is not less than the set lower limit voltage and not more than the set upper limit voltage.

本発明に係る固体高分子形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記運転制御手段は、前記運転セル数増加処理を行うと共に、前記セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させ且つ前記セルスタックへ流入する前記酸化剤ガスに含まれる水分量を減少側へ変化させ、前記運転セル数減少処理を行うと共に、前記セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させ且つ前記セルスタックへ流入する前記酸化剤ガスに含まれる水分量を増加側へ変化させる点にある。   Still another characteristic configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is that the operation control means performs the process of increasing the number of operating cells and changes the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack to a low temperature side. And the amount of water contained in the oxidant gas flowing into the cell stack is changed to the decreasing side, the number of operating cells is reduced, and the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack is changed to the high temperature side. And the amount of water contained in the oxidant gas flowing into the cell stack is changed to the increasing side.

上記特徴構成によれば、運転セル数増加処理を行って固体高分子形燃料電池からの排熱量が増加したときにはセルスタックへの冷却水の流入温度を低温側へ変化させ、運転セル数減少処理を行って固体高分子形燃料電池からの排熱量が減少したときにはセルスタックへの冷却水の流入温度を高温側へ変化させる。つまり、セルスタックへの冷却水の流入温度を調節することで、固体高分子形燃料電池からの排熱量が増加してもセルスタックの温度が過剰に高くなることを防止でき、固体高分子形燃料電池からの排熱量が減少してもセルスタックの温度が過剰に低くなることを防止できる。   According to the above characteristic configuration, when the amount of exhaust heat from the polymer electrolyte fuel cell is increased by performing the process of increasing the number of operating cells, the temperature of cooling water flowing into the cell stack is changed to the low temperature side, and the process of decreasing the number of operating cells is performed. When the amount of exhaust heat from the polymer electrolyte fuel cell decreases, the inflow temperature of the cooling water to the cell stack is changed to the high temperature side. In other words, by adjusting the cooling water inflow temperature to the cell stack, the temperature of the cell stack can be prevented from becoming excessively high even if the amount of heat exhausted from the polymer electrolyte fuel cell increases. Even if the amount of heat exhausted from the fuel cell is reduced, the temperature of the cell stack can be prevented from becoming excessively low.

尚、セルスタックへの冷却水の流入温度を高くするとセルスタック内で液体として存在する水の量が相対的に減少し、セルスタックへの冷却水の流入温度を低くするとセルスタック内で液体として存在する水の量が相対的に増加する。特に、空気極側では発電反応により水が生成されるため、セルスタックへの冷却水の流入温度が低くなって液体の水として存在する水の量が増加すると、ガス流路が水で閉塞されるといった問題が起こり得る。
ところが本特徴構成では、運転セル数増加処理を行うと共に、セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させ且つセルスタックへ流入する酸化剤ガスに含まれる水分量を減少側へ変化させる。つまり、セルスタックへの冷却水の流入温度が低くなってセルスタック内で液体として存在する水の量が相対的に増加し得る状況になったとしても、空気極側では、酸化剤ガスに含まれる水分量が減少側へ変化させられているので、液体として存在することになる水の量が大幅に増加しないようにでき、ガス流路が水で閉塞されるといった問題の発生を抑制できる。また、運転セル数減少処理を行うと共に、セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させ且つセルスタックへ流入する酸化剤ガスに含まれる水分量を増加側へ変化させる。つまり、セルスタックへの冷却水の流入温度が高くなってセルスタック内で液体として存在する水の量が相対的に減少し得る状況になったとしても、空気極側では、酸化剤ガスに含まれる水分量が増加側へ変化させられているので、セルスタック内を湿潤した状態に保つことができる。
In addition, if the inflow temperature of the cooling water to the cell stack is increased, the amount of water existing as a liquid in the cell stack is relatively reduced, and if the inflow temperature of the cooling water to the cell stack is decreased, the amount of water in the cell stack is The amount of water present is relatively increased. In particular, since water is generated by the power generation reaction on the air electrode side, the gas flow path is blocked with water when the inflow temperature of the cooling water into the cell stack decreases and the amount of water present as liquid water increases. Problems can occur.
However, in this feature configuration, the number of operating cells is increased, the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack is changed to the low temperature side, and the amount of moisture contained in the oxidant gas flowing into the cell stack is changed to the decreasing side. Let In other words, even if the inflow temperature of the cooling water to the cell stack becomes low and the amount of water existing as a liquid in the cell stack can be relatively increased, it is included in the oxidant gas on the air electrode side. Since the amount of water to be reduced is changed to the decreasing side, the amount of water that will exist as a liquid can be prevented from greatly increasing, and the occurrence of problems such as the gas flow path being blocked with water can be suppressed. In addition, the number of operating cells is reduced, the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack is changed to the high temperature side, and the amount of moisture contained in the oxidant gas flowing into the cell stack is changed to the increase side. In other words, even if the inflow temperature of cooling water to the cell stack becomes high and the amount of water present as a liquid in the cell stack can be relatively reduced, it is included in the oxidant gas on the air electrode side. Since the amount of moisture to be increased is changed to the increasing side, the cell stack can be kept moist.

燃料電池システムの構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of a fuel cell system. セルスタックの構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of a cell stack. 燃料電池の制御機構を説明する図である。It is a figure explaining the control mechanism of a fuel cell. 第1実施形態での運転セル数を調節する手法の具体例を説明する図である。It is a figure explaining the specific example of the method of adjusting the number of operation cells in 1st Embodiment. 発電運転を行っているセルを流れる電流とそのセル電圧との関係を示すグラフ例である。It is a graph example which shows the relationship between the electric current which flows through the cell which is performing electric power generation operation, and the cell voltage. 出力電流とセル電圧との関係例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a relationship between output current and a cell voltage. 第2実施形態での運転セル数を調節する手法の具体例を説明する図である。It is a figure explaining the specific example of the method of adjusting the number of operation cells in 2nd Embodiment. セルの劣化の前後での、発電運転を行っているセルを流れる電流とそのセル電圧との関係を示すグラフ例である。It is a graph example which shows the relationship between the electric current which flows through the cell which is performing the electric power generation driving | operation, and the cell voltage before and after deterioration of a cell.

<第1実施形態>
以下に図面を参照して第1実施形態の固体高分子形燃料電池の構成について説明する。
図1は、燃料電池システムの構成を説明する図であり、図2は、セルスタックCSの構成を説明する模式図であり、図3は、固体高分子形燃料電池の制御機構を説明する図である。図示するように、この燃料電池システムは、発電ユニットU1と貯湯ユニットU2とを備える。尚、本願で示す図面では、本発明の理解を容易にするために、各部材の位置関係や大きさなどを本来の位置関係や大きさなどとは異なるように描いている箇所もある。
<First Embodiment>
The configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system, FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a cell stack CS, and FIG. 3 is a diagram illustrating a control mechanism of a polymer electrolyte fuel cell. It is. As shown in the figure, the fuel cell system includes a power generation unit U1 and a hot water storage unit U2. In the drawings shown in the present application, in order to facilitate understanding of the present invention, there are places where the positional relationship and size of each member are drawn differently from the original positional relationship and size.

発電ユニットU1は、熱と電気とを併せて発生する熱電併給装置としての固体高分子形燃料電池を有する。固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜10を燃料極11及び空気極12で挟んで構成される膜電極接合体40と、膜電極接合体40の燃料極11側に設けられ、燃料ガス流路13aを通してその燃料極11に燃料ガスを導入する燃料極セパレータ13と、膜電極接合体40の空気極12側に設けられ、酸化剤ガス流路14aを通してその空気極12に酸化剤ガスを導入する空気極セパレータ14とを有するセルCを複数積層して形成されるセルスタックCSとを備える。また、図3に示すように、固体高分子形燃料電池は、自身の運転を制御する運転制御手段36を備える。この運転制御システムは、燃料電池システムの運転を制御するように構成されている。   The power generation unit U1 has a polymer electrolyte fuel cell as a combined heat and power generation device that generates heat and electricity together. The polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly 40 configured by sandwiching a polymer electrolyte membrane 10 between a fuel electrode 11 and an air electrode 12, and a fuel electrode 11 side of the membrane electrode assembly 40. A fuel electrode separator 13 that introduces fuel gas into the fuel electrode 11 through the gas flow path 13a, and the air electrode 12 side of the membrane electrode assembly 40 are provided, and the oxidant gas is supplied to the air electrode 12 through the oxidant gas flow path 14a. And a cell stack CS formed by laminating a plurality of cells C each having an air electrode separator 14 for introducing air. Further, as shown in FIG. 3, the polymer electrolyte fuel cell includes an operation control means 36 for controlling its own operation. The operation control system is configured to control the operation of the fuel cell system.

本実施形態では、固体高分子形燃料電池には、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気(酸素)とが供給される。
燃料ガスとしての水素は、発電ユニットU1が備える改質器8が、炭化水素を含む原燃料を改質することで生成される。図1に示した例では、メタン(CH4)を主成分とする原燃料ガス(都市ガス等)が、原燃料ガス供給路6を介して改質器8に供給されて改質され、その結果として得られる水素を主成分とする燃料ガスが、燃料ガス供給路7を介してセルCに供給される。また、セルCには、酸化剤ガスとしての空気も、酸化剤ガス供給路1を介して供給される。
In the present embodiment, hydrogen as a fuel gas and air (oxygen) as an oxidant gas are supplied to the polymer electrolyte fuel cell.
Hydrogen as the fuel gas is generated when the reformer 8 provided in the power generation unit U1 reforms raw fuel containing hydrocarbons. In the example shown in FIG. 1, raw fuel gas (city gas or the like) mainly composed of methane (CH 4 ) is supplied to the reformer 8 through the raw fuel gas supply path 6 and reformed. The resulting fuel gas mainly composed of hydrogen is supplied to the cell C through the fuel gas supply path 7. In addition, air as an oxidant gas is also supplied to the cell C through the oxidant gas supply path 1.

燃料ガス供給路7の途中には燃料極側加湿器4が設けられ、セルCへ供給される燃料ガスの加湿が行われる。また、酸化剤ガス供給路1の途中には空気極側加湿器2が設けられ、セルCへ供給される酸化剤ガスの加湿が行われる。燃料極側加湿器4及び空気極側加湿器2については既存の様々な加湿器を利用できる。燃料極側加湿器4及び空気極側加湿器2の動作は運転制御手段36が制御する。具体的には、運転制御手段36が燃料極側加湿器4及び空気極側加湿器2の加湿部分での温度を制御することで、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を調節する。一例を挙げると、運転制御手段36が燃料極側加湿器4の加湿部分での温度を高くすると、燃料ガスに含まれる水分量を増加させる(即ち、燃料ガスの露点を高くする)ことができる。   A fuel electrode side humidifier 4 is provided in the middle of the fuel gas supply path 7 to humidify the fuel gas supplied to the cell C. An air electrode side humidifier 2 is provided in the middle of the oxidant gas supply path 1 to humidify the oxidant gas supplied to the cell C. Various existing humidifiers can be used for the fuel electrode side humidifier 4 and the air electrode side humidifier 2. The operation control means 36 controls the operations of the fuel electrode side humidifier 4 and the air electrode side humidifier 2. Specifically, the operation control means 36 adjusts the dew points of the fuel gas and the oxidant gas by controlling the temperatures at the humidified portions of the fuel electrode side humidifier 4 and the air electrode side humidifier 2. For example, when the operation control means 36 increases the temperature at the humidifying portion of the fuel electrode side humidifier 4, the amount of water contained in the fuel gas can be increased (that is, the dew point of the fuel gas is increased). .

加えて、燃焼器9には、セルCでの発電反応に用いられた後の燃料ガス(以下、「排燃料ガス」と記載することもある)が排燃料ガス路5を介して供給され、且つ、空気(酸素)が酸化剤ガス供給路1aを介して供給される。そして、燃焼器9で排燃料ガスが燃焼され、その燃焼熱が改質器8に伝達されることで、改質器8での改質反応が促進される。そして、燃焼器9から排出される排ガスと、セルCでの発電反応に用いられた後の空気とは、排ガス路3を介して発電ユニットU1の外部へと排出される。尚、図1では、排燃料ガスと空気とが予め混合された上で燃焼器9に供給される状態(排燃料ガス路5が酸化剤ガス供給路1aに連結された状態)を示しているが、排燃料ガスと空気とを別々に燃焼器9へ供給してもよい。   In addition, the fuel gas after being used for the power generation reaction in the cell C (hereinafter also referred to as “exhaust fuel gas”) is supplied to the combustor 9 via the exhaust fuel gas passage 5. In addition, air (oxygen) is supplied through the oxidant gas supply path 1a. Then, the exhaust fuel gas is combusted in the combustor 9 and the combustion heat is transmitted to the reformer 8, whereby the reforming reaction in the reformer 8 is promoted. Then, the exhaust gas discharged from the combustor 9 and the air after being used for the power generation reaction in the cell C are discharged to the outside of the power generation unit U1 through the exhaust gas path 3. FIG. 1 shows a state in which exhaust fuel gas and air are mixed in advance and then supplied to the combustor 9 (a state in which the exhaust fuel gas passage 5 is connected to the oxidant gas supply passage 1a). However, the exhaust fuel gas and air may be separately supplied to the combustor 9.

セルCでは、燃料極セパレータ13が膜電極接合体40の燃料極11側に設けられ、空気極セパレータ14が膜電極接合体40の空気極12側に設けられる。そして、燃料極セパレータ13に形成される燃料ガス流路13aを通して燃料極11に燃料ガスが導入され、空気極セパレータ14に形成される酸化剤ガス流路14aを通して空気極12に酸化剤ガスが導入される。図1に示した例では、一つのセルCは、一方の面に燃料ガスが流通する燃料ガス流路13aとなる燃料ガス用溝が形成される燃料極セパレータ13と、一方の面に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路14aとなる酸化剤ガス用溝が形成され且つ他方の面に冷却水が流通する冷却水用溝が形成される空気極セパレータ14と、膜電極接合体40とを用いて構成される。そして、一つのセルCにおいて、燃料ガス用溝が形成されている燃料極セパレータ13の一方の面を膜電極接合体40の燃料極11に相対させることで燃料ガスを燃料極11に導入し、及び、酸化剤ガス用溝が形成されている空気極セパレータ14の一方の面を膜電極接合体40の空気極12に相対させることで酸化剤ガスを空気極12に導入するように構成される。セルスタックCSにおいて、一方のセルCの冷却水用溝が形成されている空気極セパレータ14の他方の面を、他方のセルCの燃料ガス用溝が形成されていない燃料極セパレータ13の他方の面に相対させるようにして複数のセルCが順に積層される。   In the cell C, the fuel electrode separator 13 is provided on the fuel electrode 11 side of the membrane electrode assembly 40, and the air electrode separator 14 is provided on the air electrode 12 side of the membrane electrode assembly 40. Then, the fuel gas is introduced into the fuel electrode 11 through the fuel gas channel 13 a formed in the fuel electrode separator 13, and the oxidant gas is introduced into the air electrode 12 through the oxidant gas channel 14 a formed in the air electrode separator 14. Is done. In the example shown in FIG. 1, one cell C includes a fuel electrode separator 13 in which a fuel gas groove 13a serving as a fuel gas passage 13a through which fuel gas flows is formed on one surface, and an oxidant on one surface. An air electrode separator 14 in which an oxidant gas groove serving as an oxidant gas flow path 14a through which gas flows is formed and a cooling water groove through which cooling water flows is formed on the other surface; a membrane electrode assembly 40; It is configured using. Then, in one cell C, the fuel gas is introduced into the fuel electrode 11 by making one surface of the fuel electrode separator 13 in which the fuel gas groove is formed relative to the fuel electrode 11 of the membrane electrode assembly 40, The oxidant gas is introduced into the air electrode 12 by making one surface of the air electrode separator 14 in which the groove for the oxidant gas is formed facing the air electrode 12 of the membrane electrode assembly 40. . In the cell stack CS, the other surface of the air electrode separator 14 in which the cooling water groove of one cell C is formed is connected to the other surface of the fuel electrode separator 13 in which the groove for fuel gas of the other cell C is not formed. A plurality of cells C are sequentially stacked so as to face the surface.

セルCは、図2に示すY軸方向に順に積層される。そして、セルスタックCSは、セルCの積層方向に沿った上流側から下流側に向かって延びる(即ち、Y軸方向に沿って延びる)、セルスタックCSへ供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールド部15と、セルスタックCSへ供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給マニホールド部17と、セルスタックCSから排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出マニホールド部16と、セルスタックCSから排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出マニホールド部18とを備える。燃料ガス供給マニホールド部15には燃料ガス供給路7が接続され、それにより燃料ガスがセルスタックCSへ供給される。酸化剤ガス供給マニホールド部17には酸化剤ガス供給路1が接続され、それにより酸化剤ガスがセルスタックCSへ供給される。燃料ガス排出マニホールド部16には排燃料ガス路5が接続され、それにより、セルCでの発電反応に用いられた後の燃料ガス(排燃料ガス)がセルスタックCSから排出される。酸化剤ガス排出マニホールド部18には排ガス路3が接続され、セルCでの発電反応に用いられた後の酸化剤ガスがセルスタックCSから排出される。   The cell C is sequentially stacked in the Y-axis direction shown in FIG. The cell stack CS extends from the upstream side to the downstream side along the stacking direction of the cells C (that is, extends along the Y-axis direction), and the fuel gas supply through which the fuel gas supplied to the cell stack CS flows. Manifold part 15, oxidant gas supply manifold part 17 through which oxidant gas supplied to cell stack CS flows, fuel gas discharge manifold part 16 through which fuel gas discharged from cell stack CS flows, and exhaust from cell stack CS And an oxidant gas discharge manifold portion 18 through which the oxidant gas flows. A fuel gas supply path 7 is connected to the fuel gas supply manifold section 15, whereby fuel gas is supplied to the cell stack CS. The oxidant gas supply passage 1 is connected to the oxidant gas supply manifold section 17 so that the oxidant gas is supplied to the cell stack CS. The exhaust gas passage 5 is connected to the fuel gas discharge manifold section 16, whereby the fuel gas (exhaust fuel gas) after being used for the power generation reaction in the cell C is discharged from the cell stack CS. The exhaust gas passage 3 is connected to the oxidant gas discharge manifold portion 18 so that the oxidant gas after being used for the power generation reaction in the cell C is discharged from the cell stack CS.

各セルCの内部において、燃料ガス流路13aは、燃料ガス供給マニホールド部15と燃料ガス排出マニホールド部16との間を接続し、酸化剤ガス流路14aは、酸化剤ガス供給マニホールド部17と酸化剤ガス排出マニホールド部18との間を接続する。そして、燃料ガス供給マニホールド部15では、燃料ガスが、上流側から下流側へ向かって流れながら燃料ガス流路13aへ流入し、酸化剤ガス供給マニホールド部17では、酸化剤ガスが、上流側から下流側へ向かって流れながら酸化剤ガス流路14aへ流入する。図2に示す例では、図面の簡略化のため、セルCにおいて、燃料ガス流路13aがX軸方向に沿って直線形状に形成され、酸化剤ガス流路14aがZ軸方向に沿って直線形状に形成されているような模式図を描いているが、セルCの内部での燃料ガス流路13aの形状及び酸化剤ガス流路14aの形状は自在に設計できる。例えば、一つのセルCにおいて、燃料ガスが、X−Z平面内で蛇行しながら、全体としてX軸の正の方向に向かって流れるように、燃料ガス流路13aを形成することができる。また、一つのセルCにおいて、酸化剤ガスが、X−Z平面内で蛇行しながら、全体としてZ軸の正の方向に向かって流れるように、酸化剤ガス流路14aを形成することができる。また、図2に示す例では、冷却水についての説明は省略している。   Inside each cell C, the fuel gas flow path 13a connects between the fuel gas supply manifold section 15 and the fuel gas discharge manifold section 16, and the oxidant gas flow path 14a is connected to the oxidant gas supply manifold section 17. The oxidant gas discharge manifold portion 18 is connected. In the fuel gas supply manifold section 15, the fuel gas flows into the fuel gas flow path 13 a while flowing from the upstream side to the downstream side, and in the oxidant gas supply manifold section 17, the oxidant gas flows from the upstream side. It flows into the oxidant gas flow path 14a while flowing toward the downstream side. In the example shown in FIG. 2, in order to simplify the drawing, in the cell C, the fuel gas flow path 13a is formed in a straight line shape along the X-axis direction, and the oxidant gas flow path 14a is straight along the Z-axis direction. Although a schematic diagram is illustrated as being formed in a shape, the shape of the fuel gas flow path 13a and the shape of the oxidant gas flow path 14a inside the cell C can be freely designed. For example, in one cell C, the fuel gas flow path 13a can be formed so that the fuel gas flows in the positive direction of the X axis as a whole while meandering in the XZ plane. Further, in one cell C, the oxidant gas flow path 14a can be formed so that the oxidant gas flows in the positive direction of the Z axis as a whole while meandering in the XZ plane. . Further, in the example shown in FIG. 2, description of the cooling water is omitted.

上述した冷却水はセルCを冷却する役割を担うと共に、セルCから排熱を回収する役割も担っている。本実施形態では、冷却水は、冷却水循環路19を流れている。冷却水循環路19の途中には、上述したセルスタックCS内の冷却水流路20と、冷却水用熱交換器21と、冷却水用ポンプ22とが設けられており、冷却水用ポンプ22によって付勢された冷却水がセルスタックCS(冷却水流路20)と冷却水用熱交換器21とを順に流れながら循環するように構成されている。また、冷却水用熱交換器21には、貯湯ユニットU2が備える貯湯タンク25に貯えられている湯水が排熱回収路23を介して流入する。その結果、冷却水用熱交換器21では、冷却水循環路19を流れる冷却水と排熱回収路23を流れる湯水との間で熱交換が行われる。排熱回収路23での湯水の流量は、排熱回収路23の途中に設けられている排熱回収用ポンプ24の出力を制御することで調節される。冷却水用ポンプ22及び排熱回収用ポンプ24の動作は運転制御手段36が制御する。   The cooling water described above plays a role of cooling the cell C and also plays a role of recovering exhaust heat from the cell C. In the present embodiment, the cooling water flows through the cooling water circulation path 19. In the middle of the cooling water circulation path 19, the cooling water flow path 20 in the cell stack CS, the cooling water heat exchanger 21, and the cooling water pump 22 are provided. The energized cooling water is circulated while flowing through the cell stack CS (cooling water flow path 20) and the cooling water heat exchanger 21 in order. Moreover, the hot water stored in the hot water storage tank 25 provided in the hot water storage unit U <b> 2 flows into the cooling water heat exchanger 21 through the exhaust heat recovery path 23. As a result, in the cooling water heat exchanger 21, heat exchange is performed between the cooling water flowing through the cooling water circulation path 19 and the hot water flowing through the exhaust heat recovery path 23. The flow rate of hot water in the exhaust heat recovery path 23 is adjusted by controlling the output of the exhaust heat recovery pump 24 provided in the middle of the exhaust heat recovery path 23. The operation of the cooling water pump 22 and the exhaust heat recovery pump 24 is controlled by the operation control means 36.

貯湯ユニットU2に設けられる貯湯タンク25では、上部に相対的に高温の湯水が貯えられ、下部に相対的に低温の湯水が貯えられる。具体的には、排熱回収路23は、貯湯タンク25の下部と貯湯タンク25の上部とを接続するように設けられ、その間に上記冷却水用熱交換器21が設けられる。その結果、貯湯タンク25の下部に貯留されている相対的に低温の湯水が、排熱回収路23を通って冷却水用熱交換器21に至って昇温され、その昇温された相対的に高温の湯水が貯湯タンク25の上部に帰還して流入する。   In the hot water storage tank 25 provided in the hot water storage unit U2, hot water at a relatively high temperature is stored in the upper part, and hot water at a relatively low temperature is stored in the lower part. Specifically, the exhaust heat recovery path 23 is provided so as to connect the lower part of the hot water storage tank 25 and the upper part of the hot water storage tank 25, and the cooling water heat exchanger 21 is provided therebetween. As a result, the relatively low temperature hot water stored in the lower part of the hot water storage tank 25 is heated up to the cooling water heat exchanger 21 through the exhaust heat recovery path 23, and the heated temperature is relatively increased. Hot hot water returns to the upper part of the hot water storage tank 25 and flows in.

貯湯タンク25の上部には給湯路27が接続され、台所や風呂などの給湯用途に湯水が供給される。また、貯湯タンク25の下部には給水路26が接続され、貯湯タンク25への湯水の補充が行われる。   A hot water supply passage 27 is connected to the upper part of the hot water storage tank 25 to supply hot water for hot water supply such as a kitchen or a bath. In addition, a water supply path 26 is connected to the lower part of the hot water storage tank 25 so that hot water is replenished to the hot water storage tank 25.

次に、固体高分子形燃料電池の運転制御について説明する。以下に詳細に説明するように、運転制御手段36は、複数のセルCのうち、発電運転しているセルCのセル電圧に応じて、発電運転させるセルCの数を変更する運転制御を行う。   Next, operation control of the polymer electrolyte fuel cell will be described. As will be described in detail below, the operation control unit 36 performs operation control to change the number of cells C to be in power generation operation according to the cell voltage of the cell C that is performing power generation operation among the plurality of cells C. .

固体高分子形燃料電池は、複数のセルCと電力出力回路部32との間の電気的な接続状態をセルC毎に選択的に切り替える接続状態切替部31と、燃料ガス供給マニホールド部15から燃料ガス流路13aへの燃料ガスの流入状態及び酸化剤ガス供給マニホールド部17から酸化剤ガス流路14aへの酸化剤ガスの流入状態を調節するガス流入状態調節部35とを備える。ここで、電力出力回路部32は、電力負荷部による負荷電力に対応した電力を出力するように動作する。   The polymer electrolyte fuel cell includes a connection state switching unit 31 that selectively switches an electrical connection state between the plurality of cells C and the power output circuit unit 32 for each cell C, and a fuel gas supply manifold unit 15. A gas inflow state adjusting unit for adjusting an inflow state of the fuel gas to the fuel gas passage and the inflow state of the oxidant gas from the oxidant gas supply manifold unit to the oxidant gas passage; Here, the power output circuit unit 32 operates to output power corresponding to the load power by the power load unit.

接続状態切替部31は、複数のリレー回路30を用いて構成される。各リレー回路30は、セルスタックCSを構成する一つのセルCの燃料極11と空気極12とを接続している。全てのリレー回路30が切断状態に切り換えられているとき、それらのリレー回路30には電流が流れないため、互いに直列接続されている全てのセルCの出力電流が電力出力回路部32に流れることになる。これに対して、特定のセルCの燃料極11と空気極12とを接続しているリレー回路30が接続状態に切り替えられると、そのリレー回路30には電流が流れる、即ち、対応するセルCをバイパスして電流が流れることになる。尚、発電運転するセルCの数が変化すれば、セルスタックCSでの発電反応において必要となる燃料ガスの量及び酸化剤ガスの量も変化するが、セルスタックCSへ供給される燃料ガスの流量を流量制御器38を用いて制御し、酸化剤ガスの流量を流量制御器39を用いて制御することができる。リレー回路30及び電力出力回路部32の動作は運転制御手段36が制御する。流量制御器38及び流量制御器39の動作は運転制御手段36が制御する。
また、各セルCの出力電圧であるセル電圧を測定する電圧計29が設けられている。これら複数の電圧計29によって電圧検出手段29Aが構成されている。
The connection state switching unit 31 is configured using a plurality of relay circuits 30. Each relay circuit 30 connects the fuel electrode 11 and the air electrode 12 of one cell C constituting the cell stack CS. When all the relay circuits 30 are switched to the disconnected state, no current flows through the relay circuits 30, so that the output currents of all the cells C connected in series flow to the power output circuit unit 32. become. On the other hand, when the relay circuit 30 that connects the fuel electrode 11 and the air electrode 12 of a specific cell C is switched to the connected state, a current flows through the relay circuit 30, that is, the corresponding cell C Will bypass the current. If the number of cells C in power generation operation changes, the amount of fuel gas and the amount of oxidant gas required for the power generation reaction in the cell stack CS also change, but the amount of fuel gas supplied to the cell stack CS The flow rate can be controlled using the flow rate controller 38, and the flow rate of the oxidant gas can be controlled using the flow rate controller 39. The operation of the relay circuit 30 and the power output circuit unit 32 is controlled by the operation control means 36. The operation of the flow controller 38 and the flow controller 39 is controlled by the operation control means 36.
Further, a voltmeter 29 for measuring a cell voltage that is an output voltage of each cell C is provided. The plurality of voltmeters 29 constitute voltage detection means 29A.

本実施形態では、ガス流入状態調節部35は、図2に例示する仕切板33と、その仕切板33の位置を制御する仕切板制御部34とで構成される。仕切板33は、側部33aとしての4面の板状部材と、底部33bとしての一面の板状部材とを備え、その矩形の底部33bの各辺に側部33aが垂直に装着された形状となっている。燃料ガス供給マニホールド部15及び酸化剤ガス供給マニホールド部17でのガスの流れる方向を順方向とした場合、仕切板33は下流側から上流側に向かって装着された状態で、セルCの積層方向(図2のY軸方向)に沿って平行移動可能に構成されている。そして、4つある各側部33aは、セルCの積層方向の下流側から上流側に向かって、マニホールドとセルCとの間に挿入可能である。4つある各側部33aは、燃料ガス供給マニホールド部15とセルスタックCSとの間、酸化剤ガス供給マニホールド部17とセルスタックCSとの間、燃料ガス排出マニホールド部16とセルスタックCSとの間、酸化剤ガス排出マニホールド部18とセルスタックCSとの間に挿入可能である。そして、マニホールドとセルスタックCSとの間に仕切板33の側部33aが挿入されると、その仕切板33の側部33aが挿入されている部分では、マニホールドからセルCの燃料ガス流路13a及び酸化剤ガス流路14aへのガスの流入が遮断される。つまり、仕切板33をセルCの積層方向に沿って平行移動させることで、燃料ガス供給マニホールド部15から燃料ガス流路13aへの燃料ガスの流入状態及び酸化剤ガス供給マニホールド部17から酸化剤ガス流路14aへの酸化剤ガスの流入状態を調節することができる。尚、本実施形態の仕切板33の構成では各側部33aは一体となって移動するため、仕切板33を移動させることによる、マニホールドからセルCの燃料ガス流路13a及び酸化剤ガス流路14aへのガスの流入の遮断タイミング及び開始タイミングは同じになる。ガス流入状態調節部35の動作は運転制御手段36が制御する。   In the present embodiment, the gas inflow state adjusting unit 35 includes a partition plate 33 illustrated in FIG. 2 and a partition plate control unit 34 that controls the position of the partition plate 33. The partition plate 33 includes four plate-like members as the side portions 33a and one plate-like member as the bottom portion 33b, and the side portions 33a are vertically attached to the sides of the rectangular bottom portion 33b. It has become. When the gas flow direction in the fuel gas supply manifold section 15 and the oxidant gas supply manifold section 17 is a forward direction, the partition plate 33 is mounted from the downstream side to the upstream side, and the stacking direction of the cells C It is configured to be capable of translation along (the Y-axis direction in FIG. 2). Each of the four side portions 33a can be inserted between the manifold and the cell C from the downstream side in the stacking direction of the cells C toward the upstream side. The four side portions 33a are provided between the fuel gas supply manifold portion 15 and the cell stack CS, between the oxidant gas supply manifold portion 17 and the cell stack CS, and between the fuel gas discharge manifold portion 16 and the cell stack CS. In the meantime, it can be inserted between the oxidant gas discharge manifold 18 and the cell stack CS. When the side portion 33a of the partition plate 33 is inserted between the manifold and the cell stack CS, the fuel gas flow path 13a of the cell C from the manifold is inserted in the portion where the side portion 33a of the partition plate 33 is inserted. And the inflow of gas to the oxidant gas flow path 14a is blocked. That is, by moving the partition plate 33 in parallel along the stacking direction of the cells C, the inflow state of the fuel gas from the fuel gas supply manifold portion 15 to the fuel gas flow path 13a and the oxidant gas supply manifold portion 17 The inflow state of the oxidant gas to the gas flow path 14a can be adjusted. In the configuration of the partition plate 33 of the present embodiment, the side portions 33a move as a unit. Therefore, by moving the partition plate 33, the fuel gas channel 13a and the oxidant gas channel of the cell C from the manifold are moved. The shutoff timing and start timing of the gas inflow to 14a are the same. The operation of the gas inflow state adjusting unit 35 is controlled by the operation control means 36.

図4は、運転セル数を調節する手法の具体例を説明する図である。尚、図4に示すようなセルスタックCSに対する仕切板33の動きは、燃料ガス及び酸化剤ガスの双方に共通する。そのため、図4中では、酸化剤ガスに関する部材の参照番号を括弧書きで付している。図示するように、仕切板33をY軸の負の方向に移動させると(即ち、仕切板33を図4(a)に示す状態から図4(b)に示す状態に移動させると)、燃料ガスが流入するセルCの数及び酸化剤ガスが流入するセルCの数が減少し、それに伴って発電運転可能なセルCの数が減少する。これに対して、仕切板33をY軸の正の方向に移動させると(即ち、仕切板33を図4(b)に示す状態から図4(a)に示す状態に移動させると)、燃料ガスが流入するセルCの数及び酸化剤ガスが流入するセルCの数が増加し、それに伴って発電運転可能なセルCの数が増加する。   FIG. 4 is a diagram illustrating a specific example of a method for adjusting the number of operating cells. The movement of the partition plate 33 with respect to the cell stack CS as shown in FIG. 4 is common to both the fuel gas and the oxidant gas. Therefore, in FIG. 4, the reference numbers of the members relating to the oxidant gas are given in parentheses. As shown in the figure, when the partition plate 33 is moved in the negative direction of the Y-axis (that is, when the partition plate 33 is moved from the state shown in FIG. 4A to the state shown in FIG. 4B), the fuel The number of cells C into which the gas flows in and the number of cells C into which the oxidant gas flows in decrease, and accordingly, the number of cells C that can perform power generation operation decreases. On the other hand, when the partition plate 33 is moved in the positive direction of the Y axis (that is, when the partition plate 33 is moved from the state shown in FIG. 4B to the state shown in FIG. 4A), the fuel The number of cells C into which gas flows in and the number of cells C into which oxidant gas flows in increase, and accordingly, the number of cells C that can perform power generation operation increases.

図5は、発電運転を行っているセルCを流れる電流とそのセル電圧との関係を示すグラフ例である。図示するように、セルスタックCSの負荷が小さくなると(即ち、発電運転を行っているセルCを流れる電流が小さくなると)、セル電圧が高くなる。この生成水量が少ない状態で長時間連続して運転することは、セルCを劣化させる要因になるため好ましくない。このような場合、発電運転を行っているセルCの数を減少させれば、同等の出力を得るためにその発電運転を行うセルCを流れる電流が相対的に増加するため、それらのセルCのセル電圧も低下することになる。
逆に、セルスタックCSの負荷が大きくなると(即ち、発電運転を行っているセルCを流れる電流が大きくなると)、セル電圧が低くなる。このような場合、発電運転を行っているセルCの数を増加させれば、その発電運転を行うセルCを流れる電流が相対的に減少するため、それらのセルCのセル電圧も増大することになる。
FIG. 5 is a graph example showing the relationship between the current flowing through the cell C performing the power generation operation and the cell voltage. As shown in the figure, when the load of the cell stack CS is reduced (that is, when the current flowing through the cell C performing the power generation operation is reduced), the cell voltage is increased. It is not preferable to continuously operate for a long time in a state where the amount of generated water is small because it causes deterioration of the cell C. In such a case, if the number of the cells C performing the power generation operation is decreased, the current flowing through the cells C performing the power generation operation is relatively increased in order to obtain an equivalent output. The cell voltage also decreases.
Conversely, when the load on the cell stack CS increases (that is, when the current flowing through the cell C performing power generation increases), the cell voltage decreases. In such a case, if the number of cells C performing power generation operation is increased, the current flowing through the cells C performing power generation operation is relatively decreased, so that the cell voltage of those cells C also increases. become.

そこで、本実施形態では、運転制御手段36は、複数のセルCのうち、発電運転しているセルCのセル電圧が所定の設定下限電圧VL1以上且つ設定上限電圧VH1以下であるか否かを判定する判定部36aと、判定部36aによってセル電圧が設定上限電圧VH1より高い(即ち、セルスタックCSの負荷が減少した)と判定されたとき、発電運転するセルCの数を減少させる運転セル数減少処理を行い、判定部36aによってセル電圧が設定下限電圧VL1より低い(即ち、セルスタックCSの負荷が増大した)と判定されたとき、発電運転するセルCの数を増加させる運転セル数増加処理を行い、判定部36aによってセル電圧が設定下限電圧VL1以上且つ設定上限電圧VH1以下であると判定されたとき、発電運転するセルCの数を現状のまま維持する運転セル数維持処理を行う運転セル数調節部36bとを有する。ここで、「セル電圧」とは、発電運転を行っているセルCのセル電圧の平均値、発電運転を行っているセルCのセル電圧のうちの最大値又は最小値など、適宜設定できる。また、運転制御手段36、取り扱う情報を記憶する記憶部36cも有する。 Therefore, in the present embodiment, the operation control means 36 determines whether or not the cell voltage of the cell C that is in the power generation operation among the plurality of cells C is equal to or higher than a predetermined set lower limit voltage V L1 and lower than a set upper limit voltage V H1. When the determination unit 36a and the determination unit 36a determine that the cell voltage is higher than the set upper limit voltage V H1 (that is, the load on the cell stack CS has decreased), the number of cells C that perform power generation operation is decreased. When the determination unit 36a determines that the cell voltage is lower than the set lower limit voltage V L1 (that is, the load on the cell stack CS has increased), the number of cells C that perform power generation operation is increased. performed the number of operating cells increased processing for, when the cell voltage by the determination unit 36a is determined to set the lower limit voltage is V L1 or more and less than the set upper limit voltage V H1, while the number of cells C to the power generation operation of the current And a number of operating cells regulating portion 36b which performs the operation cell number of sustain process of lifting. Here, the “cell voltage” can be set as appropriate, such as the average value of the cell voltages of the cell C performing the power generation operation, the maximum value or the minimum value of the cell voltages of the cell C performing the power generation operation. Moreover, it has the memory | storage part 36c which memorize | stores the operation control means 36 and the information to handle.

そして、運転制御手段36の運転セル数調節部36bは、運転セル数増加処理として、発電運転を行っていないセルCのうちの上流側にあるセルCから順に、燃料ガス供給マニホールド部15から燃料ガス流路13aへの燃料ガスの流入及び酸化剤ガス供給マニホールド部17から酸化剤ガス流路14aへの酸化剤ガスの流入を開始させるようにガス流入状態調節部35の動作を制御すると共に、発電運転させるセルCが電力出力回路部32に対して接続されるように接続状態切替部31の動作を制御し、及び、運転セル数減少処理として、発電運転を行っているセルCのうちの下流側にあるセルCから順に、燃料ガス供給マニホールド部15から燃料ガス流路13aへの燃料ガスの流入及び酸化剤ガス供給マニホールド部17から酸化剤ガス流路14aへの酸化剤ガスの流入を停止させるようにガス流入状態調節部35の動作を制御すると共に、発電運転させるセルCが電力出力回路部32に対して接続されるように接続状態切替部31の動作を制御する。   Then, the operation cell number adjustment unit 36b of the operation control means 36 performs the fuel cell supply from the fuel gas supply manifold unit 15 in order from the cell C on the upstream side of the cells C that are not performing the power generation operation as the operation cell number increase process. The operation of the gas inflow state adjusting unit 35 is controlled so as to start the inflow of the fuel gas into the gas channel 13a and the inflow of the oxidant gas from the oxidant gas supply manifold unit 17 to the oxidant gas channel 14a. The operation of the connection state switching unit 31 is controlled so that the cell C to be generated and operated is connected to the power output circuit unit 32, and among the cells C that are performing the generation operation as the operation cell number reduction process In order from the cell C on the downstream side, inflow of fuel gas from the fuel gas supply manifold section 15 to the fuel gas flow path 13a and from the oxidant gas supply manifold section 17 to the oxidant gas The operation of the gas inflow state adjusting unit 35 is controlled so as to stop the inflow of the oxidant gas into the flow path 14a, and the connection state is switched so that the cell C to be operated for power generation is connected to the power output circuit unit 32. The operation of the unit 31 is controlled.

図6に示すのは、セル電圧、運転セル数、出力電力(図6では「出力」と記す)、冷却水温度、反応ガスの露点、出力電流(図6では「電流」と記す)の時間的な推移を示すグラフ例である。図6に示すように、運転セル数調節部36bは、時刻t1及び時刻t2において、判定部36aによってセル電圧が設定上限電圧VH1より高いと判定されたとき、発電運転するセルCの数を減少させる運転セル数減少処理を行っている。この運転セル数減少処理が行われることで、時刻t1の後、及び、時刻t2の後では、セル電圧が低下している。
また、運転セル数調節部36bは、時刻t3及び時刻t4において、判定部36aによってセル電圧が設定下限電圧VL1より低いと判定されたとき、発電運転するセルCの数を増加させる運転セル数増加処理を行っている。この運転セル数増加処理が行われることで、時刻t3の後、及び、時刻t4の後では、セル電圧が増大している。
FIG. 6 shows the cell voltage, the number of operating cells, the output power (referred to as “output” in FIG. 6), the coolant temperature, the dew point of the reaction gas, and the output current (referred to as “current” in FIG. 6). It is an example of a graph which shows a typical transition. As shown in FIG. 6, the operating cell number adjustment unit 36b determines the number of cells C that are in power generation operation when the determination unit 36a determines that the cell voltage is higher than the set upper limit voltage V H1 at time t1 and time t2. The number of operation cells to be reduced is being reduced. By performing the operation cell number reduction process, the cell voltage decreases after time t1 and after time t2.
In addition, when the determination unit 36a determines that the cell voltage is lower than the set lower limit voltage V L1 at the time t3 and the time t4, the operation cell number adjustment unit 36b increases the number of the operation cells C to increase the number of the cells C that perform the power generation operation. Increase processing is performed. By performing the operation cell number increasing process, the cell voltage increases after time t3 and after time t4.

運転セル数を増加させるときに何個のセルCの発電運転数を増加させるのか、及び、運転セル数を減少させるときに何個のセルCの発電運転数を減少させるのかは適宜設定可能である。例えば、1個ずつ増加及び減少させるような設定も可能であり、複数個ずつ増加及び減少させるような設定も可能である。
或いは、目標とする(即ち、発電運転させる)運転セル数を、現在の運転セル数を参照して、以下の数式1に従って決定してもよい。但し、以下の数式1において、目標とする運転セル数は、1以上且つ最大運転セル数以下の整数値である。また、出力電力は、電力出力回路部32での出力電力であり、運転制御手段36はその出力電力の値を電力出力回路部32から取得しているものとする。
It is possible to appropriately set how many cells C the power generation operation number is increased when the number of operation cells is increased and how many cells C the power generation operation number is decreased when the operation cell number is decreased. is there. For example, a setting for increasing and decreasing by one is possible, and a setting for increasing and decreasing by plural is also possible.
Alternatively, the target number of operating cells (that is, the power generation operation) may be determined according to the following Equation 1 with reference to the current number of operating cells. However, in the following formula 1, the target number of operation cells is an integer value of 1 or more and the maximum number of operation cells or less. The output power is output power at the power output circuit unit 32, and the operation control means 36 acquires the value of the output power from the power output circuit unit 32.

〔数式1〕
目標とする運転セル数=現在の運転セル数×(設定上限電圧より高くなったとき又は設定下限電圧より低くなったときの出力電力/現在の運転セル数を設定したときの出力電力)
[Formula 1]
Target number of operating cells = Current number of operating cells x (Output power when set upper limit voltage or lower than set lower limit voltage / Output power when setting the current number of operating cells)

尚、運転セル数が増大すると、セルスタックCS全体で見ると排熱量が増大し、冷却水循環路19を流れてセルスタックCSに流入してくる冷却水の温度が高くなることになる。そこで、本実施形態では、運転制御手段36は、運転セル数増加処理を行うと共に、セルスタックCSへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させる。具体的には、運転制御手段36は、排熱回収用ポンプ24の流量を増加側へ変更することで、冷却水循環路19を流れる冷却水の温度を低下側へ変化させ、セルスタックCSへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させることができる。このとき、運転制御手段36は、冷却水循環路19の途中に設けられる温度計28の測定結果を参照して、セルスタックCSへ流入する冷却水の流入温度についての情報を取得することができる。
これに対して、運転セル数が減少すると、セルスタックCS全体で見ると排熱量が低下し、排熱回収した湯水の温度が低下することになる。そこで、本実施形態では、運転制御手段36は、運転セル数減少処理を行うと共に、セルスタックCSへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させる。具体的には、運転制御手段36は、排熱回収用ポンプ24の流量を減少側へ変更することで、セルスタックCSへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させると共に排熱回収した湯水の温度を上昇させる。
If the number of operating cells increases, the amount of exhaust heat increases as viewed in the entire cell stack CS, and the temperature of the cooling water flowing through the cooling water circulation path 19 and flowing into the cell stack CS increases. Therefore, in the present embodiment, the operation control unit 36 performs an operation cell number increase process and changes the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack CS to the low temperature side. Specifically, the operation control unit 36 changes the flow rate of the exhaust heat recovery pump 24 to the increasing side, thereby changing the temperature of the cooling water flowing through the cooling water circulation path 19 to the decreasing side and flowing into the cell stack CS. The cooling water inflow temperature can be changed to the low temperature side. At this time, the operation control means 36 can obtain information on the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack CS with reference to the measurement result of the thermometer 28 provided in the middle of the cooling water circulation path 19.
On the other hand, when the number of operating cells decreases, the amount of exhaust heat decreases as viewed in the entire cell stack CS, and the temperature of the hot water recovered by exhaust heat decreases. Therefore, in the present embodiment, the operation control means 36 performs the operation cell number reduction process and changes the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack CS to the high temperature side. Specifically, the operation control means 36 changes the flow rate of the exhaust heat recovery pump 24 to the decreasing side, thereby changing the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack CS to the high temperature side and recovering the exhaust heat. Increase the temperature of hot water.

また、セルスタックCSへの冷却水の流入温度を高くするとセルスタックCS内で液体として存在する水の量が相対的に減少し、セルスタックCSへの冷却水の流入温度を低くするとセルスタックCS内で液体として存在する水の量が相対的に増加する。特に、空気極12側では発電反応により水が生成されるため、セルスタックCSへの冷却水の流入温度が低くなって液体の水として存在する水の量が増加すると、ガス流路が水で閉塞されるといった問題が起こり得る。そこで、本実施形態では、運転制御手段36は、運転セル数増加処理を行うと共に、上述したようにセルスタックCSへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させ且つセルスタックCSへ流入する酸化剤ガスに含まれる水分量を空気極側加湿器2を用いて減少側へ変化させる。つまり、セルスタックCSへの冷却水の流入温度が低くなってセルスタックCS内で液体として存在する水の量が相対的に増加し得る状況になったとしても、空気極12側では、酸化剤ガスに含まれる水分量が減少側へ変化させられているので、液体として存在することになる水の量が大幅に増加しないようにでき、ガス流路が水で閉塞されるといった問題の発生を抑制できる。同様に、運転制御手段36は、運転セル数減少処理を行うと共に、上述したようにセルスタックCSへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させ且つセルスタックCSへ流入する酸化剤ガスに含まれる水分量を空気極側加湿器2を用いて増加側へ変化させる。つまり、セルスタックCSへの冷却水の流入温度が高くなってセルスタックCS内で液体として存在する水の量が相対的に減少し得る状況になったとしても、空気極12側では、酸化剤ガスに含まれる水分量が増加側へ変化させられているので、セルスタックCS内を湿潤した状態に保つことができる。   Further, when the inflow temperature of the cooling water to the cell stack CS is increased, the amount of water existing as a liquid in the cell stack CS is relatively reduced, and when the inflow temperature of the cooling water to the cell stack CS is decreased, the cell stack CS The amount of water present as a liquid in the inside increases relatively. In particular, since water is generated by the power generation reaction on the air electrode 12 side, if the inflow temperature of the cooling water to the cell stack CS is lowered and the amount of water existing as liquid water is increased, the gas flow path is water. Problems such as blockage can occur. Therefore, in the present embodiment, the operation control means 36 performs the operation cell number increasing process, changes the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack CS to the low temperature side as described above, and flows into the cell stack CS. The amount of water contained in the oxidant gas is changed to the decreasing side using the air electrode side humidifier 2. That is, even if the inflow temperature of the cooling water into the cell stack CS is lowered and the amount of water existing as a liquid in the cell stack CS can be relatively increased, the oxidant is present on the air electrode 12 side. Since the amount of water contained in the gas has been changed to the decreasing side, the amount of water that will exist as a liquid can be prevented from increasing significantly, and problems such as the gas flow path being blocked by water can be prevented. Can be suppressed. Similarly, the operation control means 36 performs a process for reducing the number of operating cells, changes the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack CS to the high temperature side as described above, and changes the oxidizing gas into the cell stack CS. The amount of water contained is changed to the increase side using the air electrode side humidifier 2. In other words, even when the temperature of the cooling water flowing into the cell stack CS becomes high and the amount of water existing as a liquid in the cell stack CS can be relatively reduced, the oxidant is present on the air electrode 12 side. Since the amount of water contained in the gas is changed to the increasing side, the inside of the cell stack CS can be kept wet.

<第2実施形態>
第2実施形態の固体高分子形燃料電池は、ガス流入状態調節部35の構成が上記実施形態と異なっている。以下に第2実施形態の固体高分子形燃料電池の構成について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
Second Embodiment
The polymer electrolyte fuel cell of the second embodiment is different from the above embodiment in the configuration of the gas inflow state adjusting unit 35. Although the structure of the polymer electrolyte fuel cell of 2nd Embodiment is demonstrated below, description is abbreviate | omitted about the structure similar to the said embodiment.

図7は、運転セル数を調節する手法の具体例を説明する図である。図示するように、第2実施形態では、ガス流入状態調節部35が有する仕切板37は、燃料ガス供給マニホールド部15並びに酸化剤ガス供給マニホールド部17の内部でガスの流通を許容及び遮断する複数の板状部材で構成される。また、上述した仕切板制御部34は、各仕切板37の姿勢をモータ等の駆動機構(図示せず)を用いて切り替えることができる。仕切板制御部34からの制御によって、各仕切板37は、下流側へのガスの流通を許容するガス流通許容状態と、下流側へのガスの流通を遮断するガス流通遮断状態との何れかの姿勢に切り換えられる。   FIG. 7 is a diagram illustrating a specific example of a method for adjusting the number of operating cells. As shown in the drawing, in the second embodiment, the partition plate 37 included in the gas inflow state adjusting unit 35 allows and blocks the flow of gas inside the fuel gas supply manifold unit 15 and the oxidant gas supply manifold unit 17. It is comprised with the plate-shaped member. Moreover, the partition plate control part 34 mentioned above can switch the attitude | position of each partition plate 37 using drive mechanisms (not shown), such as a motor. By the control from the partition plate control unit 34, each partition plate 37 is either in a gas flow allowance state allowing the gas flow to the downstream side or a gas flow cut-off state blocking the gas flow to the downstream side. Can be switched to

ガス流通許容状態は、仕切板37の面方向が、燃料ガス供給マニホールド部15並びに酸化剤ガス供給マニホールド部17におけるガスの流通方向と平行になっている状態である。この状態では、燃料ガス供給マニホールド部15並びに酸化剤ガス供給マニホールド部17の内部において、ガスは仕切板37に阻害されることなく仕切板37の面方向に沿って流れることができる。
これに対して、ガス流通遮断状態は、仕切板37の面方向が、燃料ガス供給マニホールド部15並びに酸化剤ガス供給マニホールド部17におけるガスの流通方向と直交している状態である。この状態では、燃料ガス供給マニホールド部15並びに酸化剤ガス供給マニホールド部17の内部において、ガスの流れは仕切板37に阻害され、その仕切板37よりも下流側へはガスが流れなくなる(即ち、仕切板37によって下流側へのガスの流通が遮断される)。
The gas flow allowable state is a state where the surface direction of the partition plate 37 is parallel to the gas flow direction in the fuel gas supply manifold portion 15 and the oxidant gas supply manifold portion 17. In this state, the gas can flow along the surface direction of the partition plate 37 without being obstructed by the partition plate 37 inside the fuel gas supply manifold portion 15 and the oxidant gas supply manifold portion 17.
On the other hand, the gas flow cut-off state is a state in which the surface direction of the partition plate 37 is orthogonal to the gas flow direction in the fuel gas supply manifold portion 15 and the oxidant gas supply manifold portion 17. In this state, in the fuel gas supply manifold portion 15 and the oxidant gas supply manifold portion 17, the gas flow is blocked by the partition plate 37, and the gas does not flow downstream from the partition plate 37 (that is, The flow of gas downstream is blocked by the partition plate 37).

以上のようにして、運転制御手段36の運転セル数調節部36bは、運転セル数増加処理として、発電運転を行っていないセルCのうちの上流側にあるセルCから順に、燃料ガス供給マニホールド部15から燃料ガス流路13aへの燃料ガスの流入及び酸化剤ガス供給マニホールド部17から酸化剤ガス流路14aへの酸化剤ガスの流入を開始させるようにガス流入状態調節部35の動作を制御すると共に、発電運転させるセルCが電力出力回路部32に対して接続されるように接続状態切替部31の動作を制御し、及び、運転セル数減少処理として、発電運転を行っているセルCのうちの下流側にあるセルCから順に、燃料ガス供給マニホールド部15から燃料ガス流路13aへの燃料ガスの流入及び酸化剤ガス供給マニホールド部17から酸化剤ガス流路14aへの酸化剤ガスの流入を停止させるようにガス流入状態調節部35の動作を制御すると共に、発電運転させるセルCが電力出力回路部32に対して接続されるように接続状態切替部31の動作を制御する。   As described above, the operation cell number adjusting unit 36b of the operation control means 36 performs the fuel gas supply manifold in order from the cell C on the upstream side of the cells C not performing the power generation operation as the operation cell number increasing process. The operation of the gas inflow state adjusting unit 35 is started so as to start the inflow of the fuel gas from the unit 15 to the fuel gas channel 13a and the inflow of the oxidant gas from the oxidant gas supply manifold unit 17 to the oxidant gas channel 14a. Controlling the operation of the connection state switching unit 31 so that the cell C to be operated for power generation is connected to the power output circuit unit 32, and performing the power generation operation as the operation cell number reduction process In order from the cell C on the downstream side of C, the inflow of fuel gas from the fuel gas supply manifold section 15 to the fuel gas flow path 13a and the oxidizing gas supply manifold section 17 The operation of the gas inflow state adjusting unit 35 is controlled so as to stop the inflow of the oxidant gas to the oxidant gas flow path 14a, and the cell C for generating operation is connected to the power output circuit unit 32. The operation of the connection state switching unit 31 is controlled.

本実施形態において、燃料ガス供給マニホールド部15の内部に設けられる仕切板37と、酸化剤ガス供給マニホールド部17の内部に設けられる仕切板37とは同じタイミングで動作させてもよく、或いは、別々のタイミングで動作させてもよい。   In the present embodiment, the partition plate 37 provided in the fuel gas supply manifold portion 15 and the partition plate 37 provided in the oxidant gas supply manifold portion 17 may be operated at the same timing or separately. You may operate at the timing.

<別実施形態>
<1>
上記実施形態において、燃料電池システムの構成は適宜変更可能である。
例えば、図1に示した発電ユニットU1に変成器や一酸化炭素除去器などを追加で設けてもよい。即ち、図1に示した例では、改質器8で生成された改質ガス(水素を主成分とするガス)が固体高分子形燃料電池のセルCに供給される例を示したが、変成器を用いてその改質ガス中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、更に一酸化炭素除去器を用いてその変成処理を施した後の改質ガスに残存している一酸化炭素を除去した上でセルCに供給するような変更を行ってもよい。
他にも、図1等に示した各ガスの流路の構成、冷却水の流路の構成、湯水の流路の構成なども適宜変更可能である。
<Another embodiment>
<1>
In the above embodiment, the configuration of the fuel cell system can be changed as appropriate.
For example, a transformer, a carbon monoxide remover, or the like may be additionally provided in the power generation unit U1 shown in FIG. That is, in the example shown in FIG. 1, the example in which the reformed gas (gas containing hydrogen as a main component) generated by the reformer 8 is supplied to the cell C of the polymer electrolyte fuel cell is shown. The carbon monoxide contained in the reformed gas is transformed into carbon dioxide using a transformer, and the monoxide remaining in the reformed gas after the transformation treatment is performed using a carbon monoxide remover. You may change so that it may supply to the cell C, after removing carbon.
In addition, the configuration of each gas channel, the configuration of the cooling water channel, the configuration of the hot water channel, and the like shown in FIG.

<2>
上記実施形態において、図5に例示した設定下限電圧VL1及び設定上限電圧VH1はセルCの劣化状態に応じて変更してもよい。これは、発電運転を行っているセルを流れる電流とそのセル電圧との関係を示すI−V曲線がセルCの劣化により低電圧側(図では下方向)にシフトするため、それ合わせて設定下限電圧VL1及び設定上限電圧VH1もシフトさせる必要があるからである。
<2>
In the above embodiment, the set lower limit voltage V L1 and the set upper limit voltage V H1 illustrated in FIG. 5 may be changed according to the deterioration state of the cell C. This is because the IV curve indicating the relationship between the current flowing through the cell performing the power generation operation and the cell voltage shifts to the low voltage side (downward in the figure) due to the deterioration of the cell C, and is set accordingly. This is because it is also necessary to shift the lower limit voltage V L1 and the set upper limit voltage V H1 .

図8は、セルの劣化の前後での、発電運転を行っているセルを流れる電流とそのセル電圧との関係を示すグラフ例である。このようなI−V曲線は、固体高分子形燃料電池の起動時の出力電力上昇途中や停止時の出力電力低下途中、或いは、その他、最低出力電力から最大出力電力又は最大出力電力から最低出力電力へ一度に出力変更した際に取得できる。ここで、設定下限電圧VL2及び設定上限電圧VH2は、シフト前後の出力電力(W=V×I)が等しくなる電圧とする。即ち、運転制御手段36は、以下の数式2の関係から、セルCの劣化状態に応じて変更した後の設定下限電圧VL2及び設定上限電圧VH2を導出できる。 FIG. 8 is a graph example showing the relationship between the current flowing through the cell performing the power generation operation and the cell voltage before and after the deterioration of the cell. Such an IV curve indicates that the output power is increasing at the start of the polymer electrolyte fuel cell, the output power is decreasing at the time of stopping, or otherwise, the minimum output power to the maximum output power or the maximum output power to the minimum output. It can be acquired when the output is changed to power at once. Here, the set lower limit voltage V L2 and the set upper limit voltage V H2 are voltages at which the output power before and after the shift (W = V × I) becomes equal. That is, the operation control means 36 can derive the set lower limit voltage V L2 and the set upper limit voltage V H2 after changing according to the deterioration state of the cell C from the relationship of the following formula 2.

〔数式2〕
H1×IH1=VH2×IH2
L1×IL1=VL2×IL2
[Formula 2]
V H1 × I H1 = V H2 × I H2
V L1 × I L1 = V L2 × I L2

<3>
上記第1実施形態では、各側部33aを有する仕切板33が一体となって移動する例を説明したが、各側部33aが別々に移動可能に構成してもよい。具体的には、燃料ガス側の側部33a(燃料ガス供給マニホールド部15とセルスタックCSとの間に挿入される側部33a、燃料ガス排出マニホールド部16とセルスタックCSとの間に挿入される側部33a)とを一体に構成し、酸化剤ガス側の側部33a(酸化剤ガス供給マニホールド部17とセルスタックCSとの間に挿入される側部33a、酸化剤ガス排出マニホールド部18とセルスタックCSとの間に挿入される側部33a)とを一体に構成する。そして、燃料ガス側の仕切板33(側部33a)と、酸化剤ガス側の仕切板33(側部33a)とを別体に構成して、運転制御手段36がそれぞれの移動を別々に制御できるようにする。例えば、運転制御手段36が、マニホールドからセルCの燃料ガス流路13a及び酸化剤ガス流路14aへのガスの流入を遮断するとき、先ずは酸化剤ガス側の仕切板33(側部33a)の動作を制御して酸化剤ガス流路14aへのガスの流入を遮断し、その後、燃料ガス側の仕切板33(側部33a)の動作を制御して燃料ガス流路13aへのガスの流入を遮断するような処理を行うこともできる。
<3>
In the said 1st Embodiment, although the partition plate 33 which has each side part 33a demonstrated the example which moves integrally, you may comprise each side part 33a so that a movement is possible separately. Specifically, the fuel gas side portion 33a (the side portion 33a inserted between the fuel gas supply manifold portion 15 and the cell stack CS, the fuel gas discharge manifold portion 16 and the cell stack CS is inserted). And the side portion 33a on the oxidant gas side (the side portion 33a inserted between the oxidant gas supply manifold portion 17 and the cell stack CS, and the oxidant gas discharge manifold portion 18). And the side portion 33a) inserted between the cell stack CS and the cell stack CS. The fuel gas side partition plate 33 (side portion 33a) and the oxidant gas side partition plate 33 (side portion 33a) are configured separately, and the operation control means 36 controls each movement separately. It can be so. For example, when the operation control means 36 shuts off the inflow of gas from the manifold to the fuel gas flow path 13a and the oxidant gas flow path 14a of the cell C, first, the oxidant gas side partition plate 33 (side portion 33a). To control the operation of the partition plate 33 (side portion 33a) on the fuel gas side to control the gas flow into the fuel gas channel 13a. It is also possible to perform a process that blocks the inflow.

<4>
上記実施形態において、発電運転を行っていないセルCには、冷却水を流してもよいし或いは流さなくてもよい。
<4>
In the above embodiment, the cooling water may or may not flow through the cell C that is not performing the power generation operation.

本発明は、セルの故障を回避可能な固体高分子形燃料電池に利用できる。   The present invention can be used for a polymer electrolyte fuel cell capable of avoiding cell failure.

10 固体高分子電解質膜
11 燃料極
12 空気極
13 燃料極セパレータ
13a 燃料ガス流路
14 空気極セパレータ
14a 酸化剤ガス流路
36 運転制御手段
36a 判定部
36b 運転セル数調節部
40 膜電極接合体
C セル
CS セルスタック
VH1 設定上限電圧
VH2 設定上限電圧
VL1 設定下限電圧
VL2 設定下限電圧
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solid polymer electrolyte membrane 11 Fuel electrode 12 Air electrode 13 Fuel electrode separator 13a Fuel gas flow path 14 Air electrode separator 14a Oxidant gas flow path 36 Operation control means 36a Determination part 36b Operation cell number adjustment part 40 Membrane electrode assembly C Cell CS Cell stack VH1 Setting upper limit voltage VH2 Setting upper limit voltage VL1 Setting lower limit voltage VL2 Setting lower limit voltage

Claims (3)

固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成される膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に設けられ、燃料ガス流路を通して当該燃料極に燃料ガスを導入する燃料極セパレータと、前記膜電極接合体の前記空気極側に設けられ、酸化剤ガス流路を通して当該空気極に酸化剤ガスを導入する空気極セパレータとを有するセルを複数積層して形成されるセルスタックと、運転を制御する運転制御手段とを備える固体高分子形燃料電池であって、
複数の前記セルのセル電圧を測定する電圧検出手段を備え、
前記運転制御手段は、複数の前記セルのうち、前記電圧検出手段で測定される発電運転している前記セルのセル電圧が高くなるほど、発電運転させるセルの数を少なくする固体高分子形燃料電池。
A membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a fuel gas introduced into the fuel electrode through a fuel gas flow path provided on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly A plurality of cells having a fuel electrode separator and an air electrode separator that is provided on the air electrode side of the membrane electrode assembly and introduces an oxidant gas into the air electrode through an oxidant gas flow path. A polymer electrolyte fuel cell comprising a cell stack and an operation control means for controlling operation,
Voltage detecting means for measuring a cell voltage of the plurality of cells,
The operation control means is a polymer electrolyte fuel cell that reduces the number of cells to be operated for power generation as the cell voltage of the cells that are performing the power generation operation measured by the voltage detection means among the plurality of cells increases. .
前記運転制御手段は、
複数の前記セルのうち、発電運転しているセルのセル電圧が所定の設定下限電圧以上且つ設定上限電圧以下であるか否かを判定する判定部と、
前記判定部によって前記セル電圧が前記設定上限電圧より高いと判定されたとき、発電運転する前記セルの数を減少させる運転セル数減少処理を行い、前記判定部によって前記セル電圧が前記設定下限電圧より低いと判定されたとき、発電運転する前記セルの数を増加させる運転セル数増加処理を行い、前記判定部によって前記セル電圧が前記設定下限電圧以上且つ前記設定上限電圧以下であると判定されたとき、発電運転する前記セルの数を現状のまま維持する運転セル数維持処理を行う運転セル数調節部とを有する請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。
The operation control means includes
A determination unit that determines whether or not the cell voltage of a cell that is in a power generation operation among the plurality of cells is equal to or higher than a predetermined set lower limit voltage and lower than or equal to a set upper limit voltage;
When the determination unit determines that the cell voltage is higher than the set upper limit voltage, an operation cell number reduction process is performed to reduce the number of the cells that perform power generation operation, and the cell voltage is set to the set lower limit voltage by the determination unit. When it is determined that the voltage is lower, the number of operating cells is increased to increase the number of the cells that are in power generation operation, and the determination unit determines that the cell voltage is equal to or higher than the set lower limit voltage and lower than the set upper limit voltage. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, further comprising an operation cell number adjusting unit that performs an operation cell number maintaining process for maintaining the number of the cells that perform power generation operation as they are.
前記運転制御手段は、
前記運転セル数増加処理を行うと共に、前記セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を低温側へ変化させ且つ前記セルスタックへ流入する前記酸化剤ガスに含まれる水分量を減少側へ変化させ、
前記運転セル数減少処理を行うと共に、前記セルスタックへ流入する冷却水の流入温度を高温側へ変化させ且つ前記セルスタックへ流入する前記酸化剤ガスに含まれる水分量を増加側へ変化させる請求項2に記載の固体高分子形燃料電池。
The operation control means includes
While performing the process of increasing the number of operating cells, changing the inflow temperature of the cooling water flowing into the cell stack to a low temperature side, and changing the amount of water contained in the oxidant gas flowing into the cell stack to the decreasing side,
A process for reducing the number of operating cells, changing an inflow temperature of cooling water flowing into the cell stack to a high temperature side, and changing an amount of water contained in the oxidant gas flowing into the cell stack to an increase side. Item 3. The polymer electrolyte fuel cell according to Item 2.
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