JPH09312165A - Fuel cell generating device and operating method thereof - Google Patents

Fuel cell generating device and operating method thereof

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JPH09312165A
JPH09312165A JP8150506A JP15050696A JPH09312165A JP H09312165 A JPH09312165 A JP H09312165A JP 8150506 A JP8150506 A JP 8150506A JP 15050696 A JP15050696 A JP 15050696A JP H09312165 A JPH09312165 A JP H09312165A
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JP
Japan
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temperature
stack
fuel cell
air
manifold
Prior art date
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Pending
Application number
JP8150506A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masataka Ueno
正隆 上野
Yutaka Nakajima
裕 中島
Koichi Shiraishi
剛一 白石
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Equos Research Co Ltd
Original Assignee
Equos Research Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Equos Research Co Ltd filed Critical Equos Research Co Ltd
Priority to JP8150506A priority Critical patent/JPH09312165A/en
Publication of JPH09312165A publication Critical patent/JPH09312165A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To maintain the output constant by monitoring the stack temperature of a high molecular solid electrolyte fuel cell and the air manifold temperature, and while controlling these temperature so that a temperature difference between them exists in the predetermined range. SOLUTION: Stack temperature Ts measured by a stack temperature sensor 1 and air manifold temperature Tm measured by an air manifold sensor 2 are input to a CPU 3. The CPU 3 compares the stack temperature Ts with the air manifold temperature Tm, and on the basis of a result of this comparison, the CPU 3 selectively controls operation of a temperature adjusting means such as a blower fan 4 for leading the air to an air supplying manifold, a cooling means 5 for cooling a stack, a heating means 6 for heating an air supplying manifold, and a heating means 7 for heating an air discharge manifold.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池発電装置、
特に高分子固体電解質型燃料電池を用いた発電装置およ
びその運転方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell power generator,
In particular, the present invention relates to a power generator using a polymer electrolyte fuel cell and an operating method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】高分子固体電解質型燃料電池においては
電解質としてイオン導電膜が用いられ、該燃料電池の燃
料極にて得られる水素イオンをプロトンの形態で電解質
膜中を空気極側に伝達することにより起電力が得られる
ものであるが、安定した高出力を得るためには、この電
解質膜を常に最適な水分を均一に含んだ状態に保持して
おくことが重要である。
2. Description of the Related Art In a solid polymer electrolyte fuel cell, an ion conductive film is used as an electrolyte, and hydrogen ions obtained at the fuel electrode of the fuel cell are transferred to the air electrode side in the electrolyte film in the form of protons. Although an electromotive force can be obtained by this, in order to obtain a stable high output, it is important to always keep this electrolyte membrane in an optimally water-containing state.

【0003】このために、従来は、燃料ガス(水素)ま
たは酸化剤ガス(空気または酸素)をバブリング装置等
の加湿器を用いて加湿し、この加湿されたガスを電解質
膜に通すことによって電解質膜を加湿する方法が一般に
採用されている。
Therefore, conventionally, fuel gas (hydrogen) or oxidant gas (air or oxygen) is humidified by using a humidifier such as a bubbling device, and the humidified gas is passed through an electrolyte membrane to form an electrolyte. The method of humidifying the membrane is generally adopted.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池スタックの運転中においては、スタック内部の温度T
s(スタックを代表する温度として、たとえばスタック
のほぼ中央セルに設置した温度センサにより検知する)
がスタック外部の温度すなわちガスマニホールド内部の
温度Tm(たとえば酸化剤ガス排出側または供給側マニ
ホールドの少なくとも一方に設置した温度センサにより
検知する)よりも高くなる、すなわちTs>Tmとなる
ことが多い。
However, during the operation of the fuel cell stack, the temperature T inside the stack is increased.
s (as a temperature representative of the stack, for example, detected by a temperature sensor installed in almost the center cell of the stack)
Is higher than the temperature outside the stack, that is, the temperature Tm inside the gas manifold (for example, detected by a temperature sensor installed on at least one of the oxidant gas discharge side and the supply side manifold), that is, Ts> Tm.

【0005】Ts>Tmとなると、ガス供給マニホール
ド内で水分が凝結して電解質膜の加湿が不十分となり、
膜抵抗が上昇して、電池出力が低下するという問題があ
った。
When Ts> Tm, moisture condenses in the gas supply manifold, resulting in insufficient humidification of the electrolyte membrane.
There is a problem that the membrane resistance increases and the battery output decreases.

【0006】一方、ガス供給または排出マニホールド内
においてガスが冷却され、ガス中の水分が凝結して水滴
を生じると、この凝結水が電極上のガス流路を閉塞して
セル電圧を低下させるという問題があった。
On the other hand, when the gas is cooled in the gas supply or discharge manifold and water in the gas is condensed to generate water droplets, the condensed water blocks the gas flow path on the electrode and lowers the cell voltage. There was a problem.

【0007】特に、空気極では電池反応により水が生成
されるため、空気マニホールド内において上記現象が顕
著に発生していた。
[0007] In particular, since water is produced by the cell reaction at the air electrode, the above-mentioned phenomenon is remarkable in the air manifold.

【0008】発電装置の運転を停止する場合は、供給ガ
スによる加湿ならびに電池反応の生成水によるスタック
への水供給が停止するため、スタックが乾燥し、運転再
開時において電解質膜の膜抵抗が上昇して十分な出力が
得られない。
When the operation of the power generator is stopped, the humidification by the supply gas and the water supply to the stack by the water generated by the cell reaction are stopped, so that the stack is dried and the membrane resistance of the electrolyte membrane increases when the operation is restarted. And not enough output is obtained.

【0009】また、運転停止後はスタック温度が下がる
ため、加湿のための供給水または生成水がガス流路に停
滞し、運転再開時にガス流路を閉塞する可能性がある。
Further, since the stack temperature is lowered after the operation is stopped, the supply water or the generated water for humidification may be stagnant in the gas flow passage and block the gas flow passage when the operation is restarted.

【0010】さらに、発電装置の運転が長時間停止され
る場合は、スタック内の水分保持状態が外気温度に左右
される。たとえば夏期のように外気温が高温である場合
には、スタック内保持水が蒸発により不足し、電解質膜
が乾燥した状態となっているため、起動後、再度加湿器
により電解質膜を適度な湿潤状態とするまでは十分な出
力が得られない。
Further, when the operation of the power generator is stopped for a long time, the water retention state in the stack depends on the outside air temperature. For example, when the outside air temperature is high, such as in the summer, the water retained in the stack is insufficient due to evaporation, and the electrolyte membrane is in a dry state. Sufficient output cannot be obtained until the state is reached.

【0011】逆に、冬季のように外気温が低い場合に
は、電極上のガス流路に水分が過剰に保持されているこ
とがあり、起動後スタック温度Tsが十分に上昇するま
でに時間を要し、その間にガス流路を閉塞する可能性が
ある。
On the other hand, when the outside air temperature is low as in winter, excessive moisture may be retained in the gas flow path above the electrode, and it may take time until the stack temperature Ts rises sufficiently after startup. However, there is a possibility that the gas flow path will be blocked during that time.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、高分子
固体電解質膜型燃料電池発電装置において、その運転中
スタック内の水分量を適切に自動調整し、一定出力を保
持することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to appropriately and automatically adjust the amount of water in a stack during operation of a polymer solid oxide membrane fuel cell power generator to maintain a constant output. To do.

【0013】また、燃料電池発電装置の停止時において
もスタック内に適量の水分を保持させて、起動性を向上
させることを目的とする。
Another object of the present invention is to maintain an appropriate amount of water in the stack even when the fuel cell power generator is stopped to improve the startability.

【0014】すなわち本発明は、高分子固体電解質膜の
両側に空気極と燃料極とが配されてなる燃料電池を用い
た発電装置において、燃料電池のスタック内の温度Ts
を測定する第1の温度測定手段と、燃料電池の空気極に
おける酸化剤ガスマニホールド内の温度Tmを測定する
第2の温度測定手段と、スタック温度Tsおよび酸化剤
ガスマニホールド温度Tmの少なくともいずれか一方を
加熱または冷却する温度調節手段と、第1および第2の
温度測定手段により測定されるスタック温度Tsおよび
酸化剤ガスマニホールド温度Tmを比較してその比較結
果に基づいて温度調節手段の作動を制御する制御手段
と、を有してなることを特徴とする燃料電池発電装置で
ある。
That is, according to the present invention, in a power generator using a fuel cell in which an air electrode and a fuel electrode are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, the temperature Ts in the stack of the fuel cell is
And a second temperature measuring means for measuring the temperature Tm in the oxidant gas manifold at the air electrode of the fuel cell, and at least one of the stack temperature Ts and the oxidant gas manifold temperature Tm. The temperature adjusting means for heating or cooling one of them is compared with the stack temperature Ts and the oxidant gas manifold temperature Tm measured by the first and second temperature measuring means, and the temperature adjusting means is operated based on the comparison result. A control unit for controlling the fuel cell power generation device.

【0015】温度調節手段は、燃料電池スタックを冷却
するスタック冷却手段および酸化剤ガスマニホールドを
加温する酸化剤ガスマニホールド加温手段を含むものと
することが好適である。
The temperature adjusting means preferably includes a stack cooling means for cooling the fuel cell stack and an oxidant gas manifold heating means for heating the oxidant gas manifold.

【0016】また、本発明は、上記構成の燃料電池発電
装置の運転方法をも提供するものであって、燃料電池発
電装置の稼動中においては、スタック温度Tsと酸化剤
ガスマニホールド温度Tmとの温度差を所定範囲に維持
するように制御手段が温度調節手段を制御することを特
徴とする。
The present invention also provides a method of operating the fuel cell power generator having the above structure, wherein the stack temperature Ts and the oxidant gas manifold temperature Tm are maintained during operation of the fuel cell power generator. The control means controls the temperature adjusting means so as to maintain the temperature difference within a predetermined range.

【0017】燃料電池発電装置の停止時においては、ス
タック温度Tsと酸化剤ガスマニホールド温度Tmを比
較してその比較結果に基づいて制御手段が温度調節手段
を制御する。
When the fuel cell power generator is stopped, the stack temperature Ts is compared with the oxidant gas manifold temperature Tm, and the control means controls the temperature adjusting means based on the comparison result.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】図1は本発明による高分子固体電
解質型燃料電池発電装置における制御システムを示す図
である。
1 is a diagram showing a control system in a polymer electrolyte fuel cell power generator according to the present invention.

【0019】スタック温度センサ1は、燃料電池スタッ
ク温度Tsを測定するべくスタックの略中央のセルに設
置される。また、空気マニホールド温度センサ2は、空
気マニホールド内の温度Tmを測定するべく空気マニホ
ールドに設置される。
The stack temperature sensor 1 is installed in the cell at the approximate center of the stack to measure the fuel cell stack temperature Ts. The air manifold temperature sensor 2 is installed in the air manifold to measure the temperature Tm in the air manifold.

【0020】これら温度センサ1、2により測定される
スタック温度Tsおよび空気マニホールド温度TmはC
PU3に入力される。
The stack temperature Ts and the air manifold temperature Tm measured by these temperature sensors 1 and 2 are C
Input to PU3.

【0021】CPU3はスタック温度Tsと空気マニホ
ールド温度Tmとを比較し、その比較結果に基づいて、
空気を空気供給マニホールドに導入するための送風ファ
ン4、スタックを冷却するための冷却手段5、空気供給
マニホールドを加温する加温手段6、空気排出マニホー
ルドを加温する加温手段7等の温度調節手段の作動を選
択的に制御する。
The CPU 3 compares the stack temperature Ts with the air manifold temperature Tm, and based on the comparison result,
Temperatures of blower fan 4 for introducing air into the air supply manifold, cooling means 5 for cooling the stack, heating means 6 for heating the air supply manifold, heating means 7 for heating the air discharge manifold, etc. Selectively controlling the operation of the adjusting means.

【0022】すなわち、燃料電池の運転中においては一
般にTs>Tmとなるが、この状態を放置すると、スタ
ックよりも低温となっている空気マニホールド内で水が
凝縮して、空気極側の電極上のガス流路が閉塞されると
共に、電解質膜が乾燥して膜抵抗が上昇するため、出力
電圧が低下してしまう。そこで、センサ1、2による測
定結果からTs>Tmであることが判明した場合には、
CPU3は、送風ファン4をオン、スタック冷却手段5
をオン、空気供給マニホールド加温手段6をオフ、空気
排出マニホールド加温手段7をオンとして、実質的にT
s=Tmとする。これにより、空気マニホールド内での
凝縮水量が減少し、空気極側のガス流路閉塞が防止され
ると共に、電解質膜が加湿される。
That is, Ts> Tm is generally satisfied during the operation of the fuel cell. If this state is left, water is condensed in the air manifold whose temperature is lower than that of the stack, and the water on the electrode on the air electrode side is condensed. The gas flow path is blocked and the electrolyte membrane is dried to increase the membrane resistance, resulting in a decrease in output voltage. Therefore, when it is found from the measurement results of the sensors 1 and 2 that Ts> Tm,
The CPU 3 turns on the blower fan 4 and turns on the stack cooling means 5.
Is turned on, the air supply manifold heating means 6 is turned off, and the air discharge manifold heating means 7 is turned on, so that
Let s = Tm. As a result, the amount of condensed water in the air manifold is reduced, the gas flow path on the air electrode side is prevented from being blocked, and the electrolyte membrane is humidified.

【0023】また、燃料電池の運転中にTs<Tmとな
った場合には、スタック内で水の凝縮が生じることとな
る。スタック内での凝縮水は、その一部が電解質膜に吸
収されて電解質膜を加湿することに役立つが、スタック
内で水の凝縮が過剰に生ずると、電極上のガス流路を閉
塞する。そこで、センサ1、2による測定結果からTs
<Tmであることが判明した場合には、CPU3は、送
風ファン4をオン、スタック冷却手段5をオフ、空気供
給マニホールド加温手段6をオン、空気排出マニホール
ド加温手段7をオフとして、実質的にTs=Tmとす
る。これにより、スタック内での凝縮水量が減少し、空
気極側のガス流路閉塞が防止される。
If Ts <Tm during operation of the fuel cell, water will be condensed in the stack. A part of the condensed water in the stack is absorbed by the electrolyte membrane to help humidify the electrolyte membrane, but when water is excessively condensed in the stack, the gas flow path on the electrode is blocked. Therefore, from the measurement results of the sensors 1 and 2, Ts
When it is determined that <Tm, the CPU 3 turns on the blower fan 4, turns off the stack cooling means 5, turns on the air supply manifold heating means 6, and turns off the air discharge manifold heating means 7 to actually set. Ts = Tm. This reduces the amount of condensed water in the stack and prevents the gas flow path on the air electrode side from being blocked.

【0024】なお、上記のようにスタック内の凝縮水は
ある程度電解質膜に吸収されるため、Ts<Tmの場合
には5℃程度までの温度差が許容されるが、Ts>Tm
の場合にはマニホールド内の凝縮水がガス流路閉塞に与
える悪影響が大きいため、温度差を3℃以下に抑える。
CPU3は、燃料電池の運転中、TsとTmとがこのよ
うな温度差範囲内に収まるように制御する。
Since the condensed water in the stack is absorbed by the electrolyte membrane to some extent as described above, when Ts <Tm, a temperature difference of up to about 5 ° C. is allowed, but Ts> Tm.
In this case, the condensed water in the manifold has a large adverse effect on the blockage of the gas flow path, so the temperature difference is suppressed to 3 ° C. or less.
During the operation of the fuel cell, the CPU 3 controls Ts and Tm so that they fall within such a temperature difference range.

【0025】また、燃料電池の運転停止の場合には、そ
の連続停止時間が短期間(たとえば1〜2昼夜程度)で
あり且つ春期や秋期のようにスタック内の保持水温度を
大きく変動させないような外気温であるときは、Tsと
Tmとが所定の温度差範囲内(たとえば60〜90℃に
おいて温度差3℃以下)となるよう、負荷遮断時および
負荷遮断直後に、上記した運転中におけると同様の制御
を行う。
When the fuel cell is stopped, the continuous stop time is short (for example, about 1 to 2 days and nights), and the temperature of the water held in the stack does not fluctuate greatly as in the spring and autumn. When the outside temperature is high, Ts and Tm are kept within a predetermined temperature difference range (for example, a temperature difference of 3 ° C. or less at 60 to 90 ° C.) during and immediately after the load is cut off during the above operation. Perform the same control as.

【0026】連続停止時間が数日もしくはそれ以上のよ
うな長期間にわたる場合や、夏期のように外気温が高い
ことにより短時間の運転停止でもスタック内の保持水が
蒸発して電解質膜を乾燥させてしまう場合、あるいは冬
期のように外気温が低いことにより起動時の昇温に時間
を要する場合には、以下のように制御する。
When the continuous stop time is a long time such as several days or more, or the outside air temperature is high as in summer, the water retained in the stack is evaporated and the electrolyte membrane is dried even when the operation is stopped for a short time. If the temperature is to be increased, or if it takes time to raise the temperature at startup due to low outside air temperature such as in winter, the following control is performed.

【0027】夏期には、負荷遮断後送風ファン4を停止
した後も、スタック冷却手段5をしばらくの間作動し、
スタック温度Tsが空気排出マニホールド温度Tmより
も低くなるようにする。これによりスタック内において
水の凝縮が生じ、スタック内の保持水が運転中よりも過
剰となるため、停止期間中においても電解質膜の湿潤状
態が保持され、次回の起動時間が短縮される。
In the summer, even after the blower fan 4 is stopped after the load is cut off, the stack cooling means 5 is operated for a while,
The stack temperature Ts is set to be lower than the air exhaust manifold temperature Tm. As a result, water is condensed in the stack, and the amount of retained water in the stack becomes more than during operation, so that the wet state of the electrolyte membrane is maintained even during the stop period, and the next startup time is shortened.

【0028】一方、冬期には、負荷遮断後送風ファン4
を起動すると共に、空気排出マニホールド加温手段7を
起動し、スタック冷却手段5はオフとする。これによ
り、空気排出マニホールド温度Tmがスタック温度Ts
よりも低くなるため、停止中の燃料電池の電極上のガス
流路にある水分が排出され、次回起動時のスタック温度
昇温中にガス流路中の水分によって流路が閉塞されるこ
とを防止することができる。
On the other hand, in winter, the blower fan 4 is provided after the load is cut off.
Is started, the air exhaust manifold heating means 7 is started, and the stack cooling means 5 is turned off. As a result, the temperature Tm of the air exhaust manifold becomes equal to the stack temperature Ts.
Therefore, the water in the gas flow path on the electrode of the fuel cell that is stopped is discharged, and the flow path is blocked by the water in the gas flow path during the temperature rise of the stack at the next startup. Can be prevented.

【0029】なお、スタック冷却手段5、空気供給マニ
ホールド加温手段および空気排出マニホールド加温手段
には任意の構成を採用することができる。たとえば、ス
タック冷却手段5は冷却ファン等の空冷手段でも、冷却
水を用いた水冷手段であってもよい。また、空気供給マ
ニホールド加温手段および空気排出マニホールド加温手
段は一般に各種ヒータとして構成されるが、燃料電池発
電装置が車載される場合には、ラジエータ水にて加温す
るように構成することも可能である。
Any structure may be adopted for the stack cooling means 5, the air supply manifold heating means and the air discharge manifold heating means. For example, the stack cooling unit 5 may be an air cooling unit such as a cooling fan or a water cooling unit using cooling water. Further, the air supply manifold heating means and the air discharge manifold heating means are generally configured as various heaters, but when the fuel cell power generator is mounted on a vehicle, it may be configured to heat with radiator water. It is possible.

【0030】図2は本発明による高分子固体電解質型燃
料電池発電装置の構成を示す概略図であり、燃料電池1
0は空気極(カソード)の側から見た側面図として示さ
れている。公知のように、この燃料電池においては高分
子固体電解質膜を挟んで空気極と反対側に、水素等の燃
料ガスが導入される燃料極(アノード)が配されてい
る。なお、実際にはこのような燃料電池セルが多数積層
されたスタックとして実用に供されるものである。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of a polymer electrolyte fuel cell power generator according to the present invention.
0 is shown as a side view as seen from the air electrode (cathode) side. As is well known, in this fuel cell, a fuel electrode (anode) into which a fuel gas such as hydrogen is introduced is arranged on the side opposite to the air electrode with the polymer solid electrolyte membrane interposed therebetween. In addition, in practice, it is put to practical use as a stack in which a large number of such fuel cells are stacked.

【0031】酸化剤ガスとしての空気が空気導入路11
から送風ファン12により空気供給マニホールド13に
供給され、空気極に供給される。
Air as the oxidant gas is the air introduction path 11
Is supplied to the air supply manifold 13 by the blower fan 12, and is supplied to the air electrode.

【0032】公知のように、燃料電池の燃料極に水素ガ
ス、空気極に空気が供給されることにより、高分子固体
電解質膜の中を水素イオンがプロトンの形で移動し、電
池反応が行われる。このとき、空気極では、供給された
酸素が移動してきた水素イオンおよび電子と反応して水
を生成する。
As is well known, when hydrogen gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell and air is supplied to the air electrode, hydrogen ions move in the form of protons in the solid polymer electrolyte membrane, and the cell reaction takes place. Be seen. At this time, in the air electrode, the supplied oxygen reacts with the transferred hydrogen ions and electrons to generate water.

【0033】したがって、空気極から排出される排出ガ
スには、未反応の酸素に加えて空気極における反応生成
水(蒸気)が含まれている。
Therefore, the exhaust gas discharged from the air electrode contains reaction product water (steam) at the air electrode in addition to unreacted oxygen.

【0034】この排出ガスは空気排出マニホールド14
から空気排出路15に送入されるが、空気排出路は循環
路16を介して空気導入路11と接続されているため、
反応生成水を伴った排出ガスを空気極に再導入すること
ができる。
This exhaust gas is sent to the air exhaust manifold 14
Is sent to the air exhaust passage 15, but the air exhaust passage is connected to the air introduction passage 11 via the circulation passage 16,
Exhaust gas accompanied by reaction product water can be reintroduced into the air electrode.

【0035】すなわち、循環路16に接続して排気バル
ブ17が設けられ、空気極からの排気ガスは、そのうち
の排気バルブ17の開度に応じた一定量が系外に排出さ
れ、残量が循環路16および空気導入路11を介して空
気極に再導入される。
That is, an exhaust valve 17 is provided in connection with the circulation path 16, and a certain amount of exhaust gas from the air electrode is discharged out of the system according to the opening degree of the exhaust valve 17, and the remaining amount is It is reintroduced into the air electrode via the circulation path 16 and the air introduction path 11.

【0036】このようにして反応生成水を含んだ排出ガ
スが燃料電池10の空気極に再導入されることにより、
反応生成水(水蒸気)が濃度差により電解質膜に浸透し
て燃料極側に移動し、さらに燃料極側に移動した水分は
電気浸透水として空気極側へと移動することとなり、こ
れら水分の往復移動によって電解質膜の加湿が効率的且
つ平均的に行われる。
By thus re-introducing the exhaust gas containing the reaction product water into the air electrode of the fuel cell 10,
The reaction product water (water vapor) permeates the electrolyte membrane due to the concentration difference and moves to the fuel electrode side, and the water that has moved to the fuel electrode side moves to the air electrode side as electro-osmotic water, and these water moves back and forth. Moisture of the electrolyte membrane is efficiently and averagely carried out by the movement.

【0037】排気バルブ17の開度は、燃料電池10の
出力電流値および空気極からの排出ガス温度との相関に
よって決定され、燃料電池10に最適な水バランス条件
を与えるよう制御手段(CPU)18により制御される
が、この制御は本発明の主題に直接関連しないので、説
明を省略する。
The opening of the exhaust valve 17 is determined by the correlation between the output current value of the fuel cell 10 and the temperature of the exhaust gas from the air electrode, and a control means (CPU) for giving the fuel cell 10 an optimum water balance condition. Although controlled by 18, this control is not directly related to the subject matter of the present invention, and a description thereof will be omitted.

【0038】本発明においては、図示されるように、燃
料電池スタック温度Tsをモニタするためのスタック温
度センサ19および空気排出マニホールド温度Tmをモ
ニタするための空気排出マニホールド温度センサ20が
設けられる。また、燃料電池スタックを冷却するための
冷却手段としての冷却ファン21、空気供給マニホール
ド13を加温するための加温手段としてのヒータ22、
および空気排出マニホールド14を加温するための加温
手段としてのヒータ23が備えられる。
In the present invention, as shown, a stack temperature sensor 19 for monitoring the fuel cell stack temperature Ts and an air exhaust manifold temperature sensor 20 for monitoring the air exhaust manifold temperature Tm are provided. Further, a cooling fan 21 as a cooling means for cooling the fuel cell stack, a heater 22 as a heating means for heating the air supply manifold 13,
A heater 23 is provided as a heating means for heating the air exhaust manifold 14.

【0039】これらの冷却ファン21、ヒータ22およ
びヒータ23は、温度センサ19および20によりモニ
タされるスタック温度Tsおよび空気排出マニホールド
温度Tmの比較結果に基づいて、図1に関して既述した
ような要領にて、CPU18によりそれらの作動が制御
される。
These cooling fan 21, heater 22 and heater 23 are based on the comparison results of the stack temperature Ts and the air exhaust manifold temperature Tm monitored by the temperature sensors 19 and 20, as described above with reference to FIG. At, the operations are controlled by the CPU 18.

【0040】図2のように空気極から排出される空気を
循環路16を介して空気極に再導入するように燃料電池
発電装置を構成した場合には、空気排出マニホールド用
ヒータ23で加温された排出空気の少なくとも一部が空
気極に導入されるので、空気供給マニホールド13を加
温するための手段(ヒータ22)は割愛することができ
る。
When the fuel cell power generator is configured so that the air discharged from the air electrode is reintroduced into the air electrode through the circulation path 16 as shown in FIG. 2, the air discharge manifold heater 23 heats the air. Since at least a part of the discharged exhaust air is introduced into the air electrode, the means (heater 22) for heating the air supply manifold 13 can be omitted.

【0041】なお、空気マニホールド13、14、特に
空気排出マニホールド14には、内部の余分な水分を吸
収する吸湿材を設置することができる。吸湿材としては
任意のものを用いることができるが、たとえば、繊維状
のシートまたは多孔質粒子を空気排出マニホールド14
に内蔵して、凝縮した余剰水を吸収させる。
It should be noted that the air manifolds 13, 14 and especially the air exhaust manifold 14 may be provided with a moisture absorbent material that absorbs excess water inside. Any material can be used as the hygroscopic material. For example, a fibrous sheet or porous particles are used as the air exhaust manifold 14.
Built in to absorb condensed excess water.

【0042】また、空気供給マニホールド13には、燃
料電池スタックに供給される空気を浄化するためにイオ
ン交換樹脂を内蔵することが好ましい。イオン交換樹脂
は一般に吸水性を有しているので、ガス流路閉塞を防止
する効果も期待できる。
Further, it is preferable that the air supply manifold 13 contains an ion exchange resin in order to purify the air supplied to the fuel cell stack. Since the ion exchange resin generally has a water absorbing property, it can be expected to have an effect of preventing the gas flow passage from being blocked.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、高分子固体電解質型燃
料電池スタックにおいてスタック温度と空気マニホール
ド温度とをモニタしつつそれらの温度差を所定範囲に収
めるように制御するものであるため、燃料電池の運転
中、スタック内の水分保持量が最適範囲に保持され、し
たがって出力が一定に保たれる。
According to the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell stack, the stack temperature and the air manifold temperature are monitored and controlled so that the temperature difference between them is kept within a predetermined range. During operation of the cell, the water content in the stack is kept in the optimum range and thus the output is kept constant.

【0044】特に、空気マニホールド内での水の凝縮が
防止されるため、排出空気中の水蒸気量の損失量が減少
し、排出空気を空気極に再導入するように構成すること
によって、加湿装置を設ける必要なしに、電解質膜を一
定の湿潤状態に保持することができる。
In particular, since the condensation of water in the air manifold is prevented, the amount of water vapor loss in the exhaust air is reduced, and the exhaust air is reintroduced into the air electrode. It is possible to keep the electrolyte membrane in a constant wet state without the need to provide.

【0045】さらに、燃料電池の停止時においても、ス
タック内に適量の水分を保持させるように制御すること
で、次回起動性が向上される。かかる制御は、夏期、冬
期あるいは長期停止等の場合においても外気温に応じて
スタックの水分保持量を適切に調節するように行われる
ため、起動時間を大幅に短縮することができる。
Further, even when the fuel cell is stopped, the next-time startability is improved by controlling so that an appropriate amount of water is retained in the stack. Since such control is performed so as to appropriately adjust the moisture retention amount of the stack according to the outside temperature even in the summer, winter, or long-term stoppage, the start-up time can be greatly shortened.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による高分子固体電解質型燃料電池発電
装置による制御システムを示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a control system by a polymer electrolyte fuel cell power generator according to the present invention.

【図2】本発明による高分子固体電解質型燃料電池発電
装置の概略構成を示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a solid polymer electrolyte fuel cell power generator according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 スタック温度センサ 2 空気マニホールド温度センサ 3 CPU 4 送風ファン 5 スタック冷却手段 6 空気供給マニホールド加温手段 7 空気排出マニホールド加温手段 10 燃料電池 11 空気導入路 12 送風ファン 13 空気供給マニホールド 14 空気排出マニホールド 15 空気排出路 16 循環路 17 排気バルブ 18 制御手段(CPU) 19 スタック温度センサ 20 空気排出マニホールド温度センサ 21 スタック冷却ファン 22 空気供給マニホールド用ヒータ 23 空気排出マニホールド用ヒータ 1 Stack Temperature Sensor 2 Air Manifold Temperature Sensor 3 CPU 4 Blower Fan 5 Stack Cooling Means 6 Air Supply Manifold Warming Means 7 Air Discharge Manifold Warming Means 10 Fuel Cell 11 Air Intake Path 12 Blower Fan 13 Air Supply Manifold 14 Air Discharge Manifold 15 Air Discharge Path 16 Circulation Path 17 Exhaust Valve 18 Control Unit (CPU) 19 Stack Temperature Sensor 20 Air Discharge Manifold Temperature Sensor 21 Stack Cooling Fan 22 Air Supply Manifold Heater 23 Air Discharge Manifold Heater

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高分子固体電解質膜の両側に空気極と燃
料極とが配されてなる燃料電池を用いた発電装置におい
て、燃料電池のスタック内の温度Tsを測定する第1の
温度測定手段と、燃料電池の空気極における酸化剤ガス
マニホールド内の温度Tmを測定する第2の温度測定手
段と、スタック温度Tsおよび酸化剤ガスマニホールド
温度Tmの少なくともいずれか一方を加熱または冷却す
る温度調節手段と、前記第1および第2の温度測定手段
により測定されるスタック温度Tsおよび酸化剤ガスマ
ニホールド温度Tmを比較してその比較結果に基づいて
前記温度調節手段の作動を制御する制御手段と、を有し
てなることを特徴とする燃料電池発電装置。
1. In a power generator using a fuel cell in which an air electrode and a fuel electrode are arranged on both sides of a polymer solid electrolyte membrane, first temperature measuring means for measuring a temperature Ts in a stack of the fuel cell. Second temperature measuring means for measuring the temperature Tm in the oxidant gas manifold at the air electrode of the fuel cell, and temperature adjusting means for heating or cooling at least one of the stack temperature Ts and the oxidant gas manifold temperature Tm. And a control means for comparing the stack temperature Ts and the oxidant gas manifold temperature Tm measured by the first and second temperature measuring means and controlling the operation of the temperature adjusting means based on the comparison result. A fuel cell power generator characterized by comprising.
【請求項2】 前記温度調節手段は、燃料電池スタック
を冷却するスタック冷却手段および酸化剤ガスマニホー
ルドを加温する酸化剤ガスマニホールド加温手段を含む
ことを特徴とする請求項1の燃料電池発電装置。
2. The fuel cell power generation according to claim 1, wherein the temperature adjusting means includes a stack cooling means for cooling the fuel cell stack and an oxidant gas manifold heating means for heating the oxidant gas manifold. apparatus.
【請求項3】 請求項1の燃料電池発電装置の運転方法
であって、燃料電池発電装置の稼動中においては、スタ
ック温度Tsと酸化剤ガスマニホールド温度Tmとの温
度差を所定範囲に維持するように制御手段が温度調節手
段を制御することを特徴とする燃料電池発電装置の運転
方法。
3. The method of operating a fuel cell power generator according to claim 1, wherein the temperature difference between the stack temperature Ts and the oxidant gas manifold temperature Tm is maintained within a predetermined range during operation of the fuel cell power generator. A method for operating a fuel cell power generator, wherein the control means controls the temperature adjusting means as described above.
【請求項4】 請求項1の燃料電池発電装置の運転方法
であって、燃料電池発電装置の停止時においては、スタ
ック温度Tsと酸化剤ガスマニホールド温度Tmを比較
してその比較結果に基づいて制御手段が温度調節手段を
制御することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方
法。
4. The method of operating a fuel cell power generator according to claim 1, wherein the stack temperature Ts and the oxidant gas manifold temperature Tm are compared when the fuel cell power generator is stopped, and based on the comparison result. A method for operating a fuel cell power generator, wherein the control means controls the temperature adjusting means.
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