JP2002075416A - Fuel cell device and operation method of fuel cell device - Google Patents
Fuel cell device and operation method of fuel cell deviceInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池装置及び
その運転方法に関し、特に、高分子電解質を有する燃料
電池によって電力を発生させる燃料電池装置及びその運
転方法に関する。The present invention relates to a fuel cell device and a method for operating the same, and more particularly, to a fuel cell device for generating electric power by a fuel cell having a polymer electrolyte and a method for operating the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】燃料電池は、電極活物質としての燃料ガ
ス(アノード反応ガス)と酸化用ガス(カソード反応ガ
ス)とを利用した電気化学反応によって発生する電気エ
ネルギを直接取り出すものである。そのため、燃料電池
は低温の作動領域において高い発電効率を有する。従っ
て、燃料電池を備えた発電ユニットとしての燃料電池装
置によれば、カルノー効率の制約を受ける熱機関と比較
して、高い総合エネルギ効率を達成することが可能とな
り、また、電気化学反応に伴って発生する熱エネルギの
回収も容易である。2. Description of the Related Art A fuel cell directly extracts electric energy generated by an electrochemical reaction using a fuel gas (anode reaction gas) as an electrode active material and an oxidizing gas (a cathode reaction gas). Therefore, the fuel cell has high power generation efficiency in a low-temperature operation region. Therefore, according to the fuel cell device as a power generation unit equipped with a fuel cell, it is possible to achieve higher overall energy efficiency as compared with a heat engine that is restricted by Carnot efficiency, It is also easy to recover the thermal energy generated.
【0003】燃料電池の電極活物質、及び、電解質とし
ては、水素、酸素、及び、プロトン伝導性電解質を用い
るのが一般的であり、この場合、アノードにおいて次の
(1)式に、カソードにおいて(2)式に、それぞれ示
す電極反応が進行し、全体として(3)式に示す全電池
反応が進行して起電力が発生する。 H2→2H++2e- …(1) (1/2)O2+2H++2e-→H2O …(2) H2+(1/2)O2→H2O …(3)[0003] As an electrode active material and an electrolyte of a fuel cell, it is common to use hydrogen, oxygen, and a proton conductive electrolyte. The electrode reaction shown in equation (2) proceeds, and the whole battery reaction shown in equation (3) proceeds as a whole to generate an electromotive force. H 2 → 2H + + 2e − (1) (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2) H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
【0004】このような電気化学反応によって電力を発
生する燃料電池は、電極活物質、電解質、及び、作動温
度等によって分類されるが、中でも、電解質として高分
子電解質を用いたいわゆる高分子電解質型燃料電池(P
EFC)等は、小型軽量化が容易であることから、電気
自動車等の移動車両や小型コジェネレーションシステム
の電源としての実用化が期待されている。高分子電解質
型燃料電池では、電解質としてプロトン導電性を有する
陽イオン交換膜(固体高分子電解質膜)をガス拡散電極
であるアノードとカソードとの間に配置していわゆる単
セルを構成する。そして、燃料ガスとして、メタノール
や天然ガスといった炭化水素系原燃料を水蒸気改質して
生成される水素含有ガスが用いられ、酸化用ガスとし
て、空気が用いられる。Fuel cells that generate electric power by such an electrochemical reaction are classified according to electrode active materials, electrolytes, operating temperatures, and the like. Among them, a so-called polymer electrolyte type using a polymer electrolyte as an electrolyte is used. Fuel cell (P
EFC) is expected to be practically used as a power source for mobile vehicles such as electric vehicles and small cogeneration systems because it is easy to reduce the size and weight. In a polymer electrolyte fuel cell, a cation exchange membrane (solid polymer electrolyte membrane) having proton conductivity as an electrolyte is arranged between an anode serving as a gas diffusion electrode and a cathode to form a so-called single cell. Then, a hydrogen-containing gas generated by steam reforming a hydrocarbon-based raw fuel such as methanol or natural gas is used as the fuel gas, and air is used as the oxidizing gas.
【0005】この単セルのアノードとカソードとの両面
にはガス不透過の導電性材料からなる薄板状のセパレー
タが配置される。このセパレータの電極との接触面には
燃料ガス又は酸化用ガスの流路となる溝が形成されてお
り、外部から供給される燃料ガス及び酸化用ガスは、燃
料電池の作動条件に応じた所定の流速でこの流路内に供
給され、流路内を入口から出口に進行しつつアノード及
びカソード内の微細なガス拡散経路に供給され、それぞ
れ(1)又は(2)の反応に消費される。また、このガ
ス流路から(3)式により生成する反応生成水や余分な
加湿用水が燃料ガス又は酸化用ガスの排ガスと共に外部
に排出される。更に、燃料電池をいわゆるスタックとす
る場合には、使用するセパレータの両面に燃料ガス又は
酸化用ガスの流路となる溝を形成し、適宜シール材等を
介して単セルとセパレータとを交互に複数積層させる。[0005] A thin-plate separator made of a gas-impermeable conductive material is disposed on both the anode and cathode sides of the single cell. A groove serving as a flow path of a fuel gas or an oxidizing gas is formed on a contact surface of the separator with the electrode, and a fuel gas and an oxidizing gas supplied from the outside are provided at a predetermined rate in accordance with operating conditions of the fuel cell. Is supplied into this flow path at a flow rate of, and is supplied to the fine gas diffusion paths in the anode and the cathode while traveling from the inlet to the outlet in the flow path, and is consumed in the reaction (1) or (2), respectively. . In addition, the reaction product water and excess humidification water generated by the equation (3) are discharged to the outside together with the exhaust gas of the fuel gas or the oxidizing gas from the gas flow path. Further, when the fuel cell is a so-called stack, a groove serving as a flow path for a fuel gas or an oxidizing gas is formed on both surfaces of the separator to be used, and the unit cell and the separator are alternately arranged via a sealing material or the like as appropriate. Multiple layers are laminated.
【0006】かかる高分子電解質型燃料電池を実用化す
る上で、固体高分子電解質膜のイオン伝導性を良好に維
持することが極めて重要となるが、(1)式に示す電極
反応によってアノードで生成されるプロトンは、水和水
を伴った状態で電解質膜を移動する。これに対して、
(3)式に示す全電池反応は発熱反応であることから、
燃料電池の作動に伴って電解質膜は昇温、乾燥すること
になる。従って、電解質膜が乾燥すれば、必然的に電解
質抵抗が増大化することになり、膜内に存在するイオン
交換基のイオン解離度を保持して燃料電池の性能を安定
化させる上で、電解質膜を十分に加湿することが必要と
なる。In order to put such a polymer electrolyte fuel cell into practical use, it is extremely important to maintain good ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane. The generated protons move through the electrolyte membrane with the water of hydration. On the contrary,
Since the whole battery reaction shown in the equation (3) is an exothermic reaction,
With the operation of the fuel cell, the temperature of the electrolyte membrane is increased and dried. Therefore, if the electrolyte membrane dries, the electrolyte resistance will necessarily increase, and the electrolyte is required to maintain the ion dissociation degree of the ion exchange groups present in the membrane and stabilize the performance of the fuel cell. It is necessary to sufficiently humidify the membrane.
【0007】そのため、燃料電池装置は作動中の燃料電
池の電解質膜を常時加湿する構成を通常有しており、例
えば、燃料ガスや酸化用ガス中に水蒸気成分を含有させ
てそれぞれアノード、カソードに供給することにより作
動中の燃料電池の電解質膜を常時加湿する構成や、燃料
電池の冷却水の一部などを利用して加湿用の水を直接燃
料電池内に供給する構成などが採用されている。[0007] Therefore, the fuel cell device usually has a structure for constantly humidifying the electrolyte membrane of the operating fuel cell. For example, a fuel gas or an oxidizing gas contains a water vapor component and is supplied to the anode and the cathode, respectively. A configuration that constantly humidifies the electrolyte membrane of the operating fuel cell by supplying it, and a configuration that supplies humidification water directly into the fuel cell by using a part of the cooling water of the fuel cell are adopted. I have.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように構成された燃料電池装置においては、燃料電池
に供給される燃料ガス又は酸化用ガスの流速が低下する
と、生成する反応生成水や余分な加湿用水が排ガスと共
に外部に速やかに排出されにくくなり、セパレータのガ
ス流路内にこれらの水が滞留してドレンとなり当該ガス
流路を塞いでしまうという問題があった。ドレンにより
セパレータ内のガス流路が塞がれてしまうと電極反応の
進行が妨げられ、所望の電池出力を安定して得ることが
困難となってしまう。However, in the fuel cell device configured as described above, when the flow rate of the fuel gas or the oxidizing gas supplied to the fuel cell decreases, the generated reaction product water and excess water are generated. There has been a problem that it becomes difficult for the humidifying water to be quickly discharged to the outside together with the exhaust gas, and that such water stays in the gas passage of the separator and becomes a drain, thereby blocking the gas passage. If the gas flow path in the separator is blocked by the drain, the progress of the electrode reaction is hindered, and it becomes difficult to stably obtain a desired battery output.
【0009】通常、セパレータのガス流路は、負荷要求
が最大となる作動条件、すなわち、流入するガス流量が
最大となる条件を想定し、このときのガス流路の入口と
出口のガス圧損が最小限になるように設計されている。
そのため、負荷要求の比較的高い作動条件で燃料電池を
作動させる場合には、セパレータのガス流路内に発生し
たドレンは、流量の大きな反応ガスにより速やかに外部
搬送されるので運転上支障をきたすことはないが、燃料
電池に対する負荷要求が変動し、負荷要求の比較的低い
作動条件で燃料電池を作動させる状況となる場合には、
ガス流路内を流れる反応ガスの流量は低くなるので、発
生したドレンは当該ガス流路内に停滞し易くなる。ま
た、長期にわたり作動させる場合には、負荷要求の変動
や作動温度の変動などにより徐々にセパレータのガス流
路内にドレンが蓄積される場合もある。Normally, the gas flow path of the separator is supposed to be an operating condition under which the load requirement is maximum, that is, a condition under which the flow rate of the flowing gas is maximum. Designed to be minimal.
Therefore, when the fuel cell is operated under relatively high load operating conditions, the drain generated in the gas flow path of the separator is quickly transported to the outside by the reaction gas having a large flow rate, which hinders operation. However, if the load demand on the fuel cell fluctuates and the fuel cell is operated under relatively low load demand operating conditions,
Since the flow rate of the reaction gas flowing in the gas flow path is low, the generated drain tends to stagnate in the gas flow path. Further, when the operation is performed for a long time, drain may gradually accumulate in the gas passage of the separator due to a change in load demand or a change in operating temperature.
【0010】このようなドレンによるガス流路内の閉塞
の問題は、アノード側のガス流路において特に発生し易
い。すなわち、酸化用ガスは通常空気を使用する場合が
多く、その酸素分圧値が比較的低く窒素等の不活性ガス
の分圧値が高いため、燃料電池のカソードにむけて必要
な量の酸素を供給する際には、酸素に加えて多量の不活
性ガスも必然的に供給されること等から、負荷要求の低
い作動条件におかれてもガス流路内に発生したドレンを
当該ガス流路内に停滞させることなく外部に搬送可能な
酸化用ガスの流量を設定することが容易に可能である。
一方、燃料ガスは燃料を改質装置において水蒸気改質し
て生成させたうえでアノードに供給しており、その水素
分圧が高いことと、水蒸気分圧も燃料電池の作動温度に
おける飽和水蒸気圧近傍に調節され比較的高くなってい
ること等から負荷要求の低い作動条件におかれた場合、
ガス流路内の燃料ガスの流量が著しく低下してガス流路
内にドレンが停滞し易くなる。[0010] Such a problem of blockage in the gas flow path due to drainage is particularly likely to occur in the gas flow path on the anode side. That is, air is usually used as the oxidizing gas, and the oxygen partial pressure is relatively low and the partial pressure of an inert gas such as nitrogen is high, so that the necessary amount of oxygen for the fuel cell cathode is required. When supplying gas, a large amount of inert gas is inevitably supplied in addition to oxygen. It is possible to easily set the flow rate of the oxidizing gas that can be transported to the outside without stagnation in the road.
On the other hand, the fuel gas is produced by reforming the fuel with steam in the reformer and then supplied to the anode. The hydrogen partial pressure is high, and the steam partial pressure is also the saturated steam pressure at the operating temperature of the fuel cell. If it is placed in an operating condition with a low load requirement because it is adjusted near and it is relatively high,
The flow rate of the fuel gas in the gas flow passage is significantly reduced, and the drain tends to stagnate in the gas flow passage.
【0011】また、高い水素利用率(例えば、80%)
の作動条件の下で燃料電池を作動させることは改質装置
において生成させた水素を有効に利用する上で重要とな
るが、このような高い水素利用率でかつ負荷要求の低い
作動条件の下では、更に燃料ガスの流量が低下し、ドレ
ンがアノード側のガス流路内により停滞し易くなる。従
って、燃料電池装置を実用化するに際しては、アノード
側のガス流路のドレンによる閉塞の防止に留意する必要
がある。Also, a high hydrogen utilization rate (for example, 80%)
It is important to operate the fuel cell under the above operating conditions in order to effectively use the hydrogen generated in the reformer. In this case, the flow rate of the fuel gas further decreases, and the drain tends to stagnate in the gas flow path on the anode side. Therefore, when putting the fuel cell device into practical use, it is necessary to pay attention to the prevention of the gas passage on the anode side from being blocked by the drain.
【0012】そこで、本発明は、作動中の燃料電池のア
ノード側のガス流路のドレンによる閉塞を十分に防止す
ることのできる燃料電池装置、及び、その運転方法の提
供を目的とする。Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of sufficiently preventing the gas flow path on the anode side of an operating fuel cell from being clogged by a drain, and an operation method thereof.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、アノードに形成
されたガス流路内にドレンが生成しても、ガス流路の出
口における流速が0.45m/s以上となるようにアノ
ードに供給するアノード反応ガスの流量を調節すること
により、速やかに当該ガス流路外部から排出することが
可能となることを見出し、本発明に到達した。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, even if drain is generated in the gas flow path formed in the anode, the outlet of the gas flow path is not removed. It has been found that by adjusting the flow rate of the anode reaction gas supplied to the anode so that the flow rate at 0.45 m / s or more is at least 0.45 m / s, the gas can be quickly discharged from the outside of the gas flow path. Reached.
【0014】すなわち、本発明による燃料電池装置は、
アノードとカソードとの間に配置された高分子電解質を
有する単セルとセパレータとを複数積層させた燃料電池
を備え、改質装置で生成されたアノード反応ガスをアノ
ードに供給すると共にカソード反応ガス供給手段からカ
ソード反応ガスをカソードに供給し、電気化学反応によ
って電力を発生する燃料電池装置において、一端がアノ
ードから排出される排ガスを外部に排出する排ガスライ
ンに接続され、他端が改質装置とアノードとを結ぶガス
ラインに接続された排ガス供給ラインと、排ガス供給ラ
イン上に設けられており、アノードから排出される排ガ
スの一部をアノードに供給する排ガス供給手段と、燃料
電池に対する負荷要求に基づいて、アノードとセパレー
タにより形成されたガス流路の出口における排ガスの流
速が0.45m/s以上の所定値となるように排ガス供
給手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とす
る。That is, the fuel cell device according to the present invention comprises:
A fuel cell in which a plurality of unit cells each having a polymer electrolyte and a separator disposed between an anode and a cathode are stacked, and an anode reaction gas generated by a reformer is supplied to the anode and a cathode reaction gas is supplied In a fuel cell device that supplies a cathode reaction gas to the cathode from the means and generates electric power by an electrochemical reaction, one end is connected to an exhaust gas line that discharges exhaust gas discharged from the anode to the outside, and the other end is connected to a reformer. An exhaust gas supply line connected to a gas line connecting the anode, an exhaust gas supply means provided on the exhaust gas supply line, for supplying a part of the exhaust gas discharged from the anode to the anode, and a load request for the fuel cell. The flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path formed by the anode and the separator is 0.45 m / And a controlling means for controlling the exhaust gas supply means to a predetermined value or more.
【0015】この燃料電池装置は、移動車両等や家庭用
発電ユニット等の電源として採用すると好適なものであ
り、燃料電池は、アノードとカソードとの間に高分子電
解質を配置したものである。また、セパレータは、例え
ば、薄板状に形成され、アノード側の面にアノード反応
ガス(燃料ガス)を流通させるためのガス流路を、カソ
ード側の面にカソード反応ガス(酸化用ガス)を流通さ
せるためのガス流路を有する。This fuel cell device is suitable for use as a power source for a mobile vehicle or a home power generation unit or the like. A fuel cell has a polymer electrolyte disposed between an anode and a cathode. The separator is formed, for example, in a thin plate shape, and has a gas flow path for flowing an anode reaction gas (fuel gas) on the anode side surface, and a cathode reaction gas (oxidizing gas) on the cathode side surface. It has a gas flow path for making it.
【0016】このような燃料電池は、アノード反応ガス
を供給する改質装置、カソード反応ガスを供給するブロ
ア若しくは圧縮機等、各種補機類等を有し、アノードに
は、改質装置等で生成される水素含有ガス等のアノード
反応ガス(燃料ガス)が供給される。また、燃料電池の
カソードには、ブロア等によって空気等のカソード反応
ガス(酸化用ガス)が供給される。これにより、アノー
ドでアノード反応ガスが、カソードでカソード反応ガス
がそれぞれ電気化学反応し、燃料電池全体では所定の全
電池反応が進行して起電力が得られる。Such a fuel cell has a reformer for supplying an anode reactant gas, a blower or a compressor for supplying a cathode reactant gas, and various other auxiliary equipment. An anode reaction gas (fuel gas) such as a generated hydrogen-containing gas is supplied. Further, a cathode reaction gas (oxidizing gas) such as air is supplied to the cathode of the fuel cell by a blower or the like. Thus, the anode reactant gas reacts at the anode and the cathode reactant gas reacts at the cathode, and a predetermined whole cell reaction proceeds in the whole fuel cell to obtain an electromotive force.
【0017】ここで、このような燃料電池装置の作動
中、燃料電池に供給される燃料ガス及び空気の流量は、
燃料電池に対する負荷要求の変動に応じて比較的広い範
囲内で変化する。そこで、負荷要求の低い作動条件にお
かれた場合など燃料ガスの流量が著しく低下する場合に
は、前述したようにアノードのセパレータのガス流路内
に反応生成水や余分な加湿用水が滞留してドレンとなり
当該ガス流路を塞いでしまうということが想定される。
この点に鑑みて、この燃料電池装置には、排ガス供給ラ
インと、アノードから排出される排ガスの一部をアノー
ドに供給する排ガス供給手段と、燃料電池に対する負荷
要求に基づいて、アノードとセパレータにより形成され
たガス流路の出口における排ガスの流速が0.45m/
s以上の所定値となるように排ガス供給手段を制御する
制御手段とが備えられている。Here, during the operation of such a fuel cell device, the flow rates of fuel gas and air supplied to the fuel cell are:
It changes within a relatively wide range according to the change in the load demand for the fuel cell. Therefore, when the flow rate of the fuel gas is significantly reduced, for example, when operating under a low load requirement, as described above, the reaction product water and excess humidification water stay in the gas flow path of the anode separator. It is supposed that the gas flow path becomes drain and blocks the gas flow path.
In view of this point, the fuel cell device includes an exhaust gas supply line, exhaust gas supply means for supplying a part of exhaust gas discharged from the anode to the anode, and an anode and a separator based on a load request for the fuel cell. The flow rate of the exhaust gas at the outlet of the formed gas flow path is 0.45 m /
and control means for controlling the exhaust gas supply means so as to have a predetermined value of s or more.
【0018】このような構成とすることにより、燃料電
池装置の運転中に、燃料電池に対する負荷要求が低下す
るなどしてアノードのガス流路内にドレンが生成したと
しても、そのドレンを速やかに当該ガス流路から外部へ
排出できるので、燃料電池を負荷変動にあわせて常時安
定な状態で作動させることができる。すなわち、制御手
段は、モーター等の負荷から送出される燃料電池に対す
る負荷要求信号に基づき、循環ブロア等の排ガス供給手
段を作動させてアノードとセパレータにより形成された
ガス流路の出口における排ガスの流速が0.45m/s
以上の所定値となるようにアノードに供給する排ガスの
流量を調節する。With this configuration, even if drainage is generated in the gas flow path of the anode due to a decrease in the load demand on the fuel cell during operation of the fuel cell device, the drain is quickly removed. Since the gas can be discharged from the gas flow path to the outside, the fuel cell can be always operated in a stable state in accordance with the load fluctuation. That is, the control means operates the exhaust gas supply means such as a circulation blower based on a load request signal for the fuel cell sent from the load of the motor or the like, and controls the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path formed by the anode and the separator. Is 0.45m / s
The flow rate of the exhaust gas supplied to the anode is adjusted so as to have the above-described predetermined value.
【0019】このように負荷要求が低下した際に、改質
装置から流出するアノード反応ガスと共にアノードから
排出される排ガスの一部を再びアノードに供給すること
により、アノードのガス流路に供給されるガスは、その
水素分圧を低い負荷要求に対応して調整され、かつ、そ
のガス流量を流路内にドレンが生成したとしてもそのド
レンを出口に向けて搬送可能な十分な値(0.45m/
s以上の所定値)に調整される。そのため、例えば、水
素利用率を高い水準に設定した作動条件の下でも作動中
の燃料電池のアノード側のガス流路のドレンによる閉塞
を十分に防止することが容易に可能となる。When the load demand is reduced as described above, part of the exhaust gas discharged from the anode together with the anode reaction gas flowing out of the reformer is supplied to the anode again, so that it is supplied to the gas flow path of the anode. The gas is adjusted to have a hydrogen partial pressure corresponding to a low load requirement, and the gas flow rate is set to a sufficient value (0 to allow the drain to be conveyed toward the outlet even if drain is generated in the flow path). .45m /
s or more). Therefore, for example, even under the operating condition in which the hydrogen utilization rate is set to a high level, it is easily possible to sufficiently prevent the gas flow path on the anode side of the operating fuel cell from being blocked by the drain.
【0020】なお、このようにアノード排ガスを燃料ガ
スに混合してアノードに供給する場合には、アノード排
ガスを供給する以前に比べて、アノードに導入されるガ
スの全流量とアノードから排出されるガスの全流量は増
加する。このとき、例えば、装置外部に排出するアノー
ド排ガスの排出量を燃料ガスに混合するアノード排ガス
の供給量に一致させるようにすれば、アノード排ガスを
供給してもアノードにおける水素利用率をアノード排ガ
スを供給する以前の値に保つことができる。When the anode exhaust gas is mixed with the fuel gas and supplied to the anode, the total flow rate of the gas introduced into the anode and the exhaust gas discharged from the anode are compared with before the anode exhaust gas is supplied. The total gas flow increases. At this time, for example, if the discharge amount of the anode exhaust gas discharged to the outside of the apparatus is made to coincide with the supply amount of the anode exhaust gas mixed with the fuel gas, the hydrogen utilization rate at the anode is reduced even if the anode exhaust gas is supplied. It can be kept at the value before supply.
【0021】一方、ガス流路の出口における排ガスの流
速が0.45m/s未満となると、ガス流路内にドレン
が生成しても速やかに当該ガス流路外部から排出するこ
とが困難となり、ガス流路がドレンにより閉塞されてし
まう。On the other hand, if the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path is less than 0.45 m / s, it becomes difficult to quickly discharge the gas from the outside of the gas flow path even if drain is generated in the gas flow path. The gas flow path is blocked by the drain.
【0022】ここで、本発明の燃料電池における制御手
段は、負荷要求が予め設定された下限値まで低下した際
に、排ガス供給手段を作動させる信号を送出するもので
ある。この「負荷要求の下限値」とは、排ガス供給手段
を作動させてアノードから排出される排ガスの一部を排
ガス供給ラインを介してアノードに供給しない作動条件
のもとで燃料電池装置を作動させた場合に、アノードと
セパレータにより形成されたガス流路の出口における排
ガスの流速が0.45m/s以上の所定値をとるように
定められる負荷要求値である。この排ガス供給手段を作
動させる際の負荷要求の下限値の設定は、ガス流路の出
口における排ガスの流速が0.45m/s以上であれば
特に限定されず、使用する燃料電池装置の出力や構成、
使用環境等により適宜設定してよいが、ドレンの生成を
より確実に防止する観点から0.6m/s以上であるこ
とがより好ましい。Here, the control means in the fuel cell of the present invention sends a signal for activating the exhaust gas supply means when the load request falls to a preset lower limit. The "lower limit of the load requirement" means that the fuel cell device is operated under an operating condition in which the exhaust gas supply means is operated and a part of the exhaust gas discharged from the anode is not supplied to the anode via the exhaust gas supply line. In this case, the load required value is determined so that the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path formed by the anode and the separator takes a predetermined value of 0.45 m / s or more. The setting of the lower limit of the load requirement when operating the exhaust gas supply means is not particularly limited as long as the flow velocity of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path is 0.45 m / s or more. Constitution,
It may be appropriately set depending on the use environment and the like, but is more preferably 0.6 m / s or more from the viewpoint of more reliably preventing the generation of drain.
【0023】また、燃料電池に対する負荷要求が上記の
負荷要求の下限値以下に低下するときに、循環ブロア等
の排ガス供給手段を作動させた後のアノード側のガス流
路の出口における排ガスの流速(0.45m/s以上の
所定値)も、0.45m/s以上であれば特に限定され
ず、使用する燃料電池装置の出力や構成、使用環境等に
より適宜設定してよいが、ドレンの生成をより確実に防
止する観点及びドレインが生成した場合であってもその
ドレンをより確実に燃料電池の外部に排出する観点か
ら、0.6m/s以上であることがより好ましい。そし
て、循環ブロア等の排ガス供給手段を作動させた後のア
ノード側のガス流路の出口における排ガスの流速は、
0.45m/s以上であれば、燃料電池に対する負荷要
求が上記の負荷要求の下限値以下に低下した際に常に一
定値をとるように予め設定してもよく、負荷要求にあわ
せて変動するように予め設定してもよい。When the load demand on the fuel cell falls below the lower limit of the load demand, the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path on the anode side after the operation of exhaust gas supply means such as a circulation blower is activated. The (predetermined value of 0.45 m / s or more) is not particularly limited as long as it is 0.45 m / s or more, and may be appropriately set depending on the output and configuration of the fuel cell device to be used, the use environment, and the like. From the viewpoint of more reliably preventing generation and even in the case where a drain is generated, the drain is more preferably discharged to the outside of the fuel cell at 0.6 m / s or more. Then, the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path on the anode side after operating the exhaust gas supply means such as a circulation blower is:
If it is 0.45 m / s or more, it may be set in advance so as to always take a constant value when the load request for the fuel cell falls below the lower limit of the load request described above, and fluctuates according to the load request. May be set in advance as follows.
【0024】例えば、上記の負荷要求の下限値と、循環
ブロア等の排ガス供給手段を作動させた後のアノード側
のガス流路の出口における排ガスの流速とは、使用する
燃料電池装置において、負荷要求値とガス流路の出口に
おける排ガスの流速との相関を理論計算値や実験値によ
り解析し決定することが可能である。For example, the lower limit of the load requirement and the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path on the anode side after the operation of the exhaust gas supply means such as a circulating blower are determined by the load of the fuel cell device used. It is possible to analyze and determine the correlation between the required value and the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow channel based on theoretically calculated values and experimental values.
【0025】また、この場合、排ガス供給手段は、アノ
ードから排出される排ガスの一部を排ガス供給ライン内
に吸引するとともに改質装置とアノードとを結ぶガスラ
インに向けて吐出する循環ブロアと、循環ブロアから吐
出される排ガスの流量を調節する流量調整手段とから構
成されていることが好ましい。In this case, the exhaust gas supply means includes a circulating blower that sucks a part of the exhaust gas discharged from the anode into the exhaust gas supply line and discharges the exhaust gas toward a gas line connecting the reformer and the anode. And a flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the exhaust gas discharged from the circulation blower.
【0026】循環ブロアを使用することにより、アノー
ドから排出される排ガスと改質装置から流出するアノー
ド反応ガスとの間に圧力差が生じていても支障なく確実
に両者を混合してアノードに供給することができる。ま
た、流量調整手段を使用することにより、アノードに供
給されるガスの水素分圧とガス流量を負荷要求に対応す
るようにより正確かつより迅速に調節することができ
る。By using the circulation blower, even if there is a pressure difference between the exhaust gas discharged from the anode and the anode reactant gas flowing out of the reformer, both are surely mixed without any trouble and supplied to the anode. can do. Further, by using the flow rate adjusting means, the hydrogen partial pressure and the gas flow rate of the gas supplied to the anode can be adjusted more accurately and more quickly so as to correspond to the load demand.
【0027】更に、本発明の燃料電池装置においては、
アノードの排ガス出口近傍の排ガスライン上に設けられ
ており、排ガスの流量を検出する第一流量検出手段を更
に備え、制御手段は、燃料電池に対する負荷要求と、第
一流量検出手段の検出値とに基づいて、排ガス供給手段
を更に制御することが好ましい。Further, in the fuel cell device of the present invention,
It is provided on an exhaust gas line near the exhaust gas outlet of the anode, and further includes a first flow rate detecting means for detecting a flow rate of the exhaust gas. It is preferable to further control the exhaust gas supply means based on the above.
【0028】アノード側のセパレータに形成されるガス
流路の数とその断面積は予め規定されるので、第一流量
検出手段によってアノードの排ガスの流量を検出するこ
とにより、アノードのガス流路の出口における流速を検
出することができる。すなわち、第一流量検出手段によ
りアノードのガス流路の出口における流速を直接検出す
ることができ、然も、その設置位置により、アノードの
ガス流路の出口における流速を単位セル毎、或いはスタ
ック毎に容易に検出することができる。そのため、上記
のような構成とすることにより、燃料電池装置の使用環
境等の燃料電池に対する負荷要求の変動と異なる要因に
よりアノードのガス流路の出口における流速が低下する
場合にも、ガス流路のドレンによる閉塞を十分に防止す
ることが可能となる。なお、第一流量検出手段は、例え
ば、燃料電池のスタック毎に設置してもよく、必要に応
じてスタックを構成する各単セル毎に設置してもよい。Since the number of gas channels formed in the separator on the anode side and the cross-sectional area thereof are predetermined, the flow rate of the exhaust gas from the anode is detected by the first flow rate detecting means, whereby the gas flow in the anode gas channel is determined. The flow rate at the outlet can be detected. That is, the flow rate at the outlet of the gas flow path of the anode can be directly detected by the first flow rate detecting means, and the flow rate at the outlet of the gas flow path of the anode can be directly determined per unit cell or per stack depending on the installation position. Can be easily detected. Therefore, with the above configuration, even when the flow velocity at the outlet of the gas flow path of the anode decreases due to a factor different from the fluctuation of the load demand on the fuel cell such as the usage environment of the fuel cell device, the gas flow path Can be sufficiently prevented from being blocked by the drain. The first flow rate detecting means may be provided, for example, for each fuel cell stack, or may be provided for each single cell constituting the stack as needed.
【0029】また、この場合、改質装置から流出するア
ノード反応ガスの流量を検出する第二流量検出手段を更
に備え、制御手段は、燃料電池に対する負荷要求と、第
一流量検出手段の検出値と、第二流量検出手段の検出値
とに基づいて、排ガス供給手段を更に制御することが好
ましい。このような構成とすることにより、改質装置か
ら流出するアノード反応ガスの供給量をより正確に把握
することができるので、アノードに供給する排ガスの供
給量をより正確に決定することが可能となる。すなわ
ち、燃料電池の作動条件を負荷要求の変動に対してより
迅速に変化させ、アノードのガス流路のドレンによる閉
塞をより確実に防止することができる。In this case, the fuel cell further includes a second flow rate detecting means for detecting a flow rate of the anode reaction gas flowing out of the reformer, wherein the control means determines a load request for the fuel cell and a detected value of the first flow rate detecting means. It is preferable to further control the exhaust gas supply means based on the detected value of the second flow rate detection means. With this configuration, the supply amount of the anode reaction gas flowing out of the reformer can be grasped more accurately, so that the supply amount of the exhaust gas to be supplied to the anode can be determined more accurately. Become. That is, the operating condition of the fuel cell can be changed more quickly with respect to the fluctuation of the load request, and the blockage of the anode gas flow channel by the drain can be more reliably prevented.
【0030】更に、本発明の燃料電池装置においては、
排ガス供給手段の入口近傍の排ガス供給ライン上に設け
られており、排ガス中に含まれる液滴を除去する液滴除
去手段を更に備えることが好ましい。これにより、アノ
ードに供給される排ガス中の水蒸気成分を十分に除去で
きるので、アノードのガス流路内におけるドレンの生成
を効果的に抑制することができる。Further, in the fuel cell device of the present invention,
It is preferable that the apparatus further includes a droplet removing unit that is provided on the exhaust gas supply line near the inlet of the exhaust gas supply unit and removes droplets contained in the exhaust gas. Thereby, since the water vapor component in the exhaust gas supplied to the anode can be sufficiently removed, the generation of drain in the gas flow path of the anode can be effectively suppressed.
【0031】また、本発明の燃料電池装置の運転方法
は、アノードとカソードとの間に配置された高分子電解
質を有する単セルとセパレータとを複数積層させた燃料
電池を備え、改質装置で生成されたアノード反応ガスを
アノードに供給すると共にカソード反応ガス供給手段か
らカソード反応ガスをカソードに供給し、電気化学反応
によって電力を発生する燃料電池装置の運転方法におい
て、燃料電池に対する負荷要求に基づいて、アノードか
ら排出される排ガスの一部を取り出して改質装置から流
出するアノード反応ガスと共にアノードに供給し、アノ
ードとセパレータにより形成されたガス流路の出口にお
ける排ガスの流速が0.45m/s以上の所定値となる
ようにアノードに供給する排ガスの流量を調節すること
を特徴とする。Further, the operating method of the fuel cell device according to the present invention comprises a fuel cell in which a plurality of unit cells each having a polymer electrolyte and a separator are disposed between an anode and a cathode, and a separator is provided. In the operating method of the fuel cell device, in which the generated anode reaction gas is supplied to the anode and the cathode reaction gas is supplied from the cathode reaction gas supply means to the cathode and power is generated by an electrochemical reaction, the operation is performed based on a load request for the fuel cell. A part of the exhaust gas discharged from the anode is taken out and supplied to the anode together with the anode reaction gas flowing out of the reformer, and the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path formed by the anode and the separator is 0.45 m / The flow rate of the exhaust gas supplied to the anode is adjusted so as to have a predetermined value of s or more.
【0032】また、この場合、アノードから排出される
排ガスの流量を検出し、検出される検出値に基づいてア
ノードに供給する排ガスの流量を調節することが好まし
い。In this case, it is preferable that the flow rate of the exhaust gas discharged from the anode is detected, and the flow rate of the exhaust gas supplied to the anode is adjusted based on the detected value.
【0033】更に、この場合、改質装置から流出するア
ノード反応ガスの流量を検出し、検出される検出値に基
づいてアノードに供給する排ガスの流量を調節すること
が好ましい。Further, in this case, it is preferable to detect the flow rate of the anode reaction gas flowing out of the reformer and adjust the flow rate of the exhaust gas supplied to the anode based on the detected value.
【0034】[0034]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
による燃料電池装置、及び、燃料電池装置の運転方法の
好適な実施形態について詳細に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a fuel cell device and a method of operating the fuel cell device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【0035】図1は、本発明による燃料電池装置を示す
系統図である。同図に示す燃料電池装置1は、移動車両
や小型コジェネレーションシステムの電源として採用す
ると好適なものであり、固体高分子電解質型の燃料電池
FCを備える。この燃料電池FCは、水素を含む燃料ガ
ス(アノード反応ガス)と、酸化用ガスとしての空気
(カソード反応ガス)とを利用した電気化学反応によっ
て電気エネルギを発生する。燃料電池FCが発生する電
気エネルギは、移動車両の駆動源や小型コジェネレーシ
ョンシステムの発電源として利用される。なお、燃料電
池装置1に、直接メタノール型燃料電池(DMFC)を
備えることも可能である。FIG. 1 is a system diagram showing a fuel cell device according to the present invention. The fuel cell device 1 shown in the figure is suitable for use as a power source for a mobile vehicle or a small cogeneration system, and includes a solid polymer electrolyte fuel cell FC. The fuel cell FC generates electric energy by an electrochemical reaction using a fuel gas containing hydrogen (anode reaction gas) and air (a cathode reaction gas) as an oxidizing gas. The electric energy generated by the fuel cell FC is used as a drive source for a moving vehicle or a power source for a small cogeneration system. The fuel cell device 1 may include a direct methanol fuel cell (DMFC).
【0036】図1に示すように、燃料電池装置10は、
複数の高分子電解質型の燃料電池FC、燃料ガスを生成
するための燃料供給部12、水供給部14、改質装置1
5、及び、制御装置90を備えている。燃料供給部12
は、燃料ガスを生成するためのメタノール等を貯留する
燃料タンクや燃料ポンプ(何れも図示せず)を有する。
燃料供給部12には、燃料ラインL8の一端が接続され
ている。燃料供給ラインL8は、中途に流量調整弁FR
V1を有し、その他端側は改質装置15に接続されてい
る。この流量調整弁FRV1は、制御装置90と電気的
に接続されており燃料ラインL8に対する開通時間と閉
止時間を制御されている。その結果、燃料供給部12か
ら改質装置15に供給されるメタノールの流量は、燃料
電池装置10の作動状況に応じて調節される。As shown in FIG. 1, the fuel cell device 10
Plurality of polymer electrolyte fuel cells FC, fuel supply unit 12 for generating fuel gas, water supply unit 14, reformer 1
5 and a control device 90. Fuel supply unit 12
Has a fuel tank and a fuel pump (both not shown) for storing methanol or the like for generating fuel gas.
One end of a fuel line L8 is connected to the fuel supply unit 12. The fuel supply line L8 is provided with a flow control valve FR
V1 and the other end is connected to the reformer 15. The flow control valve FRV1 is electrically connected to the control device 90, and controls the opening time and closing time of the fuel line L8. As a result, the flow rate of methanol supplied from the fuel supply unit 12 to the reformer 15 is adjusted in accordance with the operation state of the fuel cell device 10.
【0037】同様に、水供給部14は、燃料(メタノー
ル)を改質する際に改質用流体として利用される水を貯
留する水タンクや水ポンプ(何れも図示せず)を有す
る。水供給部14には、改質用水ラインL9の一端が接
続されている。この改質用水ラインL9も、中途に流量
調整弁FRV2を有し、その他端側は改質装置15に接
続されている。この流量調整弁FRV2は、制御装置9
0と電気的に接続されており、改質用水ラインL9の開
通時間と閉止時間を制御されている。その結果、水供給
部14から改質装置15に供給される改質用水の流量
は、燃料電池装置10の作動状況に応じて調節される。Similarly, the water supply unit 14 has a water tank and a water pump (both not shown) for storing water used as a reforming fluid when reforming fuel (methanol). One end of a reforming water line L9 is connected to the water supply unit 14. The reforming water line L9 also has a flow control valve FRV2 on the way, and the other end is connected to the reformer 15. The flow control valve FRV2 is connected to the control device 9
0, and the opening time and closing time of the reforming water line L9 are controlled. As a result, the flow rate of the reforming water supplied from the water supply unit 14 to the reforming device 15 is adjusted according to the operation state of the fuel cell device 10.
【0038】燃料供給部12から供給されるメタノール
と水供給部14から供給される改質用水は混ざり合い改
質装置15に供給される。改質装置15は、燃料供給部
12から供給されるメタノールと水供給部14から供給
される改質用水とを利用した水蒸気改質によって水素を
含む燃料ガスを生成するものである。このため、改質装
置15は、蒸発部16、改質部17、及び、選択酸化部
18を含む。The methanol supplied from the fuel supply unit 12 and the reforming water supplied from the water supply unit 14 are mixed and supplied to the reformer 15. The reformer 15 generates a fuel gas containing hydrogen by steam reforming using methanol supplied from the fuel supply unit 12 and reforming water supplied from the water supply unit 14. Therefore, the reformer 15 includes an evaporator 16, a reformer 17, and a selective oxidizer 18.
【0039】改質装置15における燃料ガスの生成工程
について説明すると、燃料供給部12及び水供給部14
からの水メタノール混合液は、まず蒸発部16に供給さ
れる。蒸発部16は、図示しないバーナを備えており、
このバーナが発生する熱によって水メタノール混合液は
気化・昇温して水メタノール混合ガスとなる。そして、
蒸発部16で気化・昇温した水メタノール混合ガスは、
改質部17に流入する。The process of generating the fuel gas in the reformer 15 will be described. The fuel supply unit 12 and the water supply unit 14
Is first supplied to the evaporating section 16. The evaporator 16 includes a burner (not shown).
The heat generated by the burner vaporizes and raises the temperature of the water-methanol mixed liquid to form a water-methanol mixed gas. And
The water-methanol mixed gas vaporized and heated in the evaporator 16 is
It flows into the reforming section 17.
【0040】改質部17の内部には、改質触媒として、
例えば、微粒子状の触媒を坦持させたハニカム状の多孔
質体(図示せず)が配置されている。改質部17に流入
した水メタノール混合ガスが当該改質触媒の表面を通過
すると、以下の(4)及び、(5)式に示した反応が進
行し、これにより、水素リッチな改質ガスが生成され
る。なお、(4)及び、(5)式をあわせて表現すると
(6)式となる。 CH3OH→CO+2H2−90.9kJ/mol …(4) CO+H2O→CO2+H2+41.0kJ/mol …(5) CH3OH+H2O→CO2+3H2−49.8kJ/mol…(6)Inside the reforming section 17, as a reforming catalyst,
For example, a honeycomb-shaped porous body (not shown) carrying a particulate catalyst is arranged. When the water-methanol mixed gas that has flowed into the reforming section 17 passes through the surface of the reforming catalyst, the reactions represented by the following equations (4) and (5) progress, and as a result, the hydrogen-rich reformed gas Is generated. Expressions (4) and (5) are expressed as expression (6). CH 3 OH → CO + 2H 2 -90.9 kJ / mol… (4) CO + H 2 O → CO 2 + H 2 +41.0 kJ / mol… (5) CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 −49.8 kJ / mol… (6)
【0041】上記(4)〜(6)式に示す水蒸気改質反
応は、吸熱反応であることから、反応を進行させるため
の熱を改質部17内に供給する必要がある。このために
は、蒸発部16から水メタノール混合ガスが熱を同伴し
ながら改質部17に流れ込むように構成すると好まし
い。また、改質部17に所定の加熱装置を設け、反応を
進行させるための熱を当該加熱装置から改質部17内に
与えるように構成してもよい。なお、Cu−Zn触媒に
よって水蒸気改質反応を進行させた場合、改質部17の
内部温度は、250〜300℃の温度範囲が好ましい。Since the steam reforming reaction represented by the above formulas (4) to (6) is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat into the reforming section 17 to advance the reaction. To this end, it is preferable that the water / methanol mixed gas be configured to flow from the evaporator 16 into the reformer 17 while entraining heat. Further, a predetermined heating device may be provided in the reforming unit 17 so that heat for promoting the reaction is supplied from the heating device into the reforming unit 17. When the steam reforming reaction is caused to proceed by the Cu—Zn catalyst, the internal temperature of the reforming section 17 is preferably in a temperature range of 250 to 300 ° C.
【0042】ここで、この改質部17に、中途に流量調
整弁を有する空気ライン(何れも図示せず)を接続し、
改質用の空気を必要に応じて供給する構成としてもよ
い。改質部17内に改質用空気が供給された場合、改質
部17では、蒸発部16から流入する水メタノール混合
ガス中のメタノールと改質用の空気に含まれる酸素との
間で、次の(7)式に示す反応が進行する。 CH3OH+1/2O2→CO+H2O+H2+151.6kJ/mol…(7) これにより、吸熱反応による熱を更に補うことができ
る。そして、この場合には改質部17に接続された空気
ラインの流量調整弁も制御装置90と電気的に接続し、
燃料電池の作動条件にあわせて空気の供給量を制御する
構成とすることが好ましい。Here, an air line (neither is shown) having a flow control valve in the middle thereof is connected to the reforming section 17.
A configuration may be adopted in which reforming air is supplied as needed. When the reforming air is supplied into the reforming unit 17, the reforming unit 17 performs a process between the methanol in the water-methanol mixed gas flowing from the evaporating unit 16 and the oxygen contained in the reforming air. The reaction represented by the following equation (7) proceeds. CH 3 OH + OO 2 → CO + H 2 O + H 2 +151.6 kJ / mol (7) Thereby, the heat due to the endothermic reaction can be further supplemented. And in this case, the flow control valve of the air line connected to the reforming unit 17 is also electrically connected to the control device 90,
It is preferable that the supply amount of air be controlled in accordance with the operating conditions of the fuel cell.
【0043】また、この改質部17には改質部17内の
CO濃度を測定するためのCOセンサ或いは温度センサ
などのCO濃度測定手段を備えることが好ましい。これ
により、(4)〜(7)で示される改質部17内の水蒸
気改質反応が所定の定常状態で進行しているか否かをモ
ニタすることが可能となる。そして、この場合には、C
O濃度測定手段も制御装置90と電気的に接続して、C
O濃度測定手段により測定された改質部17内のデータ
を制御装置90に出力し、CO濃度に基づいて燃料電池
の作動条件にあわせて改質部17内への空気の供給量を
制御させる構成とすることが好ましい。The reforming section 17 preferably includes a CO concentration measuring means such as a CO sensor or a temperature sensor for measuring the CO concentration in the reforming section 17. This makes it possible to monitor whether the steam reforming reaction in the reforming section 17 shown in (4) to (7) is proceeding in a predetermined steady state. And in this case, C
The O concentration measuring means is also electrically connected to the controller 90 to
The data in the reforming unit 17 measured by the O concentration measuring unit is output to the control device 90, and the supply amount of air into the reforming unit 17 is controlled based on the CO concentration in accordance with the operating condition of the fuel cell. It is preferable to have a configuration.
【0044】このようにして改質部17で生成された改
質ガスは、次に、選択酸化部18に流入する。選択酸化
部18には、メタロシリケート触媒等のCO選択酸化触
媒を坦持させた多孔質体(図示せず)が配置されてい
る。また、選択酸化部18には、中途に流量調整弁を有
する空気ライン(何れも図示せず)が接続されており、
CO選択酸化用の空気が供給される構成となっている。
そして、選択酸化部18に流入した改質ガスが当該CO
選択酸化触媒の表面を通過すると、供給されたCO選択
酸化用の空気が利用されて、次の(8)式に示す選択酸
化反応が進行する。 CO+1/2O2→CO2 +284.7kJ/mol…(8)The reformed gas thus generated in the reforming section 17 flows into the selective oxidizing section 18 next. In the selective oxidation section 18, a porous body (not shown) supporting a CO selective oxidation catalyst such as a metallosilicate catalyst is arranged. An air line (not shown) having a flow control valve in the middle is connected to the selective oxidation unit 18.
The configuration is such that air for CO selective oxidation is supplied.
Then, the reformed gas flowing into the selective oxidation section 18 is
After passing through the surface of the selective oxidation catalyst, the supplied air for selective oxidation of CO is used, and the selective oxidation reaction represented by the following equation (8) proceeds. CO + 1 / 2O 2 → CO 2 +284.7 kJ / mol ... (8)
【0045】これにより、改質部17で生成された改質
ガス中の一酸化炭素のみが選択的に酸化され、選択酸化
部18では、一酸化炭素濃度が十分に低減された燃料ガ
スが生成されることになる。そして、改質装置15の選
択酸化部18で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給ラ
インL1を介して燃料電池FCに供給される。As a result, only the carbon monoxide in the reformed gas generated in the reforming section 17 is selectively oxidized, and the selective oxidizing section 18 generates fuel gas having a sufficiently reduced carbon monoxide concentration. Will be done. Then, the fuel gas generated in the selective oxidation section 18 of the reformer 15 is supplied to the fuel cell FC via the fuel gas supply line L1.
【0046】また、この選択酸化部18には、内部のC
O濃度を測定するためのCOセンサ或いは温度センサな
どのCO濃度測定手段(図示せず)が備えられており、
(8)式に示される選択酸化部18内のCO選択酸化反
応が所定の定常状態で進行しているか否かをモニタする
構成とされている。そして、このCO濃度測定手段とC
O選択酸化用空気の流量を調整する流量調整弁とは制御
装置90と電気的に接続されており、測定された選択酸
化部18内のCO濃度のデータは制御装置90に出力さ
れて処理され、選択酸化部18内のCO濃度を適正な範
囲内に保持するためにCO選択酸化用空気の供給量が燃
料電池の作動条件にあわせて制御される。The selective oxidation portion 18 has an internal C
A CO concentration measuring means (not shown) such as a CO sensor or a temperature sensor for measuring the O concentration is provided.
It is configured to monitor whether or not the CO selective oxidation reaction in the selective oxidation section 18 shown in the equation (8) is proceeding in a predetermined steady state. Then, the CO concentration measuring means and C
The flow control valve for adjusting the flow rate of the O selective oxidation air is electrically connected to the control device 90, and the measured data of the CO concentration in the selective oxidation section 18 is output to the control device 90 and processed. In order to maintain the CO concentration in the selective oxidizing section 18 within an appropriate range, the supply amount of the CO selective oxidizing air is controlled according to the operating conditions of the fuel cell.
【0047】更に、改質装置15の出口に接続された燃
料ガス供給ラインL1の中途には、冷却器35が配置さ
れている。改質装置15から流出して燃料ガス供給ライ
ンL1を流通する燃料ガスは、改質装置15で進行する
水蒸気改質反応の反応温度に応じて昇温しているが、こ
の冷却器35において燃料電池FCの作動温度近傍まで
冷却される。Further, a cooler 35 is disposed in the middle of the fuel gas supply line L1 connected to the outlet of the reformer 15. The temperature of the fuel gas flowing out of the reformer 15 and flowing through the fuel gas supply line L1 is increased in accordance with the reaction temperature of the steam reforming reaction that proceeds in the reformer 15, The battery is cooled to near the operating temperature of the battery FC.
【0048】ここで、冷却器35は、燃料ガスの冷却に
伴って水蒸気成分が凝縮する場合に凝縮水を分離して水
供給部14に供給できる構成を有している。なお、制御
手段90により改質装置15に供給する燃料、水、改質
用空気、CO選択酸化用空気等の供給量を制御して、生
成される燃料ガスの水蒸気分圧を燃料電池FCの作動温
度における飽和蒸気圧以下に予め調節するようにしても
よい。この場合には、改質装置15から流出する燃料ガ
スは、冷却器35において燃料電池FCの作動温度まで
冷却されてもその水蒸気成分が凝縮することはない。Here, the cooler 35 is configured to be capable of separating condensed water and supplying the condensed water to the water supply unit 14 when the steam component condenses with cooling of the fuel gas. The control means 90 controls the supply amounts of fuel, water, reforming air, CO selective oxidizing air and the like to be supplied to the reforming device 15 so that the generated steam partial pressure of the fuel gas is reduced by the fuel cell FC. It may be adjusted in advance to a value equal to or lower than the saturated vapor pressure at the operating temperature. In this case, even if the fuel gas flowing out of the reformer 15 is cooled to the operating temperature of the fuel cell FC in the cooler 35, its water vapor component does not condense.
【0049】一方、燃料電池装置10は、図1に示すよ
うに、カソード反応ガスとしての空気を燃料電池FCに
供給するカソード反応ガス供給手段として、ブロアB1
を備える。このブロアB1は、中途に流量調整弁FRV
3を有する空気供給ラインL2を介して燃料電池FCと
接続されており、大気中の空気を吸込んで所定圧力まで
昇圧させ、燃料電池FCに対して圧送する。これによ
り、ブロアB1から燃料電池FCにむけて、圧縮されて
所定温度(例えば、120℃程度)まで昇温した空気が
供給されることになる。On the other hand, as shown in FIG. 1, the fuel cell device 10 comprises a blower B1 as a cathode reaction gas supply means for supplying air as a cathode reaction gas to the fuel cell FC.
Is provided. This blower B1 is provided with a flow control valve FRV
The fuel cell FC is connected to the fuel cell FC via an air supply line L2 having an air supply line 3, and sucks air in the atmosphere to increase the pressure to a predetermined pressure, and sends the pressure to the fuel cell FC. As a result, compressed air heated to a predetermined temperature (for example, about 120 ° C.) is supplied from the blower B1 to the fuel cell FC.
【0050】更に、ブロアB1と、燃料電池FCの各カ
ソードCと接続されている空気入口47bとを結ぶ空気
供給ラインL2上には、熱交換器70が設けられてい
る。これにより、ブロアB1から圧送される空気は、熱
交換器70の内部を経由した後、燃料電池FCの空気入
口47bに流入することになる。熱交換器70は、密閉
容器として構成されており、その内部には伝熱管(図示
せず)が配置されている。そして、冷却系統50の冷却
媒体戻りラインL5が、伝熱管の流体入口に接続されて
いる。これにより、スタック40等を冷却させて燃料電
池の内部温度を反映する所定温度(例えば、60℃〜8
0℃程度)に昇温されて燃料電池FCの冷却媒体出口4
9bから流出する冷却水等の一部は、熱交換器70内に
配置されている伝熱管に流れ込むことになる。熱交換器
70内に配置された伝熱管の流体出口には、冷却媒体戻
りラインL5が再び接続されており、冷却媒体戻りライ
ンL5は、ラジエーターRに戻されて冷却・再循環させ
られる。Further, a heat exchanger 70 is provided on an air supply line L2 connecting the blower B1 and the air inlet 47b connected to each cathode C of the fuel cell FC. As a result, the air pumped from the blower B1 flows into the air inlet 47b of the fuel cell FC after passing through the inside of the heat exchanger 70. The heat exchanger 70 is configured as a closed container, and has a heat transfer tube (not shown) disposed therein. And the cooling medium return line L5 of the cooling system 50 is connected to the fluid inlet of the heat transfer tube. Thereby, the stack 40 and the like are cooled to reflect a predetermined temperature (for example, 60 ° C. to 8
(About 0 ° C.) and the cooling medium outlet 4 of the fuel cell FC
A part of the cooling water or the like flowing out of 9b flows into the heat transfer tube arranged in the heat exchanger 70. A coolant return line L5 is connected again to the fluid outlet of the heat transfer tube arranged in the heat exchanger 70, and the coolant return line L5 is returned to the radiator R to be cooled and recirculated.
【0051】一方、熱交換器70の内部には、燃料電池
FCを冷却させた冷却水等が流通する伝熱管が配置され
ているので、所定温度(120℃程度)まで昇温させら
れた空気は、燃料電池FCを冷却させて所定温度(例え
ば、60℃〜80℃程度)まで昇温した冷却媒体と伝熱
管を介して熱交換することになる。これにより、熱交換
器70の内部において、ブロアB1から流入する空気は
燃料電池FCの作動温度近傍(例えば、60℃〜80℃
程度)まで冷却させられる燃料電池FCの各カソードC
に供給されることになる。On the other hand, since a heat transfer tube through which cooling water or the like for cooling the fuel cell FC flows is disposed inside the heat exchanger 70, the air heated to a predetermined temperature (about 120 ° C.) Means that the fuel cell FC is cooled and heat exchange is performed via a heat transfer tube with a cooling medium heated to a predetermined temperature (for example, about 60 ° C. to 80 ° C.). Thereby, inside the heat exchanger 70, the air flowing from the blower B1 is close to the operating temperature of the fuel cell FC (for example, 60 ° C. to 80 ° C.).
Each cathode C of the fuel cell FC cooled to about
Will be supplied.
【0052】なお、ここで、カソードC側より高分子電
解質膜EMを加湿する場合には、図示しない加湿手段に
より空気に水蒸気成分を同伴させて各カソードCに供給
する。また、熱交換器70内における熱交換条件等によ
り熱交換器70から流出する空気の温度が燃料電池FC
の作動温度よりも高くなる場合においては、熱交換器7
0と燃料電池FCを結ぶ空気供給ラインL2上に必要に
応じて、更に冷却手段を設置してもよい。Here, when the polymer electrolyte membrane EM is humidified from the cathode C side, air is supplied to each cathode C together with a water vapor component by humidifying means (not shown). The temperature of the air flowing out of the heat exchanger 70 depends on the heat exchange conditions in the heat exchanger 70 and the like.
If the operating temperature is higher than the operating temperature of the heat exchanger 7,
If necessary, a cooling unit may be further provided on the air supply line L2 connecting the fuel cell FC with the fuel cell FC.
【0053】また、上述した改質用空気を選択酸化部1
8に供給するための空気ライン(図示せず)と、改質用
空気を改質部17に供給するための空気ライン(図示せ
ず)とは、ブロアB1に接続された空気供給ラインL2
から分岐する構成としてもよい。これにより、改質用空
気を供給するための供給源を別途設ける必要がなくなる
ので、燃料電池装置10全体のコンパクト化を図ること
ができる。このようにして、燃料電池FCは、改質装置
15から燃料ガスの供給を受け、ブロアB1から空気の
供給を受けることになる。Further, the above-described reforming air is supplied to the selective oxidation section 1.
8 and an air line (not shown) for supplying the reforming air to the reforming unit 17 include an air supply line L2 connected to the blower B1.
It is good also as composition which branches from. This eliminates the need to separately provide a supply source for supplying the reforming air, so that the entire fuel cell device 10 can be made compact. Thus, the fuel cell FC receives the supply of the fuel gas from the reformer 15 and the supply of the air from the blower B1.
【0054】この燃料電池FCについて詳細に説明する
と、図2に示すように、燃料電池FCは、単セルUC
(図3参照)とセパレータSP(図3及び図4参照)と
をシール材21を介して交互に多数積層させたスタック
40を有する。そして各単セルUCは、電解質膜EMを
ガス拡散電極であるアノードAとカソードCとの間に配
置させたものである。このスタック40は、各単セルU
CのアノードAと接続されたアノード集電板41aと、
各単セルUCのカソードCと接続されたカソード集電板
41bとによって挟持されている。また、アノード集電
板41aとカソード集電板41bとの外方には、絶縁板
42が配置されている。The fuel cell FC will be described in detail. As shown in FIG. 2, the fuel cell FC is a single cell UC.
There is a stack 40 in which a large number of (see FIG. 3) and separators SP (see FIGS. 3 and 4) are alternately stacked via a sealing material 21. Each single cell UC has an electrolyte membrane EM disposed between an anode A and a cathode C, which are gas diffusion electrodes. The stack 40 includes each single cell U
An anode current collector plate 41a connected to the anode A of C,
It is sandwiched between the cathode C of each unit cell UC and the cathode current collector 41b connected thereto. An insulating plate 42 is disposed outside the anode current collector 41a and the cathode current collector 41b.
【0055】各絶縁板42の外方には、スタック締付板
43を介してフランジ44a,44bが配置されてい
る。各フランジ44a,44bは、膜板45によって連
結されると共に強固に締め付けられている。これによ
り、スタック40、アノード集電板41a、カソード集
電板41b、絶縁板42等が一体化される。なお、各フ
ランジ44a,44bは、リブ構造を有する無垢材から
なり、これにより、燃料電池FC全体が軽量化される。
また、絶縁板42とフランジ44a,44bとの間に
は、皿ばね等の弾性体46を配置すると好ましく、これ
により、燃料電池FCの温度上昇、温度降下によるスタ
ック40の伸縮を吸収することができる。Outside the insulating plates 42, flanges 44a and 44b are arranged via a stack tightening plate 43. The flanges 44a and 44b are connected by a membrane plate 45 and firmly fastened. Thus, the stack 40, the anode current collector 41a, the cathode current collector 41b, the insulating plate 42, and the like are integrated. Each of the flanges 44a and 44b is made of a solid material having a rib structure, thereby reducing the weight of the entire fuel cell FC.
Further, it is preferable to dispose an elastic body 46 such as a disc spring between the insulating plate 42 and the flanges 44a and 44b. it can.
【0056】更に、燃料電池FCは、カソード集電板4
1b側に位置する絶縁板42の左上コーナー部を貫通す
る燃料ガス入口47a(アノード反応ガス入口)を有
し、この燃料ガス入口47aには、改質装置15と連な
る燃料ガス供給ラインL1が接続される。また、燃料電
池FCは、カソード集電板41b側に位置する絶縁板4
2の右上コーナー部を貫通する空気入口47b(カソー
ド反応ガス入口)を有し、この空気入口47bには、ブ
ロアBと連なる空気供給ラインL2が接続される。これ
により、燃料ガス入口47aから各単セルUCのアノー
ドAに燃料ガスが流れ込み、空気入口47bから各単セ
ルUCのカソードCに酸化用ガスとしての空気が流れ込
むことになる。Further, the fuel cell FC includes a cathode current collector 4
A fuel gas inlet 47a (anode reactant gas inlet) penetrates the upper left corner of the insulating plate 42 located on the side of 1b, and a fuel gas supply line L1 connected to the reformer 15 is connected to the fuel gas inlet 47a. Is done. Further, the fuel cell FC includes an insulating plate 4 located on the side of the cathode current collector 41b.
2 has an air inlet 47b (cathode reaction gas inlet) penetrating the upper right corner, and an air supply line L2 connected to the blower B is connected to the air inlet 47b. Thus, the fuel gas flows from the fuel gas inlet 47a to the anode A of each unit cell UC, and the air as the oxidizing gas flows from the air inlet 47b to the cathode C of each unit cell UC.
【0057】電解質膜EMは、例えば、含フッ素重合体
等の固体高分子材料によって形成されており、湿潤状態
下で良好なイオン伝導性を示すイオン交換膜である。高
分子電解質膜PEMを構成する固体高分子材料として
は、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合
体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基
を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることが
できる。商品としては例えば、ナフィオン(デュポン社
製)等が挙げられる。The electrolyte membrane EM is, for example, an ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer and exhibiting good ion conductivity in a wet state. As the solid polymer material constituting the polymer electrolyte membrane PEM, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group, or the like can be used. Examples of the product include Nafion (manufactured by DuPont) and the like.
【0058】一方、ガス拡散電極であるアノードA及び
カソードCは、何れもガス拡散層と、ガス拡散層上に形
成された反応層(触媒層)とからなる。ここで、ガス拡
散層と反応層とについて簡単に説明すると、ガス拡散層
は、各単セルUC毎に供給された燃料ガス又は空気を反
応層側に円滑かつ均一に供給すると共に、反応層におけ
る電極反応によって生じる電子を単セルUCの外部に放
出させる役割を担うものである。ガス拡散層としては、
例えば、電気伝導性を有する多孔質体(本実施形態で
は、炭素繊維からなるカーボンペーパ)にフッ素系樹脂
(例えば、PTFE〔ポリテトラフルオロエチレン〕)
を用いて撥水化処理を施したものが使用される。On the other hand, the anode A and the cathode C, which are gas diffusion electrodes, each comprise a gas diffusion layer and a reaction layer (catalyst layer) formed on the gas diffusion layer. Here, the gas diffusion layer and the reaction layer will be briefly described. The gas diffusion layer smoothly and uniformly supplies the fuel gas or air supplied to each single cell UC to the reaction layer side, It plays a role in releasing electrons generated by the electrode reaction to the outside of the single cell UC. As a gas diffusion layer,
For example, a porous resin having electrical conductivity (in the present embodiment, carbon paper made of carbon fiber) is coated on a fluororesin (for example, PTFE [polytetrafluoroethylene]).
What has been subjected to a water-repellent treatment using is used.
【0059】また、反応層は、アノードAでは先に述べ
た(1)式、カソードCでは先に述べた(2)式にそれ
ぞれ示す電極反応を進行させる役割を担う。この反応層
は、いわゆる反応サイトの三次元化、すなわち、触媒と
イオン伝導性の電解質からなる領域(電解質ネットワー
ク)と燃料ガス又は空気が供給される領域(ガス拡散ネ
ットワーク)との三相界面面積の増大化が図られてい
る。具体的には、触媒表面積の大きな触媒担持カーボン
ブラック微粒子で基礎となる骨格を形成し、当該骨格の
一部分にPTFE等の撥水剤を分散させて撥水化処理を
施することにより、疎水性のガス拡散ネットワークを構
築する。そして、上記骨格の他の部分に、高分子電解質
を有機溶媒に溶解させた溶液を浸透塗布等して、触媒担
持カーボンブラックの表面を高分子電解質で被覆し親水
性の電解質ネットワークを構築する。これにより、燃料
ガス又は空気とイオン(プロトン)と触媒とを効率よく
接触させて各電極反応を速やかに進行させることが可能
となる。The reaction layer plays the role of advancing the electrode reaction shown in the above-mentioned formula (1) for the anode A and the above-mentioned formula (2) for the cathode C. This reaction layer is a three-dimensional reaction site, that is, a three-phase interface area between a region composed of a catalyst and an ion-conductive electrolyte (electrolyte network) and a region supplied with fuel gas or air (gas diffusion network). Is being increased. Specifically, by forming a basic skeleton with catalyst-supporting carbon black fine particles having a large catalyst surface area, and dispersing a water repellent such as PTFE to a part of the skeleton to perform a water repellent treatment, the hydrophobicity is improved. Build a gas diffusion network. Then, a solution in which a polymer electrolyte is dissolved in an organic solvent is applied to the other portion of the skeleton by, for example, permeation coating, and the surface of the catalyst-carrying carbon black is coated with the polymer electrolyte to construct a hydrophilic electrolyte network. This makes it possible to efficiently contact the fuel gas or air, the ions (protons), and the catalyst, and to promptly advance the respective electrode reactions.
【0060】このようなガス拡散層と反応層とからなる
アノードAとカソードCは、例えば、以下のような手順
に従って製造される。先ず、界面活性剤を含む有機溶媒
中に親水性のカーボンブラック微粒子と疎水性のカーボ
ンブラック微粒子とPTFEとを混入し、USHM(超
音波ホモジナイザー)やビーズミルなどによって分散混
合させてペースト状のスラリーを調製する。次に、当該
スラリーをガス拡散層となるカーボンぺーパ上に厚さが
均一になるように塗布した上で乾燥させる。そして、当
該カーボンペーパに電気炉又はホットプレス等を用いて
熱処理を施し、スラリー内のPTFEを焼結させると共
に界面活性剤を除去することにより反応層を形成する。
更に、反応層の表面に電極触媒を構成する金属塩を含む
溶液(例えば、塩化白金酸水溶液等)を塗布し、電気炉
等で乾燥・熱分解させた後、水素還元等の処理を施す。
これにより、アノードAとカソードCとが完成する。The anode A and the cathode C comprising such a gas diffusion layer and a reaction layer are manufactured, for example, according to the following procedure. First, hydrophilic carbon black fine particles, hydrophobic carbon black fine particles, and PTFE are mixed in an organic solvent containing a surfactant, and dispersed and mixed with a USHM (ultrasonic homogenizer) or a bead mill to form a paste slurry. Prepare. Next, the slurry is applied on a carbon paper serving as a gas diffusion layer so as to have a uniform thickness, and then dried. Then, the carbon paper is subjected to a heat treatment using an electric furnace or a hot press to sinter the PTFE in the slurry and remove the surfactant to form a reaction layer.
Further, a solution containing a metal salt constituting an electrode catalyst (for example, an aqueous solution of chloroplatinic acid) is applied to the surface of the reaction layer, dried and thermally decomposed in an electric furnace or the like, and then subjected to a treatment such as hydrogen reduction.
Thus, the anode A and the cathode C are completed.
【0061】この場合、電極触媒を構成する金属塩を含
む溶液は、親水性の電解質ネットワークを経由して反応
層内の細部に浸透して行くことから、水素還元処理等を
施した後の反応層内には、電極触媒が高い分散度で担持
されることになる。なお、必要に応じて、触媒担持量を
低減させたり、疎水性のより優れたガス拡散ネットワー
クを構築したりするために、フッ素系樹脂で予め被覆し
た触媒無担持のカーボンブラック微粒子を触媒担持カー
ボンブラック微粒子に分散させてもよい。In this case, since the solution containing the metal salt constituting the electrode catalyst penetrates into the details in the reaction layer via the hydrophilic electrolyte network, the reaction after the hydrogen reduction treatment or the like is performed. The electrode catalyst is supported in the layer with a high degree of dispersion. If necessary, in order to reduce the amount of supported catalyst or to construct a more hydrophobic gas diffusion network, unsupported carbon black fine particles previously coated with a fluororesin are used as catalyst-supporting carbon black particles. It may be dispersed in black fine particles.
【0062】また、反応層の電気抵抗を低減させるため
に、触媒無担持のカーボンブラック微粒子からなる骨格
に撥水化処理を施すことなく、高分子電解質のみで被覆
して高分子電解質自体が構造的に有する疎水性領域をガ
ス拡散ネットワークとすることも可能である。更に、ア
ノードA及びカソードCは、カーボンフエルトや、炭素
繊維からなるカーボンクロス等を用いて構成してもよ
い。Further, in order to reduce the electric resistance of the reaction layer, the skeleton composed of the catalyst-free carbon black fine particles is coated with only the polymer electrolyte without subjecting the skeleton to water repellency treatment, so that the polymer electrolyte itself has a structure. It is also possible to use the hydrophobic region that is physically present as a gas diffusion network. Furthermore, the anode A and the cathode C may be configured using carbon felt, carbon cloth made of carbon fiber, or the like.
【0063】そして、上述した構成を有するアノードA
及びカソードCを、固体高分子材料からなる電解質膜E
Mに接合させることにより、単セルUCが形成される。
具体的には、アノードAとカソードCとの反応層を電解
質膜EMと接触させた上で、電気炉やホットプレス等で
熱処理することにより、単セルUCが完成する。この場
合、アノードA及びカソードCの接合面における密着性
を向上させるために、アノードA及びカソードCの反応
層表面に高分子電解質の膜を有機溶媒に溶解させた溶液
を少量塗布した上で熱処理を施すと好ましい。また、ア
ノードAとカソードCとを接合する前に、過酸化水素の
希薄溶液にて電解質膜EM中の不純物を酸化除去し、そ
の後、硫酸水溶液で電解質膜EM内のイオン交換基をプ
ロトンフォームにする等して電解質膜の活性化処理を施
すと好ましい。The anode A having the above-described configuration
And the cathode C as an electrolyte membrane E made of a solid polymer material
By joining to M, a single cell UC is formed.
Specifically, a single cell UC is completed by bringing a reaction layer of the anode A and the cathode C into contact with the electrolyte membrane EM and performing a heat treatment with an electric furnace, a hot press or the like. In this case, in order to improve the adhesion at the joining surface between the anode A and the cathode C, a small amount of a solution obtained by dissolving a polymer electrolyte membrane in an organic solvent is applied to the surface of the reaction layer of the anode A and the cathode C, and then heat-treated. Is preferably applied. Further, before joining the anode A and the cathode C, the impurities in the electrolyte membrane EM are oxidized and removed with a dilute solution of hydrogen peroxide, and then the ion exchange groups in the electrolyte membrane EM are converted to proton foam with a sulfuric acid aqueous solution. It is preferable to perform an activation treatment of the electrolyte membrane, for example.
【0064】上述したように構成された単セルUCと共
に、スタック40を構成するセパレータSPは、図3に
示すように、1体の単セルUCに対して、アノードA側
と、カソードC側とにそれぞれ1体ずつ装着される。セ
パレータSPは、例えば、カーボンを圧縮してガス不透
過とした緻密質カーボンといったようなガス不透過の導
電性部材により形成され、図4(a)及び図4(b)に
示すように、矩形薄板状を呈する。ここで、図4(a)
は、セパレータSPの表裏面のうち、アノードAと接す
る側の面(以下「アノード接触面」という)をアノード
A側から視た平面図であり、カソードCと接する側の面
(以下「カソード接触面」という)をカソードC側から
視た平面図である。As shown in FIG. 3, together with the single cell UC configured as described above, the separator SP forming the stack 40 is arranged such that the single cell UC is connected to the anode A side and the cathode C side with respect to one single cell UC. Are mounted one by one. The separator SP is formed of, for example, a gas-impermeable conductive member such as dense carbon that has been made gas-impermeable by compressing carbon, and has a rectangular shape as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). It has a thin plate shape. Here, FIG.
Is a plan view of a surface (hereinafter, referred to as an “anode contact surface”) of the front and back surfaces of the separator SP viewed from the anode A side, and a surface (hereinafter, referred to as a “cathode contact surface”) contacting the cathode C. FIG. 2 is a plan view of the surface (referred to as “surface”) viewed from the cathode C side.
【0065】図4(a)及び図4(b)に示すように、
セパレータSPの四隅には、その側縁部に沿って延びる
長穴状の開口部50a,50b,51a,51bが形成
されている。また、セパレータSPのアノード接触面に
は、一端側が図中右上の開口部50aと連通し、他端側
が図中左下の開口部51aと連通するように、S字状に
屈曲する複数の溝52が形成されている。更に、セパレ
ータSPのカソード接触面には、一端側が図中右上の開
口部50bと連通し、他端側が図中左下の開口部51b
と連通するように、S字状に屈曲する複数の溝53が形
成されている。As shown in FIGS. 4A and 4B,
Slot-shaped openings 50a, 50b, 51a, 51b extending along the side edges are formed at the four corners of the separator SP. The anode contact surface of the separator SP has a plurality of grooves 52 bent in an S-shape such that one end communicates with the upper right opening 50a in the figure and the other end communicates with the lower left opening 51a in the figure. Is formed. Further, one end of the cathode contact surface of the separator SP communicates with the upper right opening 50b in the figure, and the other end thereof communicates with the lower left opening 51b in the figure.
A plurality of grooves 53 that bend in an S-shape are formed so as to communicate with.
【0066】このように構成されたセパレータSPと単
セルUCとを多数積層させてスタック40を構成する
と、各開口部50a,50b,51a,51bは、それ
ぞれ1本の流路を形成する。また、各セパレータSPの
アノード接触面に形成された各溝52は、各単セルUC
のアノードAの表面とにより、燃料ガス流路54を画成
する(図3参照)。更に、各セパレータSPのカソード
接触面に形成された各溝53は、各単セルUCのカソー
ドCの表面とにより、空気流路55を画成する(図3参
照)。そして、開口部50aが形成する流路は、燃料ガ
ス入口47aと連通され、開口部50bが形成する流路
は、空気入口47bと連通される。When the stack 40 is formed by laminating a large number of the separators SP and the single cells UC configured as described above, each of the openings 50a, 50b, 51a, and 51b forms one flow path. Further, each groove 52 formed on the anode contact surface of each separator SP is provided with each single cell UC.
The fuel gas flow path 54 is defined by the surface of the anode A (see FIG. 3). Further, each groove 53 formed on the cathode contact surface of each separator SP defines an air flow path 55 with the surface of the cathode C of each single cell UC (see FIG. 3). The flow path formed by the opening 50a communicates with the fuel gas inlet 47a, and the flow path formed by the opening 50b communicates with the air inlet 47b.
【0067】これにより、改質装置15で生成された燃
料ガスは、燃料ガス入口47aと、各セパレータSPの
開口部50aとを介して、各セパレータSPの各溝52
とアノードAの表面とによって画成される燃料ガス流路
54に流れ込む。そして、燃料ガスが燃料ガス流路54
を流通すると、各アノードAで上記(1)式に示す反応
が進行する。また、ブロアBから供給される酸化用ガス
としての空気は、空気入口47bと、各セパレータSP
の開口部50bが形成する流路とを介して、各セパレー
タSPの各溝53とカソードCの表面とによって画成さ
れる空気流路55に流れ込む。そして、空気が空気流路
55を流通すると、各カソードCで上記(2)式に示す
反応が進行する。この結果、各単セルUCで上記(3)
式に示す全電池反応が進行し、燃料電池FCのアノード
集電板41aとカソード集電板41bとから起電力を得
ることができる。As a result, the fuel gas generated by the reformer 15 is supplied to each groove 52 of each separator SP through the fuel gas inlet 47a and the opening 50a of each separator SP.
And flows into the fuel gas flow passage 54 defined by the anode A surface. Then, the fuel gas is supplied to the fuel gas passage 54.
, The reaction represented by the above formula (1) proceeds at each anode A. Further, the air supplied from the blower B as the oxidizing gas is supplied to the air inlet 47b and the respective separators SP.
Flows into the air flow path 55 defined by the grooves 53 of the separators SP and the surface of the cathode C via the flow path formed by the opening 50b. When the air flows through the air flow path 55, the reaction represented by the above formula (2) proceeds at each cathode C. As a result, in each single cell UC, the above (3)
The whole cell reaction shown in the equation proceeds, and an electromotive force can be obtained from the anode current collector 41a and the cathode current collector 41b of the fuel cell FC.
【0068】また、この燃料電池FCのセパレータSP
では、燃料ガス流路54を画成する溝52と、空気流路
55を画成する溝53とがS字状に屈曲されている。従
って、各単セルUCのアノードAに供給された燃料ガス
は、S字状の燃料ガス流路54内を開口部50aから開
口部51aに向けて規則的に進行し、燃料ガス流路54
の途中におけるアノード反応サイトで消費されることに
なる。同様に、各単セルUCのカソードCに供給された
空気は、S字状の空気流路55を開口部50bから開口
部51bに向けて規則的に進行し、空気流路55の途中
におけるカソード反応サイトで消費される。The separator SP of the fuel cell FC
Here, the groove 52 defining the fuel gas flow path 54 and the groove 53 defining the air flow path 55 are bent in an S-shape. Therefore, the fuel gas supplied to the anode A of each single cell UC regularly proceeds in the S-shaped fuel gas flow path 54 from the opening 50a toward the opening 51a.
At the anode reaction site on the way. Similarly, the air supplied to the cathode C of each single cell UC travels regularly through the S-shaped air flow path 55 from the opening 50b to the opening 51b. Consumed at the reaction site.
【0069】これにより、燃料ガスと空気とは互いに逆
方向かつ規則的に進行するので、電極反応の進行に伴う
反応熱によって各アノードA及びカソードCに不均一な
温度分布が生じてしまうことが効果的に抑制できる。こ
の結果、燃料電池FC内では、上記(1)に示すアノー
ド電極反応と(2)に示すカソード電極反応とが良好に
進行することになる。なお、燃料ガス流路54及び空気
流路55はS字状のものに限られず、他の形態の流路5
4,55を画成するようにカソードCに溝52,53を
形成してもよい。As a result, the fuel gas and the air proceed in the opposite directions and regularly, so that the reaction heat accompanying the progress of the electrode reaction may cause an uneven temperature distribution in each of the anodes A and the cathodes C. It can be suppressed effectively. As a result, in the fuel cell FC, the anode electrode reaction shown in (1) and the cathode electrode reaction shown in (2) proceed favorably. Note that the fuel gas flow path 54 and the air flow path 55 are not limited to the S-shape, and the flow path 5 of another form may be used.
Grooves 52, 53 may be formed in cathode C to define 4,55.
【0070】燃料ガス流路54を流通しながらアノード
Aで反応した燃料ガスは、アノード排ガスとなり、各セ
パレータSPの開口部51aが形成する流路に流れ込
む。各セパレータSPの開口部51aが形成する流路
は、空気入口47bの下方に配置されたアノード排ガス
出口48a(図2参照)に接続されている。また、空気
流路55を流通しながらカソードCで反応した空気は、
カソード排ガスとなり、各セパレータSPの開口部51
bが形成する流路に流れ込む。各セパレータSPの開口
部51bが形成する流路は、燃料ガス入口47aの下方
に配置されたカソード排ガス出口48b(図2参照)に
接続されている。The fuel gas reacted at the anode A while flowing through the fuel gas flow path 54 becomes anode exhaust gas and flows into the flow path formed by the opening 51a of each separator SP. The flow path formed by the opening 51a of each separator SP is connected to an anode exhaust gas outlet 48a (see FIG. 2) disposed below the air inlet 47b. The air that has reacted at the cathode C while flowing through the air passage 55 is
It becomes the cathode exhaust gas and the opening 51 of each separator SP
b flows into the channel formed. The flow path formed by the opening 51b of each separator SP is connected to a cathode exhaust gas outlet 48b (see FIG. 2) disposed below the fuel gas inlet 47a.
【0071】燃料電池FCのアノード排ガス出口48a
は、図1に示すようにアノード排ガスラインL3を介し
て、改質装置15の蒸発部16に接続されている。同様
に、燃料電池FCのカソード排ガス出口48bも、カソ
ード排ガスラインL4を介して、改質装置15の蒸発部
16(バーナ)に接続されている。そして、燃料電池F
Cの各アノードAで生成されたアノード排ガスは、改質
装置15の蒸発部16に設けられているバーナで燃料と
して、各カソードCで生成されたカソード排ガスは、酸
化剤として再利用される。Anode exhaust gas outlet 48a of fuel cell FC
Is connected to the evaporator 16 of the reformer 15 via the anode exhaust gas line L3 as shown in FIG. Similarly, the cathode exhaust gas outlet 48b of the fuel cell FC is also connected to the evaporator 16 (burner) of the reformer 15 via the cathode exhaust gas line L4. And the fuel cell F
The anode exhaust gas generated at each anode A of C is reused as fuel by a burner provided in the evaporator 16 of the reformer 15, and the cathode exhaust gas generated at each cathode C is reused as an oxidant.
【0072】なお、アノード排ガスラインL3の中途に
圧力調整弁(図示せず)を配置すると共にカソード排ガ
スラインL4の中途に圧力調整弁を配置してもよい。こ
れらの圧力調整弁により、アノード排ガスラインL3を
流通するアノード排ガスの圧力を燃料電池FCの出口で
所定値に保つことができ、カソード排ガスラインL4を
流通するカソード排ガスの圧力を燃料電池FCの出口で
所定値に保つことができる。これにより、燃料電池FC
の内部における流体圧力、すなわち、各セパレータSP
の開口部50a,50b,51a,51bが形成する流
路や、各燃料ガス流路54、各空気流路55の内部にお
ける燃料ガス、及び、空気の圧力を一定に保つことが可
能となり、燃料電池FCを所望の電池電圧で作動させる
ことができる。A pressure regulating valve (not shown) may be arranged in the middle of the anode exhaust gas line L3 and a pressure regulating valve may be arranged in the middle of the cathode exhaust gas line L4. With these pressure regulating valves, the pressure of the anode exhaust gas flowing through the anode exhaust gas line L3 can be maintained at a predetermined value at the outlet of the fuel cell FC, and the pressure of the cathode exhaust gas flowing through the cathode exhaust gas line L4 can be maintained at the outlet of the fuel cell FC. Can be maintained at a predetermined value. Thereby, the fuel cell FC
, The fluid pressure in the inside of each separator SP
It is possible to keep the pressure of the fuel gas and the air inside the flow paths formed by the openings 50a, 50b, 51a, 51b, the fuel gas flow paths 54, and the air flow paths 55 constant. The battery FC can be operated at a desired battery voltage.
【0073】ここで、図1に示すように、この燃料電池
装置10では作動中の燃料電池FCのアノードA側のガ
ス流路のドレンによる閉塞を十分に防止する点に鑑み
て、以下説明する排ガス供給ラインL7と、循環ブロア
B2と、流量調整弁FRV4と、制御手段90とが備え
られている。更に、この燃料電池装置10においては、
複数の燃料電池FCのアノードAから流出するアノード
排ガスの総流量を測定するための流量検出器(第一流量
検出手段)S1が燃料電池FCと改質装置15とを結ぶ
アノード排ガスラインL3上に設けられている。また、
この燃料電池装置10においては、冷却器35から流出
する燃料ガスの流量を測定するための流量検出器(第二
流量検出手段)S2が冷却器35と燃料電池FCとを結
ぶ燃料ガス供給ラインL1上に設けられている。Here, as shown in FIG. 1, the fuel cell device 10 will be described below in view of sufficiently preventing the gas flow path on the anode A side of the operating fuel cell FC from being blocked by the drain. An exhaust gas supply line L7, a circulation blower B2, a flow control valve FRV4, and a control unit 90 are provided. Further, in this fuel cell device 10,
A flow rate detector (first flow rate detecting means) S1 for measuring the total flow rate of the anode exhaust gas flowing out from the anodes A of the plurality of fuel cells FC is provided on an anode exhaust gas line L3 connecting the fuel cell FC and the reformer 15. Is provided. Also,
In the fuel cell device 10, a flow rate detector (second flow rate detecting means) S2 for measuring the flow rate of the fuel gas flowing out of the cooler 35 is provided with a fuel gas supply line L1 connecting the cooler 35 and the fuel cell FC. It is provided above.
【0074】排ガス供給ラインL7は、複数の燃料電池
FCのアノードAから流出するアノード排ガスの一部を
再び複数の燃料電池FCのアノードAに供給するための
ガスラインである。この排ガス供給ラインL7は、その
一端が流量検出器S1と改質装置15の蒸発部16とを
結ぶアノード排ガスラインL3に接続され、他端が流量
検出器S2と燃料電池FCとを結ぶ燃料ガス供給ライン
L1に接続されている。そして、排ガス供給ラインL7
の中途には、燃料電池FCのアノードAから排出される
排ガスの一部を当該排ガス供給ラインL7内に吸引し、
燃料ガス供給ラインL1と排ガス供給ラインL7との合
流部に向けて吐出する循環ブロアB2と、循環ブロアか
ら吐出される排ガスの流量を調節する流量調整手段とし
て機能する流量調整弁FRV4とが設けられている。The exhaust gas supply line L7 is a gas line for supplying a part of the anode exhaust gas flowing out from the anodes A of the fuel cells FC to the anodes A of the fuel cells FC again. The exhaust gas supply line L7 has one end connected to an anode exhaust gas line L3 connecting the flow detector S1 and the evaporator 16 of the reformer 15, and the other end connecting a fuel gas connecting the flow detector S2 and the fuel cell FC. It is connected to the supply line L1. And the exhaust gas supply line L7
In the middle, a part of the exhaust gas discharged from the anode A of the fuel cell FC is sucked into the exhaust gas supply line L7,
A circulating blower B2 that discharges toward the junction of the fuel gas supply line L1 and the exhaust gas supply line L7, and a flow control valve FRV4 that functions as a flow control unit that controls the flow rate of the exhaust gas discharged from the circulating blower are provided. ing.
【0075】これらの流量検出器S1、流量検出器S
2、循環ブロアB2、及び流量調整弁FRV4は制御装
置90と電気的に接続されている。そして、先に述べた
ように、循環ブロアB2と流量調整弁FRV4は、燃料
電池に対する負荷要求値(電流値等)、流量検出器S1
における検出値、流量検出器S2における検出値に基づ
いて制御手段90により制御される。このようにして燃
料電池FCの作動中、燃料電池に対する負荷要求が低下
して設定された下限値に達した場合に、アノードAに形
成された各燃料ガス流路54の各出口における排ガスの
流速が0.45m/s以上の所定値となるように、アノ
ードAに供給するアノード排ガスの供給量が調節され
る。これにより、燃料電池装置10の運転中に、燃料電
池FCに対する負荷要求が低下して各燃料ガス流路54
内にドレンが生成したとしても、そのドレンを速やかに
外部へ排出できるので、燃料電池FCを負荷変動にあわ
せて常時安定な状態で作動させることができる。The flow rate detector S1 and the flow rate detector S
2. The circulation blower B2 and the flow control valve FRV4 are electrically connected to the control device 90. As described above, the circulation blower B2 and the flow rate regulating valve FRV4 are connected to the load request value (current value and the like) for the fuel cell and the flow rate detector S1.
Is controlled by the control means 90 based on the detection value at the flow rate detector S2 and the detection value at the flow rate detector S2. In this way, during the operation of the fuel cell FC, when the load demand on the fuel cell decreases and reaches the set lower limit, the flow rate of the exhaust gas at each outlet of each fuel gas passage 54 formed in the anode A Is adjusted to be a predetermined value of 0.45 m / s or more. As a result, during the operation of the fuel cell device 10, the load demand on the fuel cell FC decreases, and each fuel gas flow path 54
Even if a drain is generated in the fuel cell, the drain can be quickly discharged to the outside, so that the fuel cell FC can always be operated in a stable state according to the load fluctuation.
【0076】制御装置90は、主として流量調整弁FR
V1〜FRV4、及び循環ブロアB2を制御して改質装
置15に供給するメタノール、改質用水、及び空気の流
量を所定の値に調節するとともに、燃料電池FCに供給
するアノード反応ガス(燃料ガス)、空気、アノード排
ガスの流量を所定の値に調節する。The control device 90 mainly includes the flow control valve FR
V1 to FRV4 and the circulation blower B2 are controlled to adjust the flow rates of methanol, reforming water, and air supplied to the reformer 15 to predetermined values, and an anode reaction gas (fuel gas) supplied to the fuel cell FC. ), The flow rates of air and anode exhaust gas are adjusted to predetermined values.
【0077】この制御装置90は、図5に示すように、
CPU91、ROM92、及び、RAM93を有する。
CPU91は、マイクロプロセッサ等からなり、各種演
算処理を行う。また、ROM92には、制御・演算処理
のためのプログラムが予め記憶されており、RAM93
は、制御・演算処理の際に各種データを読み書きするた
めに用いられる。As shown in FIG. 5, the control device 90
It has a CPU 91, a ROM 92, and a RAM 93.
The CPU 91 includes a microprocessor or the like, and performs various arithmetic processing. A program for control / arithmetic processing is stored in the ROM 92 in advance.
Is used to read and write various data during control / arithmetic processing.
【0078】また、制御装置90は、図5に示すよう
に、CPU91と接続された入出力ポート94を有す
る。この入出力ポート94には、流量調整弁FRV1〜
FRV4、ブロアB1、循環ブロアB2、ポンプPc
(図示せず)、ラジエータR(図示せず)とが接続され
ている。従って、ブロアB1、循環ブロアB2、ポンプ
Pc、ラジエータRには、入出力ポート94を介して、
CPU91の演算処理によって生成された各種信号等が
与えられる。The control device 90 has an input / output port 94 connected to the CPU 91, as shown in FIG. The input / output port 94 has a flow control valve FRV1.
FRV4, blower B1, circulation blower B2, pump Pc
(Not shown) and a radiator R (not shown). Therefore, the blower B1, the circulation blower B2, the pump Pc, and the radiator R are connected via the input / output port 94.
Various signals and the like generated by the arithmetic processing of the CPU 91 are provided.
【0079】更に、制御装置90の入出力ポート94に
は、流量検出器S1と流量検出器S2とが接続されてい
る。そして、流量検出器S1と流量検出器S2によって
発せられる検出信号がCPU91に与えられる。また、
この制御装置90の入出力ポート94には、燃料電池F
Cに対する負荷を設定する負荷設定手段(図示せず)が
更に接続されており、当該負荷要求手段によって発せら
れる負荷要求信号がCPU91に与えられる。Further, a flow rate detector S1 and a flow rate detector S2 are connected to the input / output port 94 of the controller 90. Then, detection signals generated by the flow rate detectors S1 and S2 are given to the CPU 91. Also,
An input / output port 94 of the control device 90 has a fuel cell F
Load setting means (not shown) for setting a load on C is further connected, and a load request signal generated by the load request means is given to the CPU 91.
【0080】加えて、制御装置90は、記憶装置95を
有し、この記憶装置95は、入出力ポート94を介して
CPU91と接続されている。この記憶装置95には、
負荷要求信号と、流量検出器S1と流量検出器S2によ
って発せられる検出信号とに基づいて流量調整弁FRV
1〜FRV4、ブロアB1、循環ブロアB2、ポンプP
c、ラジエータRを制御するためのデータが記憶されて
いる。In addition, the control device 90 has a storage device 95, which is connected to the CPU 91 via an input / output port 94. In this storage device 95,
Based on the load request signal and the detection signals generated by the flow detectors S1 and S2, the flow control valve FRV
1 to FRV4, blower B1, circulation blower B2, pump P
c, data for controlling the radiator R is stored.
【0081】すなわち、記憶装置95には、燃料電池F
Cに対する負荷要求に応じた流量調整弁FRV1におけ
る流量を示すテーブルと、流量調整弁FRV2〜FRV
4について定められた所定の比例定数を示すデータとが
記憶されている。また、燃料電池FCに対する負荷要求
が予め設定された下限値まで低下した際に、燃料電池F
Cのスタックを構成する単セルUCのアノードAとセパ
レータSPとにより形成される各燃料ガス流路54の各
出口におけるアノード反応ガスの流速が、0.45以上
の所定値となるように循環ブロアB2と流量調整弁FR
V4とを制御するためのデータも記憶されている。これ
ら各種データは、上記各部の流量検出信号、及び、負荷
要求信号を受け取ったCPU91に読み出される。そし
て、CPU91は、上記各部の温度検出信号及び負荷要
求信号に基づいて、流量調整弁FRV1〜FRV4、ブ
ロアB1、循環ブロアB2、ポンプPc、ラジエータR
を制御するに送出する制御信号を生成する。That is, the storage device 95 stores the fuel cell F
A table indicating the flow rate of the flow control valve FRV1 according to the load request for C, and the flow control valves FRV2 to FRV
4 and data indicating a predetermined proportionality constant determined for 4. Further, when the load request for the fuel cell FC decreases to a preset lower limit, the fuel cell F
A circulation blower such that the flow rate of the anode reaction gas at each outlet of each fuel gas flow path 54 formed by the anode A of the single cell UC and the separator SP constituting the stack of C is 0.45 or more. B2 and flow control valve FR
Data for controlling V4 is also stored. These various data are read out by the CPU 91 which has received the flow rate detection signal and the load request signal of each section. Then, based on the temperature detection signal and the load request signal of each section, the CPU 91 controls the flow rate regulating valves FRV1 to FRV4, the blower B1, the circulation blower B2, the pump Pc, the radiator R
Generate a control signal to send to control.
【0082】なお、燃料電池FCに対する負荷要求が予
め設定された下限値まで低下した場合、或いは、負荷要
求の低下以外の他の要因で燃料電池FCのアノード排ガ
スの総流量から換算されるアノードAとセパレータSP
により形成された各燃料ガス流路54の各出口における
排ガスの流速が0.45m/s未満の値になる場合に、
循環ブロアB2と流量調整弁FRV4とを制御するため
のデータは、使用する燃料電池装置のスケール、出力、
燃料電池の作動条件(例えば、作動温度、アノード反応
ガスの反応圧力、カソード反応ガスの反応圧力、設定さ
れる水素利用率、設定されるいわゆるS/C比の範囲
等)等により適宜決定されるものであり、理論計算値、
実験値等に基づいて定めることができる。When the load request for the fuel cell FC has decreased to a preset lower limit, or when the anode A converted from the total flow rate of the anode exhaust gas of the fuel cell FC due to other factors other than the decrease in the load request. And separator SP
When the flow rate of the exhaust gas at each outlet of each fuel gas flow path 54 formed by the above becomes a value less than 0.45 m / s,
The data for controlling the circulation blower B2 and the flow regulating valve FRV4 includes the scale, output,
It is appropriately determined according to the operating conditions of the fuel cell (for example, operating temperature, reaction pressure of anode reaction gas, reaction pressure of cathode reaction gas, set hydrogen utilization rate, set so-called S / C ratio range, etc.) and the like. Are the theoretically calculated values,
It can be determined based on experimental values and the like.
【0083】更に、燃料電池FCに対する負荷要求に応
じた流量調整弁FRV1における流量、すなわち、負荷
要求に応じたメタノールの供給量を示すテーブルも、理
論計算値、実験値等に基づいて同様に定めることができ
る。また、流量調整弁FRV2〜FRV4に関する比例
定数は、流量調整弁FRV1における流量で定まるメタ
ノールの供給量と、改質用水の供給量、改質反応用の空
気の供給量、CO選択酸化用の空気との比から流量調整
弁FRV2〜FRV4毎に求められる。なお、このよう
な比例定数のデータを記憶装置95に記憶させる代わり
に、各流量調整弁FRV1〜FRV4について、燃料電
池FCに対する負荷要求に応じた流量を示すデータを作
成し、これらのデータを記憶装置95に記憶させてもよ
い。Further, a table indicating the flow rate at the flow rate regulating valve FRV1 according to the load request to the fuel cell FC, that is, the table showing the supply amount of methanol according to the load request, is similarly determined based on theoretically calculated values, experimental values, and the like. be able to. Further, the proportionality constants related to the flow control valves FRV2 to FRV4 are the supply amount of methanol determined by the flow rate at the flow control valve FRV1, the supply amount of reforming water, the supply amount of air for reforming reaction, and the air for CO selective oxidation. From each of the flow control valves FRV2 to FRV4. Instead of storing such proportional constant data in the storage device 95, data indicating a flow rate according to a load request to the fuel cell FC is created for each of the flow rate adjustment valves FRV1 to FRV4, and these data are stored. The information may be stored in the device 95.
【0084】このように構成された制御装置90等によ
り、流量調整弁FRV1〜FRV4、ブロアB1、循環
ブロアB2、ポンプPc、ラジエータRは、確実かつ精
度よく制御される。従って、燃料ラインL8、改質用水
ラインL9、空気供給ラインL2,燃料ガス供給ライン
L1、及び、排ガス供給ラインL7から、燃料であるメ
タノール、改質用水、カソード反応ガスとしての空気、
所定の温度と成分組成を有する燃料ガス、及びアノード
排ガスが、各対象機器に安定かつ精度よく供給されるこ
とになる。なお、制御装置90は、シーケンサとして構
成することも可能である。With the control device 90 configured as described above, the flow regulating valves FRV1 to FRV4, the blower B1, the circulation blower B2, the pump Pc, and the radiator R are controlled reliably and accurately. Therefore, the fuel line L8, the reforming water line L9, the air supply line L2, the fuel gas supply line L1, and the exhaust gas supply line L7 supply fuel methanol, reforming water, air as a cathode reaction gas,
Fuel gas having a predetermined temperature and component composition and anode exhaust gas are stably and accurately supplied to each target device. Note that the control device 90 can be configured as a sequencer.
【0085】なお、先に述べたように、改質装置15の
改質部17や選択酸化部18にCO濃度検出手段、部分
酸化用の空気を供給する空気供給手段、選択酸化用の空
気を供給する空気供給手段を必要に応じて設ける場合に
は、これらも制御装置90に接続し、CO濃度検出手段
から得られる検出信号に基づいて、改質装置15の改質
部17や選択酸化部18における各反応を負荷変動に応
じて制御してもよい。これにより、改質装置15から、
CO分圧及び水蒸気分圧を所定値により精度よく調節さ
れた燃料ガスがアノードAに供給されることになる。As described above, the CO concentration detecting means, the air supply means for supplying air for partial oxidation, and the air for selective oxidation are supplied to the reforming section 17 and the selective oxidizing section 18 of the reformer 15. In the case where air supply means for supplying air are provided as necessary, they are also connected to the control device 90, and based on a detection signal obtained from the CO concentration detection means, the reforming section 17 and the selective oxidizing section of the reforming apparatus 15 are provided. Each reaction in 18 may be controlled according to the load fluctuation. Thereby, from the reformer 15,
The fuel gas in which the CO partial pressure and the water vapor partial pressure are precisely adjusted to predetermined values is supplied to the anode A.
【0086】また、本発明の燃料電池10を作動させる
際の作動条件の一つである、いわゆるS/C比、すなわ
ち、改質用水の供給量(mol)/メタノールの供給量
(mol)の比の範囲は以下のように設定される。すな
わち、このS/C比は、改質部17の反応温度と、選択
酸化部18反応温度と、改質装置15から流出する燃料
ガスの温度と、燃料電池FCの作動温度とを所定の値に
定めたうえで、(4)〜(8)式で示される改質反応及
び選択酸化反応の速度定数をそれぞれに設定し、メタノ
ール、改質用水、及び、改質部17や選択酸化部18に
供給する空気の供給量を変化させて速度論的解析を行な
い、改質装置15から流出する燃料ガス中の成分組成を
算出することにより設定されるものである。このとき、
例えば、燃料電池に対する負荷要求値の変動範囲の条件
と燃料電池の高分子電解質膜の加湿条件の変動範囲の条
件を考慮し、算出される燃料ガス中の成分組成の結果よ
り、改質装置15から流出する燃料ガス中の水素分圧、
CO分圧、水蒸気圧等が、これらの条件を満たすように
S/C比を求める。なお、改質部17の反応として、
(7)式で示されるようなメタノール等の燃料の部分酸
化反応を行わない場合にも同様にして改質装置15から
流出する燃料ガス中の所望の水蒸気圧を得る場合のS/
C比を求める。The so-called S / C ratio, which is one of the operating conditions for operating the fuel cell 10 of the present invention, that is, the ratio of the supply amount of reforming water (mol) / the supply amount of methanol (mol) The range of the ratio is set as follows. That is, the S / C ratio is a predetermined value of the reaction temperature of the reforming unit 17, the reaction temperature of the selective oxidizing unit 18, the temperature of the fuel gas flowing out of the reformer 15, and the operating temperature of the fuel cell FC. Then, the rate constants of the reforming reaction and the selective oxidation reaction represented by the equations (4) to (8) are set respectively, and methanol, reforming water, the reforming unit 17 and the selective oxidizing unit 18 are set. This is set by performing a kinetic analysis by changing the amount of air supplied to the fuel cell and calculating the component composition of the fuel gas flowing out of the reformer 15. At this time,
For example, taking into account the condition of the variation range of the load requirement value for the fuel cell and the condition of the variation range of the humidification condition of the polymer electrolyte membrane of the fuel cell, the result of the component composition in the fuel gas calculated and the Partial pressure of hydrogen in fuel gas flowing out of
The S / C ratio is determined so that the CO partial pressure, the water vapor pressure, and the like satisfy these conditions. In addition, as a reaction of the reforming unit 17,
Similarly, when the partial oxidation reaction of fuel such as methanol as shown in the equation (7) is not performed, the S / S in the case where a desired steam pressure in the fuel gas flowing out of the reformer 15 is obtained.
Find the C ratio.
【0087】例えば、燃料電池FCの作動圧力が1.6ata
(98066Pa)であり、燃料電池FCの作動温度が
80℃であり、改質部17の反応温度及び選択酸化部1
8の反応温度が所定の温度であり、改質装置15から流
出する燃料ガスの温度T1が、120〜200℃である
場合には、流量調整弁FRV1とFRV2とを制御し
て、改質用水の供給量(mol)/メタノールの供給量
(mol)の比(S/C比)を1.5〜2.5とするこ
とが好ましく、1.8〜2.0とすることが更に好まし
い。For example, when the operating pressure of the fuel cell FC is 1.6ata
(98066 Pa), the operating temperature of the fuel cell FC is 80 ° C., the reaction temperature of the reforming section 17 and the selective oxidizing section 1
8 is a predetermined temperature and the temperature T1 of the fuel gas flowing out of the reformer 15 is 120 to 200 ° C., the flow control valves FRV1 and FRV2 are controlled to control the reforming water The ratio (S / C ratio) of the supply amount (mol) of methanol / the supply amount (mol) of methanol is preferably 1.5 to 2.5, more preferably 1.8 to 2.0.
【0088】ここで、S/C比が、1.5未満であると
改質装置15から流出する燃料ガス中のCOの濃度が増
大し、燃料電池FCの各アノードA内において電極触媒
の被毒を著しく進行させてしまう傾向が大きくなる。一
方、S/C比が、2.5を超えると、多量の水を蒸発さ
せる必要が生じ、システム効率の低下を招くという不具
合を生じる。なお、必要に応じてCOの濃度を低下させ
るために選択酸化部18の冷却条件を変更し、選択酸化
部18の反応温度を通常よりも下げる場合もある。そし
て、必要に応じて改質部17や選択酸化部18に供給す
る空気の供給量を制御して改質装置15に(7)及び/
又は(8)式で示される化学量論比に基づいた所定量の
空気を供給し反応を進行させる。Here, if the S / C ratio is less than 1.5, the concentration of CO in the fuel gas flowing out of the reformer 15 increases, and the electrode catalyst is covered in each anode A of the fuel cell FC. The tendency for the poison to progress significantly increases. On the other hand, when the S / C ratio exceeds 2.5, it becomes necessary to evaporate a large amount of water, which causes a problem of lowering system efficiency. In some cases, the cooling condition of the selective oxidizing unit 18 may be changed to reduce the CO concentration as necessary, and the reaction temperature of the selective oxidizing unit 18 may be lower than usual. Then, if necessary, the supply amount of air supplied to the reforming unit 17 and the selective oxidizing unit 18 is controlled so that the reformer 15 (7) and / or
Alternatively, the reaction proceeds by supplying a predetermined amount of air based on the stoichiometric ratio represented by the formula (8).
【0089】一方、このように構成された燃料電池FC
は、上記(1)に示すアノード電極反応と(2)に示す
カソード電極反応とが進行するにつれて発熱するが、燃
料電池FCの作動を安定化させるためには、その作動温
度を略一定に維持することが重要である。このため、燃
料電池FCは内部に冷却媒体を流通させることができる
ように構成されており、燃料電池装置10には、冷却系
統50が備えられている。燃料電池FCの冷却構造につ
いて説明すると、図4(a)及び図4(b)に示すよう
に、燃料電池FCのスタック40を構成する各セパレー
タSPには、開口部50aと開口部51bとの間に更な
る開口部56が形成されている。更に、開口部50bと
開口部51aとの間には、開口部56と対向するように
開口部57が形成されている。On the other hand, the fuel cell FC thus configured
Generates heat as the anode electrode reaction shown in the above (1) and the cathode electrode reaction shown in the above (2) progress. However, in order to stabilize the operation of the fuel cell FC, the operating temperature is kept substantially constant. It is important to. For this reason, the fuel cell FC is configured to allow a cooling medium to flow therein, and the fuel cell device 10 is provided with a cooling system 50. The cooling structure of the fuel cell FC will be described. As shown in FIGS. 4A and 4B, each separator SP forming the stack 40 of the fuel cell FC includes an opening 50a and an opening 51b. An additional opening 56 is formed therebetween. Further, an opening 57 is formed between the opening 50b and the opening 51a so as to face the opening 56.
【0090】このように形成された各セパレータSPの
開口部56,57は、セパレータSPと単セルUCとを
多数積層させてスタック40を構成した際に、それぞ
れ、1本の流路を形成する。そして、各開口部56が形
成する流路と、各開口部57が形成する流路とは、アノ
ード集電板41a側に配置されているフランジ44aの
内部に形成されている図示しない流路を介して互いに連
通しており、冷却流路58(図1参照)を形成する。ま
た、図2に示すように、燃料電池FCのフランジ44b
側には、冷却媒体入口49aが設けられており、この冷
却媒体入口49aは、上記各開口部56が形成する流路
に連通されている。更に、燃料電池FCのフランジ44
b側には、冷却媒体出口49bが設けられており、この
冷却媒体出口49bは、上記各開口部57が形成する流
路に連通されている。The openings 56 and 57 of each separator SP thus formed form one flow path when the stack 40 is formed by laminating many separators SP and single cells UC. . The flow path formed by each opening 56 and the flow path formed by each opening 57 are flow paths (not shown) formed inside the flange 44a disposed on the anode current collector 41a side. And a cooling channel 58 (see FIG. 1). Further, as shown in FIG. 2, the flange 44b of the fuel cell FC
A cooling medium inlet 49a is provided on the side, and the cooling medium inlet 49a communicates with a flow path formed by each of the openings 56. Further, the flange 44 of the fuel cell FC
A cooling medium outlet 49b is provided on the b side, and the cooling medium outlet 49b communicates with a flow path formed by each of the openings 57.
【0091】一方、冷却系統50は、冷却媒体循環ポン
プPc、冷却媒体ラインL6、冷却媒体戻りラインL
5、熱交換器とファン等からなるラジエータR等から構
成されている。すなわち、燃料電池FCの冷却媒体入口
49aには、図1に示すように、冷却媒体ラインL6を
介して、冷却媒体循環ポンプPcが接続されている。ま
た、燃料電池FCの冷却媒体出口49bには、冷却媒体
戻りラインL5が接続されており、この冷却媒体戻りラ
インL5は、ラジエータRを構成する熱交換器の冷媒入
口に接続されている。On the other hand, the cooling system 50 includes a cooling medium circulation pump Pc, a cooling medium line L6, a cooling medium return line L
5. The radiator R is composed of a heat exchanger and a fan. That is, as shown in FIG. 1, the cooling medium circulation pump Pc is connected to the cooling medium inlet 49a of the fuel cell FC via the cooling medium line L6. Further, a cooling medium return line L5 is connected to a cooling medium outlet 49b of the fuel cell FC, and the cooling medium return line L5 is connected to a refrigerant inlet of a heat exchanger constituting the radiator R.
【0092】従って、冷却媒体循環ポンプPcを作動さ
せれば、冷却水等が冷却媒体ラインL6、冷却媒体入口
49aを介して、燃料電池FCの冷却流路58に導入さ
れ、燃料電池FCのスタック40等から熱を奪って昇温
した冷却水等は、冷却媒体出口49b、冷却媒体戻りラ
インL5を介して、ラジエータRに戻される。冷却水等
は、ラジエータRで冷却され、冷却媒体循環ポンプPc
によって再度、燃料電池FCに対して供給される。これ
により、燃料電池FCの作動温度は、常に好適範囲(例
えば、60℃〜80℃程度)に保たれる。Therefore, when the cooling medium circulation pump Pc is operated, the cooling water and the like are introduced into the cooling flow path 58 of the fuel cell FC through the cooling medium line L6 and the cooling medium inlet 49a, and the fuel cell FC is stacked. The cooling water or the like that has been heated by depriving the heat from the cooling medium 40 and the like is returned to the radiator R via the cooling medium outlet 49b and the cooling medium return line L5. The cooling water or the like is cooled by the radiator R, and the cooling medium circulation pump Pc
Is supplied to the fuel cell FC again. Thereby, the operating temperature of the fuel cell FC is always kept in a suitable range (for example, about 60 ° C. to 80 ° C.).
【0093】ここで、この燃料電池FCにおいて、作動
中の燃料電池FCの温度TFCを測定するための温度セン
サSFC(図示せず)を各スタック40の所定の部位、或
いは必要に応じて各スタック40を構成する各単セルU
Cごとに備えてもよい。そしてこの場合には、温度セン
サSFCとラジエータRとを制御装置90と電気的に接続
し、温度センサSFCにより測定された燃料電池FC内の
温度TFCのデータを制御装置90に出力して処理し、ラ
ジエータRの出力を制御させて燃料電池FCの作動温度
を調節する構成とすることが好ましい。[0093] Here, in the fuel cell FC, a predetermined portion of the temperature sensor S FC (not shown) of each stack 40 to measure the temperature T FC of the fuel cell FC in operation, or if necessary Each single cell U constituting each stack 40
You may prepare for every C. And in this case, connects the temperature sensor S FC and the radiator R controller 90 electrically, and outputs to the temperature T FC controller data 90 in the temperature sensor S FC fuel cell measured by FC And controlling the output of the radiator R to adjust the operating temperature of the fuel cell FC.
【0094】また、冷却系統50を流通する冷却水等
は、冷却器35で燃料ガスを冷却させる冷熱源としても
用いてもよい。更に、冷却系統50を流通する冷却水等
は、改質装置15の改質部17と選択酸化部18との内
部を所定の反応温度に調節するための冷熱源としても用
いてもよい。The cooling water or the like flowing through the cooling system 50 may be used as a cold heat source for cooling the fuel gas by the cooler 35. Further, the cooling water or the like flowing through the cooling system 50 may be used as a cold source for adjusting the inside of the reforming unit 17 and the selective oxidizing unit 18 of the reformer 15 to a predetermined reaction temperature.
【0095】次に、上述した燃料電池装置10の動作に
ついて、図6に示すフローチャート等を参照しながら説
明する。Next, the operation of the above-described fuel cell device 10 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
【0096】燃料電池装置10を起動させる場合、制御
装置90のCPU91は、ポンプPcに駆動信号を出力
して冷却水の循環を開始させる。次に、改質装置15の
蒸発部16のバーナを点火した後、CPU91は、流量
調整弁FRV1〜FRV3、必要に応じて配置された改
質装置15への空気供給手段に駆動信号を出力し、メタ
ノール、改質用水、改質用の空気、CO選択酸化用の空
気等を改質装置15に所定の条件で供給して改質装置1
5における反応を開始させる。次に、改質装置15の各
部の反応温度が所定の温度に到達し、改質装置15から
流出する燃料ガスの成分組成(水素分圧、CO分圧、水
蒸気分圧等)が、燃料電池に対する負荷要求の変動に対
応して変動可能な状態に到達した後、CPU91は、改
質装置15から流出する燃料ガスを燃料電池FCに供給
する制御信号を送出するとともに、ブロアB1とラジエ
ータRとに駆動信号を送出し燃料電池FCの反応を開始
させる。なお、例えば、図1に図示しないバイパスライ
ンを燃料ガス供給ラインL1から分岐させ、改質装置1
5から流出する燃料ガスを燃料ガス供給ラインL1とバ
イパスラインとで切り替え可能な構成とし、CPU91
に改質装置15の各部の反応温度が所定の温度に到達す
るまでは、バイパスラインを通じて改質装置15から流
出する燃料ガスを外部或いは蒸発部16のバーナに導く
ように制御させる(S10)。When starting the fuel cell device 10, the CPU 91 of the control device 90 outputs a drive signal to the pump Pc to start circulation of the cooling water. Next, after igniting the burner of the evaporating section 16 of the reformer 15, the CPU 91 outputs a drive signal to the flow rate adjusting valves FRV1 to FRV3 and air supply means for the reformer 15 arranged as necessary. , Methanol, reforming water, reforming air, CO selective oxidizing air, etc., are supplied to the reformer 15 under predetermined conditions.
The reaction at 5 is started. Next, the reaction temperature of each part of the reformer 15 reaches a predetermined temperature, and the component composition (hydrogen partial pressure, CO partial pressure, water vapor partial pressure, etc.) of the fuel gas flowing out of the reformer 15 changes according to the fuel cell. CPU 91 sends a control signal for supplying the fuel gas FC flowing out of the reformer 15 to the fuel cell FC after reaching a state in which it can fluctuate in response to a change in the load request for the blower B1 and the radiator R. To start the reaction of the fuel cell FC. In addition, for example, a bypass line (not shown in FIG. 1) is branched from the fuel gas supply line L1, and the reformer 1
5 can be switched between the fuel gas supply line L1 and the bypass line.
Until the reaction temperature of each section of the reformer 15 reaches a predetermined temperature, the fuel gas flowing out of the reformer 15 through the bypass line is controlled to be guided to the outside or the burner of the evaporator 16 (S10).
【0097】改質装置15が定常的な作動状態に達して
燃料ガスがアノードAに供給されるようになると、CP
U91は、以下に説明するように負荷要求に対応して燃
料電池装置全体を定常的に作動させるためのデータに基
づき、新たな駆動信号を流量調整弁FRV1〜FRV
4、ポンプPc、ブロアB1、循環ブロアB2及びラジ
エータR等に送信して、燃料電池装置10全体のバラン
スのとれた制御を開始する。このとき、既述のとおり、
燃料電池FC及び冷却器35は所定の作動温度に調節さ
れているので、燃料ガス及び空気が供給され始めても速
やかに所定の出力で定常的に作動できる状態となる。ま
た、作動中の改質装置15、冷却器35、燃料電池FC
の温度は、例えば、これらにそれぞれ備えられた温度セ
ンサの検出結果に基づいて、ラジエータR及びポンプP
3等の駆動状態を制御装置90により制御することによ
って所望の温度範囲内に保つことが可能となる。When the reformer 15 reaches the steady operating state and the fuel gas is supplied to the anode A, CP
U91, based on data for steadily operating the entire fuel cell device in response to a load request, as described below, transmits new drive signals to the flow control valves FRV1 to FRV.
4. Transmission to the pump Pc, the blower B1, the circulation blower B2, the radiator R, and the like, to start balanced control of the entire fuel cell device 10. At this time, as described above,
Since the fuel cell FC and the cooler 35 are adjusted to a predetermined operation temperature, even when the supply of the fuel gas and the air starts to be started, the fuel cell FC and the cooler 35 can quickly and steadily operate at a predetermined output. The operating reformer 15, the cooler 35, and the fuel cell FC
Of the radiator R and the pump P, for example, based on the detection results of the temperature sensors provided for them.
By controlling the driving states such as 3 by the control device 90, it is possible to maintain the temperature within a desired temperature range.
【0098】このようにして、燃料電池装置10が所定
の作動条件で定常的に作動するようになると、制御装置
90のCPU91に対しては、所定の負荷設定手段から
負荷要求信号が与えられる。また、CPU91は、流量
検出器S1から送信される燃料電池FCのアノード排ガ
スの総流量を示す検出信号と、流量検出器S2から送信
される改質装置15から流出する燃料ガスの流量を示す
検出信号とをそれぞれ受信する(S20)。In this way, when the fuel cell device 10 starts operating steadily under the predetermined operating conditions, a load request signal is given to the CPU 91 of the control device 90 from the predetermined load setting means. The CPU 91 also transmits a detection signal indicating the total flow rate of the anode exhaust gas of the fuel cell FC transmitted from the flow rate detector S1 and a detection signal indicating the flow rate of the fuel gas flowing out of the reformer 15 transmitted from the flow rate detector S2. And a signal (S20).
【0099】次に、CPU91は、受信した負荷要求信
号が示す負荷要求値と記憶装置95に記憶されている負
荷要求の設定下限値とを比較する。また、CPU91
は、受信した流量検出器S1からの検出信号が示すアノ
ード排ガスの総流量と記憶装置95に記憶されているア
ノード排ガスの総流量の設定下限流量とを比較する。更
に、CPU91は、受信した流量検出器S2からの検出
信号が示す燃料ガスの流量と記憶装置95に記憶されて
いる燃料ガスの流量の設定下限流量とを比較する(S3
0)。Next, the CPU 91 compares the load request value indicated by the received load request signal with the set lower limit value of the load request stored in the storage device 95. Also, the CPU 91
Compares the total anode exhaust gas flow rate indicated by the received detection signal from the flow rate detector S1 with the set lower limit flow rate of the total anode exhaust gas flow stored in the storage device 95. Further, the CPU 91 compares the fuel gas flow rate indicated by the received detection signal from the flow rate detector S2 with the set lower limit flow rate of the fuel gas flow rate stored in the storage device 95 (S3).
0).
【0100】そして、受信した負荷要求信号が示す負荷
要求値がその設定下限値を超えており、受信したアノー
ド排ガスの総流量がその設定下限流量を超えており、か
つ、受信したアノード排ガスの総流量がその設定下限流
量を超えている場合には、CPU91は、負荷要求信号
に基づいて、記憶装置95に記憶されている流量調整弁
FRV1における流量を示すテーブルにアクセスする。
そして、CPU91は、当該テーブルの中から、負荷要
求信号に示されている燃料電池FCに対する負荷要求に
対応するデータを読み出し、当該負荷要求に応じた流量
調整弁FRV1における流量とを示すデータに基づい
て、流量調整弁FRV1に送出する制御信号を生成す
る。このように、流量調整弁FRV1における流量を定
めることにより、燃料電池FCに対する負荷要求に応じ
たメタノールの供給量が決定されることになる(S4
0)。The load request value indicated by the received load request signal exceeds the set lower limit value, the total flow rate of the received anode exhaust gas exceeds the set lower limit flow rate, and When the flow rate exceeds the set lower limit flow rate, the CPU 91 accesses a table indicating the flow rate at the flow rate adjustment valve FRV1 stored in the storage device 95 based on the load request signal.
Then, the CPU 91 reads data corresponding to the load request for the fuel cell FC indicated by the load request signal from the table, and based on the data indicating the flow rate at the flow rate regulating valve FRV1 corresponding to the load request. Thus, a control signal to be sent to the flow control valve FRV1 is generated. Thus, by determining the flow rate in the flow rate regulating valve FRV1, the supply amount of methanol according to the load request for the fuel cell FC is determined (S4).
0).
【0101】また、S40において、燃料電池FCに対
する負荷要求に応じたメタノールの供給量を決定したC
PU91は、次に、記憶装置95から、流量調整弁FR
V2及び流量調整弁FRV3について定められた所定の
比例定数を示すデータを読み出す。そして、CPU91
は、当該データと、S40で読み出した負荷要求に応じ
た流量調整弁FRV1における流量を示すデータを乗じ
て流量調整弁FRV2及び流量調整弁FRV3に送出す
る制御信号を生成する。これにより、流量調整弁FRV
2を介して供給される改質用水、流量調整弁FRV3を
介して供給される空気の供給量が、燃料電池FCに対す
る負荷要求に応じるように決定されることになる。な
お、このとき、改質装置15の改質部17と選択酸化部
18にそれぞれ空気を供給する構成の場合には、その空
気供給手段も上記の流量調整弁FRV2及び流量調整弁
FRV3と同様に流量調整弁FRV1に対して比例制御
してもよい。(S50)。In step S40, the amount of methanol supplied according to the load request for the fuel cell FC is determined.
The PU 91 then reads the flow control valve FR from the storage device 95.
Data indicating a predetermined proportionality constant determined for V2 and the flow control valve FRV3 is read. And the CPU 91
Generates a control signal to be sent to the flow control valves FRV2 and FRV3 by multiplying the data by the data indicating the flow rate in the flow control valve FRV1 corresponding to the load request read in S40. Thereby, the flow control valve FRV
The supply amount of the reforming water supplied via the second control valve 2 and the supply amount of the air supplied via the flow control valve FRV3 are determined in accordance with the load request for the fuel cell FC. At this time, in a case where air is supplied to the reforming unit 17 and the selective oxidizing unit 18 of the reforming device 15, respectively, the air supply means is also the same as the above-mentioned flow regulating valves FRV2 and FRV3. The proportional control may be performed on the flow rate adjustment valve FRV1. (S50).
【0102】S40とS50における処理を行ったCP
U91は、負荷要求に応じた各流量調整弁FRV1〜F
RV3のそれぞれについての流量を示す制御信号をそれ
ぞれ送出する(S60)。The CP that has performed the processing in S40 and S50
U91 is provided with each of the flow control valves FRV1 to FRV according to the load request.
A control signal indicating the flow rate for each of the RVs 3 is transmitted (S60).
【0103】そして、S60でCPU91によって生成
された制御信号を制御装置90から受け取った流量調整
弁FRV1〜FRV3のアクチュエータ部は、CPU9
1からの制御信号を受け取ると、その開度を負荷要求に
応じるように変化させる。この結果、改質装置15の蒸
発部16には、負荷要求に応じた量のメタノールと改質
用水とが最適かつ精度よく供給され、改質部17と選択
酸化部18には、負荷要求に応じた量の改質用空気が最
適かつ精度よく供給される。従って、燃料電池FCに対
する負荷要求が変化し、燃料電池FCに供給すべき燃料
ガスの量が変化したとしても、常に、一酸化炭素濃度が
極めて低い燃料ガスを改質装置15で生成可能となる。
また、燃料電池FCに、極めて一酸化炭素濃度が低い燃
料ガスを精度よく供給することにより、燃料電池FCを
安定的に作動させると共に、アノードAの寿命を長期化
させることができる。また、空気入口47bには、負荷
要求に応じた量の空気が熱交換器70を介して精度よく
供給されることになる。Then, the actuators of the flow control valves FRV1 to FRV3, which have received the control signal generated by the CPU 91 in S60 from the controller 90,
When the control signal is received from No. 1, the opening degree is changed to meet the load request. As a result, the amount of methanol and the reforming water according to the load demand are optimally and accurately supplied to the evaporator 16 of the reformer 15, and the reformer 17 and the selective oxidizer 18 are supplied with the load demand. An appropriate amount of reforming air is supplied optimally and accurately. Therefore, even if the load demand on the fuel cell FC changes and the amount of fuel gas to be supplied to the fuel cell FC changes, the reformer 15 can always generate the fuel gas having an extremely low carbon monoxide concentration. .
Further, by supplying a fuel gas having a very low carbon monoxide concentration to the fuel cell FC with high accuracy, the fuel cell FC can be operated stably and the life of the anode A can be prolonged. Further, an amount of air corresponding to the load request is accurately supplied to the air inlet 47b through the heat exchanger 70.
【0104】以上説明したS10〜S60における処理
は、S30の負荷要求、アノード排ガス流量、及び燃料
ガス流量の全ての条件がそれぞれの設定下限値、設定下
限流量を超える状態で保持される限りにおいて制御装置
90のCPU91が負荷要求信号を受け取る度に繰り返
される。The processes in S10 to S60 described above are controlled as long as all of the conditions of the load request, the anode exhaust gas flow rate, and the fuel gas flow rate in S30 are maintained at the set lower limit values and the set lower limit flow rates, respectively. It is repeated each time the CPU 91 of the device 90 receives the load request signal.
【0105】一方、S30において、負荷要求、アノー
ド排ガス流量、及び燃料ガス流量の条件のうち少なくと
も1つの条件が、それぞれの設定下限値、設定下限流量
に一致する場合には、CPU1は、燃料電池装置の運転
中に燃料電池に対する負荷要求が低下する等してアノー
ドAの各燃料ガス流路54内にドレンが生成したとして
も、そのドレンを速やかに当該各燃料ガス流路54から
外部へ排出できるように流量調整弁FRV1〜FRV
3、ブロアB1、ラジエータR等に加えて、流量調整弁
FRV4と循環ブロアB2とを作動させ、その制御を開
始する。On the other hand, in S30, when at least one of the conditions of the load request, the anode exhaust gas flow rate, and the fuel gas flow rate matches the set lower limit value and the set lower limit flow rate, the CPU 1 executes the fuel cell operation. Even if drains are generated in the fuel gas flow paths 54 of the anode A due to a decrease in load demand on the fuel cell during operation of the apparatus, the drains are immediately discharged from the fuel gas flow paths 54 to the outside. Flow control valves FRV1 to FRV
3. In addition to the blower B1, the radiator R, etc., the flow control valve FRV4 and the circulation blower B2 are operated, and the control thereof is started.
【0106】すなわち、CPU91は、先ず、S30に
おける負荷要求信号に基づいて、記憶装置95に記憶さ
れている流量調整弁FRV1における流量を示すテーブ
ルにアクセスする。そして、CPU91は、当該テーブ
ルの中から、負荷要求信号に示されている燃料電池FC
に対する負荷要求に対応するデータを読み出し、当該負
荷要求に応じた流量調整弁FRV1における流量とを示
すデータに基づいて、流量調整弁FRV1に送出する制
御信号を生成する。このように、流量調整弁FRV1に
おける流量を定めることにより、S40と同様に燃料電
池FCに対する負荷要求に応じたメタノールの供給量が
決定されることになる(S70)。That is, first, the CPU 91 accesses a table indicating the flow rate in the flow rate regulating valve FRV1 stored in the storage device 95 based on the load request signal in S30. Then, the CPU 91 reads the fuel cell FC indicated in the load request signal from the table.
And reads out data corresponding to the load request, and generates a control signal to be sent to the flow control valve FRV1 based on data indicating the flow rate at the flow control valve FRV1 corresponding to the load request. Thus, by determining the flow rate in the flow rate regulating valve FRV1, the supply amount of methanol according to the load request for the fuel cell FC is determined in the same manner as in S40 (S70).
【0107】また、S70において燃料電池FCに対す
る負荷要求に応じたメタノールの供給量を決定したCP
U91は、次に、記憶装置95から、流量調整弁FRV
2及び流量調整弁FRV3について定められた所定の比
例定数を示すデータを読み出す。なお、このデータは、
例えば、S50におけるデータと同じでもよい。そし
て、CPU91は、当該データと、S40で読み出した
負荷要求に応じた流量調整弁FRV1における流量を示
すデータを乗じて流量調整弁FRV2及び流量調整弁F
RV3に送出する制御信号を生成する。これにより、流
量調整弁FRV2を介して供給される改質用水、流量調
整弁FRV3を介して供給される空気の供給量が、燃料
電池FCに対する負荷要求に応じるように決定されるこ
とになる。なお、このとき、改質装置15の改質部17
と選択酸化部18にそれぞれ空気を供給する構成の場合
には、その空気供給手段も上記の流量調整弁FRV2及
び流量調整弁FRV3と同様に流量調整弁FRV1に対
して比例制御してもよい。(S80)。Further, in S70, the amount of methanol supplied in accordance with the load request for the fuel cell FC is determined.
Next, U91 reads the flow control valve FRV from the storage device 95.
2 and data indicating a predetermined proportionality constant determined for the flow control valve FRV3. This data is
For example, it may be the same as the data in S50. Then, the CPU 91 multiplies the data by the data indicating the flow rate at the flow control valve FRV1 corresponding to the load request read at S40, and multiplies the flow control valve FRV2 and the flow control valve F.
Generate a control signal to be sent to RV3. As a result, the supply amounts of the reforming water supplied through the flow control valve FRV2 and the air supplied through the flow control valve FRV3 are determined in accordance with the load request for the fuel cell FC. At this time, the reforming section 17 of the reformer 15
In the case of supplying air to the selective oxidation unit 18 and the air supply means, the air supply means may be proportionally controlled with respect to the flow control valve FRV1, similarly to the flow control valves FRV2 and FRV3. (S80).
【0108】次に、CPU91は、記憶装置95から、
アノードAとセパレータSPにより形成された各燃料ガ
ス流路54の各出口における排ガスの流速が、0.45
m/s以上の所定値となるように、負荷要求値、アノー
ド排ガスの総流量、或いは、燃料ガスの流量に基づき流
量調整弁FRV4について定められた所定のデータを読
み出す。そして、CPU91は、このデータに基づき流
量調整弁FRV4送出する制御信号を生成する。これに
より、流量調整弁FRV4を介して供給されるアノード
排ガスの供給量が、燃料電池FCに対する負荷要求に応
じるように決定されることになる(S90)。Next, the CPU 91 reads from the storage device 95
The flow rate of the exhaust gas at each outlet of each fuel gas passage 54 formed by the anode A and the separator SP is 0.45
Predetermined data determined for the flow rate regulating valve FRV4 based on the required load value, the total flow rate of the anode exhaust gas, or the flow rate of the fuel gas is read so as to be a predetermined value of m / s or more. Then, the CPU 91 generates a control signal for sending the flow rate adjustment valve FRV4 based on the data. Thus, the supply amount of the anode exhaust gas supplied via the flow control valve FRV4 is determined so as to comply with the load request for the fuel cell FC (S90).
【0109】次に、CPU91は、循環ブロアB2と流
量調整弁FRV4に駆動信号を送出する(S100)。
次に、S70〜S100における処理を行ったCPU9
1は、負荷要求に応じた各流量調整弁FRV1〜FRV
4のそれぞれについての流量を示す制御信号をそれぞれ
送出する(S110)。Next, the CPU 91 sends a drive signal to the circulation blower B2 and the flow control valve FRV4 (S100).
Next, the CPU 9 that has performed the processing in S70 to S100
1 is a flow control valve FRV1 to FRV corresponding to a load request.
A control signal indicating the flow rate for each of No. 4 is transmitted (S110).
【0110】そして、S70〜S90でCPU91によ
って生成された制御信号を制御装置90から受け取った
流量調整弁FRV1〜FRV4のアクチュエータ部は、
CPU91からの制御信号を受け取ると、その開度を負
荷要求に応じるように変化させる。この結果、改質装置
15の蒸発部16には、負荷要求に応じた量のメタノー
ルと改質用水とが最適かつ精度よく供給され、改質部1
7と選択酸化部18には、負荷要求に応じた量の改質用
空気が最適かつ精度よく供給される。更に、改質装置1
5からアノードAに供給される燃料ガスと排ガス供給ラ
インからアノードAに供給されるアノード排ガスとの混
合ガスは、アノードAとセパレータSPにより形成され
た各燃料ガス流路54の各出口における排ガスの流速が
0.45m/s以上の所定値となる流量を保つように制
御される。The actuators of the flow control valves FRV1 to FRV4, which have received the control signals generated by the CPU 91 in S70 to S90 from the control device 90,
When the control signal is received from the CPU 91, the opening degree is changed so as to respond to the load request. As a result, the amount of methanol and the reforming water according to the load demand are optimally and accurately supplied to the evaporating section 16 of the reforming unit 15, and
An amount of reforming air corresponding to the load demand is optimally and accurately supplied to the selective oxidation section 7 and the selective oxidation section 18. Further, the reformer 1
The mixed gas of the fuel gas supplied to the anode A from the fuel gas 5 and the anode exhaust gas supplied to the anode A from the exhaust gas supply line, The flow rate is controlled so that the flow rate becomes a predetermined value of 0.45 m / s or more.
【0111】なお、このようにアノード排ガスを燃料ガ
スに混合してアノードAに供給する場合には、アノード
排ガスを供給する以前に比べて、アノードAに導入され
るガスの全流量とアノードAから排出されるガスの全流
量は増加する。このとき、例えば、装置外部に排出する
アノード排ガスの排出量を燃料ガスに混合するアノード
排ガスの供給量に一致させるようにすれば、アノード排
ガスを供給してもアノードAにおける水素利用率をアノ
ード排ガスを供給する以前の値に保つことができる。When the anode exhaust gas is mixed with the fuel gas and supplied to the anode A as described above, the total flow rate of the gas introduced into the anode A and the flow rate from the anode A are higher than before the anode exhaust gas is supplied. The total flow of the exhausted gas increases. At this time, for example, if the discharge amount of the anode exhaust gas discharged to the outside of the apparatus is made to coincide with the supply amount of the anode exhaust gas mixed with the fuel gas, the hydrogen utilization rate at the anode A can be reduced even if the anode exhaust gas is supplied. Can be kept at the value before supplying.
【0112】従って、燃料電池装置の運転中に、燃料電
池FCに対する負荷要求が変化し、アノードAの各燃料
ガス流路54の各出口にドレンが生成したとしても、そ
のドレンを速やかに当該各燃料ガス流路54から外部へ
排出できるので、燃料電池を負荷変動にあわせて常時安
定な状態で作動させることができる。Therefore, even if the load demand on the fuel cell FC changes during the operation of the fuel cell device and a drain is generated at each outlet of each fuel gas flow passage 54 of the anode A, the drain is immediately discharged to the respective outlet. Since the fuel gas can be discharged from the fuel gas passage 54 to the outside, the fuel cell can always be operated in a stable state according to the load fluctuation.
【0113】以上説明したS30、S70〜S110に
おける処理は、S30の負荷要求、アノード排ガス流
量、及び燃料ガス流量の条件のうち少なくとも1つの条
件が、それぞれの設定下限値、設定下限流量に一致する
状態で保持される限りにおいて制御装置90のCPU9
1が負荷要求信号を受け取る度に繰り返される。In the processing in S30 and S70 to S110 described above, at least one of the load request, anode exhaust gas flow rate, and fuel gas flow rate conditions in S30 matches the set lower limit value and the set lower limit flow rate, respectively. As long as the state is maintained, the CPU 9 of the control device 90
1 is repeated each time a load request signal is received.
【0114】ここで、この燃料電池装置10では、記憶
装置95に記憶されているデータのうち、流量調整弁F
RV1〜FRV4の比例定数は、上述したように、燃料
電池FCに対する負荷要求、すなわち、負荷要求に応じ
たメタノール量に比例する比例定数として定められると
共に、更に、次の条件を満たすように定められている。
すなわち、この燃料電池装置10では、流量調整弁FR
V1〜FRV4の比例定数は、蒸発部16内の流体の温
度、改質部17の流体の温度、及び、選択酸化部18の
流体の温度の運転中における変動を踏まえた上で、改質
装置15から流出する燃料ガス中のCO分圧がアノード
Aの触媒毒とならない許容範囲内に抑制されており、か
つ、その水蒸気分圧が燃料電池FCの高分子電解質膜E
Mの加湿に適した値となるように定められている。Here, in the fuel cell device 10, of the data stored in the storage device 95, the flow control valve F
As described above, the proportional constants of RV1 to FRV4 are determined as load constants for the fuel cell FC, that is, proportional constants proportional to the amount of methanol according to the load request, and are further determined so as to satisfy the following conditions. ing.
That is, in the fuel cell device 10, the flow control valve FR
The proportionality constants of V1 to FRV4 are determined based on the temperature of the fluid in the evaporator 16, the temperature of the fluid in the reformer 17, and the temperature of the fluid in the selective oxidizer 18 during operation. The partial pressure of CO in the fuel gas flowing out of the fuel cell FC is controlled within an allowable range that does not become a catalyst poison of the anode A, and the partial pressure of water vapor is reduced to the polymer electrolyte membrane E of the fuel cell FC.
M is determined to be a value suitable for humidification.
【0115】これにより、燃料電池装置10の運転中
に、燃料電池FCに対する負荷要求が低下する等してア
ノードAの各燃料ガス流路54内にドレンが生成したと
しても、そのドレンを速やかに当該各燃料ガス流路54
から外部へ排出できるので、燃料電池FCを負荷変動に
あわせて常時安定な状態で作動させることができる。Thus, even if a drain is generated in each fuel gas passage 54 of the anode A due to a decrease in the load demand on the fuel cell FC during the operation of the fuel cell device 10, the drain is quickly discharged. Each fuel gas passage 54
The fuel cell FC can always be operated in a stable state in accordance with the load fluctuation.
【0116】以上、本発明の好適な実施形態について詳
細に説明したが、本発明の燃料電池装置及び燃料電池装
置の運転方法は上記実施形態に限定されるものではな
い。Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail, the fuel cell device and the method of operating the fuel cell device of the present invention are not limited to the above embodiment.
【0117】例えば、上記の実施形態の燃料電池装置1
0の運転方法について、負荷要求値、アノード排ガスの
流量、及び、燃料ガスの流量の全ての検出値に基づいて
アノード排ガスのアノードAへの供給を決定する運転方
法について説明したが、本発明の燃料電池装置の運転方
法は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、
負荷要求値の検出値のみに基づいてアノード排ガスのア
ノードAへの供給を決定してもよく、負荷要求値とアノ
ード排ガスの流量との検出値に基づいてアノード排ガス
のアノードAへの供給を決定してもよい。For example, the fuel cell device 1 of the above embodiment
The operation method of determining the supply of the anode exhaust gas to the anode A based on all the detected values of the load request value, the flow rate of the anode exhaust gas, and the flow rate of the fuel gas has been described with respect to the operation method of 0. The operation method of the fuel cell device is not limited to the above embodiment. For example,
The supply of the anode exhaust gas to the anode A may be determined based only on the detected value of the load request value, and the supply of the anode exhaust gas to the anode A is determined based on the detected value of the load request value and the flow rate of the anode exhaust gas. May be.
【0118】また、図7に示す燃料電池装置10Aのよ
うに、循環ブロアB2の入口近傍の排ガス供給ラインL
7上にアノード排ガス中の水分を除去するデミスタD2
を設けてもよい。これにより、アノードAに供給するア
ノード排ガス中の水分を十分に低減し、アノードAの各
燃料ガス流路54におけるドレンの生成を効果的に抑制
することができる。Further, as in the fuel cell device 10A shown in FIG. 7, an exhaust gas supply line L near the inlet of the circulation blower B2 is provided.
A demister D2 for removing water in the anode exhaust gas
May be provided. Thereby, the moisture in the anode exhaust gas supplied to the anode A can be sufficiently reduced, and the generation of drain in each fuel gas passage 54 of the anode A can be effectively suppressed.
【0119】更に、上記の実施形態の燃料電池装置10
においては、複数のスタック構造を有する燃料電池FC
についてアノード反応ガスを並列的に供給する構成につ
いて説明したが、本発明の燃料電池装置はこれに限定さ
れるものではなく、例えば、図7に示す燃料電池装置1
0Aのように、複数のスタック構造を有する燃料電池F
Cについてアノード反応ガスを直列的に供給する構成を
有していてもよい。この場合、複数の燃料電池FCの間
の燃料ガスラインL3上には、上流側に位置する燃料電
池FCから排出される燃料ガス(アノード排ガス)中の
水分を除去するデミスタD1を設けることが好ましい。
これにより、下流側に位置する燃料電池FCのアノード
のガス流路におけるドレンの生成を効果的に抑制するこ
とができる。Further, the fuel cell device 10 of the above embodiment
, A fuel cell FC having a plurality of stack structures
Has been described with respect to the configuration in which the anode reaction gas is supplied in parallel. However, the fuel cell device of the present invention is not limited to this.
0A, a fuel cell F having a plurality of stack structures
A configuration may be provided in which the anode reaction gas is supplied in series for C. In this case, it is preferable to provide a demister D1 for removing moisture in the fuel gas (anode exhaust gas) discharged from the fuel cell FC located on the upstream side on the fuel gas line L3 between the plurality of fuel cells FC. .
As a result, the generation of drain in the gas flow path of the anode of the fuel cell FC located on the downstream side can be effectively suppressed.
【0120】また、本発明の燃料電池装置において、燃
料電池のセパレータに形成されるガス流路の形状は特に
限定されるものではなく、例えば、図8に示すように波
型の形状を有していてもよい。Further, in the fuel cell device of the present invention, the shape of the gas flow path formed in the separator of the fuel cell is not particularly limited. For example, as shown in FIG. May be.
【0121】[0121]
【実施例】以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の燃
料電池装置の内容を更に詳しく説明するが、本発明はこ
れらの実施例に限定されるものではない。EXAMPLES Hereinafter, the contents of the fuel cell device of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
【0122】(実施例1)図1に示す燃料電池装置10
Aと同様の構成を有する燃料電池装置を作製した。搭載
する燃料電池スタックは2つとし、その最大出力は31
kWとした。また、2つの燃料電池スタック内に配置さ
れている全ての単セルにおけるアノードの燃料ガス流路
の断面積の総和は、0.00554m2とした。(Embodiment 1) The fuel cell device 10 shown in FIG.
A fuel cell device having the same configuration as that of A was manufactured. Two fuel cell stacks are mounted, and the maximum output is 31
kW. The total sum of the cross-sectional areas of the fuel gas passages of the anodes in all the single cells arranged in the two fuel cell stacks was 0.00554 m 2 .
【0123】この燃料電池装置について、その作動条件
を、燃料電池の作動温度;80℃、燃料電池に供給する
水素圧;76000Pa、燃料電池に供給する空気圧;
182385Pa(酸素圧;38300Pa)、アノー
ドにおける水素利用率;80%、改質装置に供給する水
とメタノールのS/C比;1.8に設定した場合、燃料
電池に対する負荷要求の最大値は114Aとなる。この
値は、改質装置出口における燃料ガス中の水素製造量に
換算すると23.4m3(Normal)/hとなる。The operating conditions of this fuel cell device were as follows: operating temperature of the fuel cell: 80 ° C., hydrogen pressure supplied to the fuel cell; 76,000 Pa, air pressure supplied to the fuel cell;
When 182385 Pa (oxygen pressure; 38300 Pa), the hydrogen utilization rate at the anode; 80%, the S / C ratio of water and methanol supplied to the reformer; 1.8, the maximum value of the load requirement for the fuel cell is 114 A Becomes This value is 23.4 m 3 (Normal) / h in terms of the amount of hydrogen produced in the fuel gas at the outlet of the reformer.
【0124】この燃料電池装置を上記の作動条件の下
で、負荷変動に応じて作動させる場合の負荷要求値の設
定下限値、アノード排ガスの設定下限流量、及び、燃料
ガスの設定下限流量を以下に説明するようにして決定し
た。なお、説明の便宜上、上記の燃料電池に対する負荷
要求の最大値を100%として、燃料電池に対する負荷
要求を百分率で表現することにする。When the fuel cell device is operated in accordance with load fluctuations under the above operating conditions, the set lower limit of the required load value, the set lower limit flow of the anode exhaust gas, and the set lower limit flow of the fuel gas are as follows. Was determined as described above. For convenience of description, the maximum value of the load request for the fuel cell is set to 100%, and the load request for the fuel cell is expressed as a percentage.
【0125】すなわち、この燃料電池装置について図1
に示した流量調整弁FRV4と循環ブロアB2を作動さ
せずにアノード排ガスをアノードに供給することなく負
荷要求を100%から徐々に低下させて作動させた場
合、負荷要求が32%に到達したときに、単セルのアノ
ード側のセパレータに形成したガス流路の出口のアノー
ド排ガスの流速が0.45m/sとなることが理論計算
と実験データからわかった。そこで、負荷要求値の設定
下限値を32%とした。また、上記のアノード排ガスの
流速が0.45m/sとなるとき(負荷要求が32%と
なるとき)の燃料電池スタックから排出される全てのア
ノード排ガスの流量を理論計算と実験データから求め、
アノード排ガスの設定下限流量を149.8L/min
とした。更に、負荷要求が32%となるときの改質装置
から流出する燃料ガスのを理論計算と実験データから求
め、燃料ガスの設定下限流量を249.6L/minと
した。That is, this fuel cell device is shown in FIG.
When the load demand reaches 32% when the load demand is gradually reduced from 100% without operating the anode exhaust gas to the anode without operating the flow regulating valve FRV4 and the circulation blower B2 shown in FIG. In addition, it was found from theoretical calculations and experimental data that the flow rate of the anode exhaust gas at the outlet of the gas flow path formed in the separator on the anode side of the single cell was 0.45 m / s. Therefore, the set lower limit of the required load value is set to 32%. Further, when the flow rate of the anode exhaust gas becomes 0.45 m / s (when the load request becomes 32%), the flow rates of all the anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack are obtained from theoretical calculation and experimental data,
Set the lower limit flow rate of the anode exhaust gas to 149.8 L / min.
And Further, the fuel gas flowing out of the reformer when the load demand becomes 32% was obtained from theoretical calculation and experimental data, and the set lower limit flow rate of the fuel gas was set to 249.6 L / min.
【0126】そして、この負荷要求値の設定下限値、ア
ノード排ガスの設定下限流量、及び燃料ガスの設定下限
流量に基づいて、流量調整弁FRV4と循環ブロアB2
を作動させるように制御装置を設定した。また、負荷要
求が32%以下の値となるときの単セルのアノード側の
セパレータに形成した各ガス流路の各出口のアノード排
ガスの流速は、常に0.45m/s以上の十分に大きな
値である0.85m/s(「0.45m/s以上の所定
値」)となるように設定した。Then, based on the set lower limit of the required load value, the set lower limit flow rate of the anode exhaust gas, and the set lower limit flow rate of the fuel gas, the flow control valve FRV4 and the circulation blower B2 are set.
The controller was set to operate. The flow rate of the anode exhaust gas at each outlet of each gas flow path formed in the separator on the anode side of the single cell when the load requirement is 32% or less is always a sufficiently large value of 0.45 m / s or more. 0.85 m / s (“predetermined value of 0.45 m / s or more”).
【0127】(比較例1)図1に示す排ガス供給ライン
L7、循環ブロアB2、流量調整弁FRV4、流量検出
器S1,流量検出器S2を搭載しない構成とした以外
は、実施例1と同様にして燃料電池装置を構成した。(Comparative Example 1) The same procedure as in Example 1 was carried out except that the exhaust gas supply line L7, the circulation blower B2, the flow rate regulating valve FRV4, the flow rate detector S1, and the flow rate detector S2 shown in FIG. 1 were not mounted. Thus, a fuel cell device was configured.
【0128】[負荷変動時における運転試験]上記の実施
例1及び比較例1の燃料電池装置について燃料電池に対
する負荷要求を変動させた場合の運転試験を行ない、ア
ノード側のセパレータに形成されたガス流路のドレンに
よる閉塞の発生の有無について検討した。運転試験は、
先ず、燃料電池に対する負荷要求値が100%の作動条
件のもとで燃料電池装置を約5時間作動させ、次に、燃
料電池に対する負荷要求値を60%と30%に順次変更
してそれぞれの作動条件のもとで約10時間作動させ
た。実施例1及び比較例1の燃料電池装置の試験結果を
表1に示す。[Operation test at the time of load change] An operation test was performed for the fuel cell devices of Example 1 and Comparative Example 1 when the load requirement for the fuel cell was changed, and the gas formed on the anode-side separator was changed. The presence or absence of blockage due to drainage in the flow path was examined. The driving test
First, the fuel cell device is operated for about 5 hours under an operating condition in which the load request value for the fuel cell is 100%, and then the load request value for the fuel cell is sequentially changed to 60% and 30%. It was operated for about 10 hours under operating conditions. Table 1 shows the test results of the fuel cell devices of Example 1 and Comparative Example 1.
【表1】 [Table 1]
【0129】表1に示した結果から明らかなように、上
記の実用的な作動条件の下で、実施例1の本発明の燃料
電池装置は、燃料電池に対する負荷要求値が負荷要求値
の設定下限値である32%よりも低い30%に変動した
ときに流量調整弁FRV4と循環ブロアB2とが作動
し、アノード側のセパレータに形成されたガス流路のド
レンによる閉塞の発生を招くこと無く長時間(約10h
以上)にわたり安定して作動することが確認された。As is evident from the results shown in Table 1, under the above-mentioned practical operating conditions, the fuel cell device of the present invention according to the first embodiment shows that the load required value for the fuel cell is equal to the set load required value. When the flow rate fluctuates to 30%, which is lower than the lower limit of 32%, the flow regulating valve FRV4 and the circulation blower B2 operate to prevent the gas flow path formed in the anode-side separator from being blocked by the drain. Long time (about 10h
It was confirmed that the operation was stable over the above.
【0130】[0130]
【発明の効果】以上説明したように、本発明による燃料
電池装置は、一端がアノードから排出される排ガスを外
部に排出する排ガスラインに接続され、他端が改質装置
とアノードとを結ぶガスラインに接続された排ガス供給
ラインと、排ガス供給ライン上に設けられており、アノ
ードから排出される排ガスの一部をアノードに供給する
排ガス供給手段と、燃料電池に対する負荷要求に基づい
て、アノードとセパレータにより形成されたガス流路の
出口における排ガスの流速が0.45m/s以上の所定
値となるように排ガス供給手段を制御する制御手段とを
備える。そして、本発明による燃料電池装置の運転方法
では、燃料電池に対する負荷要求に基づいて、アノード
から排出される排ガスの一部を取り出して改質装置から
流出するアノード反応ガスと共にアノードに供給し、ア
ノードとセパレータにより形成されたガス流路の出口に
おける排ガスの流速が0.45m/s以上の所定値とな
るようにアノードに供給する排ガスの流量を調節する。
この結果、作動中の燃料電池のアノード側のガス流路の
ドレンによる閉塞を十分に防止することが可能となる。As described above, the fuel cell device according to the present invention has one end connected to the exhaust gas line for discharging the exhaust gas discharged from the anode to the outside, and the other end connected to the gas connecting the reformer and the anode. An exhaust gas supply line connected to the line, an exhaust gas supply means provided on the exhaust gas supply line, for supplying a part of exhaust gas discharged from the anode to the anode, and an anode and Control means for controlling the exhaust gas supply means so that the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path formed by the separator has a predetermined value of 0.45 m / s or more. In the method of operating the fuel cell device according to the present invention, a part of the exhaust gas discharged from the anode is taken out based on a load request for the fuel cell and supplied to the anode together with the anode reaction gas flowing out of the reformer, The flow rate of the exhaust gas supplied to the anode is adjusted so that the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the gas flow path formed by the separator and the separator has a predetermined value of 0.45 m / s or more.
As a result, it is possible to sufficiently prevent the gas flow path on the anode side of the operating fuel cell from being blocked by the drain.
【図1】本発明による燃料電池装置の好適な一実施形態
を示す系統図である。FIG. 1 is a system diagram showing a preferred embodiment of a fuel cell device according to the present invention.
【図2】図1の燃料電池装置に備えられた燃料電池を示
す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a fuel cell provided in the fuel cell device of FIG.
【図3】図2の燃料電池に設けられた単セル及びセパレ
ータを示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a single cell and a separator provided in the fuel cell of FIG. 2;
【図4】図4(a)は、図3に示すセパレータをアノー
ド側からみた平面図であり、図4(b)は、図3に示す
セパレータをカソード側からみた平面図である。4 (a) is a plan view of the separator shown in FIG. 3 as viewed from the anode side, and FIG. 4 (b) is a plan view of the separator shown in FIG. 3 as viewed from the cathode side.
【図5】図1に示す燃料電池装置の制御ブロック図であ
る。FIG. 5 is a control block diagram of the fuel cell device shown in FIG.
【図6】図1に示す燃料電池装置の制御手順を説明する
ためのフローチャートである。6 is a flowchart illustrating a control procedure of the fuel cell device shown in FIG.
【図7】本発明による燃料電池装置の他の実施形態を示
す系統図である。FIG. 7 is a system diagram showing another embodiment of the fuel cell device according to the present invention.
【図8】図4(a)に示すセパレータの他の形態を示す
平面図である。FIG. 8 is a plan view showing another embodiment of the separator shown in FIG.
3…負荷、10,10A,…燃料電池装置、12…燃料
供給部、14…水供給部、15…改質装置、16…蒸発
部、17…改質部、18…選択酸化部、21…シール
材、35…冷却器、40…スタック、41a…アノード
集電板、41b…カソード集電板、42…絶縁板、43
…スタック締付板、44a,44b…フランジ、45…
膜板、47a…燃料ガス入口、47b…空気入口、48
a…アノード排ガス出口、48b…カソード排ガス出
口、49a…冷却媒体入口、49b…冷却媒体出口、5
0…冷却系統、50a,50b,51a,51b,5
6,57…開口部、52,53…溝、54…燃料ガス流
路、55…空気流路、R…ラジエータ、90…制御装
置、A…アノード、B1…ブロア、B2…循環ブロア、
C…カソード、EM…電解質膜、FC…燃料電池、FR
V1,FRV2,FRV3,FRV4…流量調整弁、L
1…燃料ガス供給ライン、L2…空気供給ライン、L3
…アノード排ガスライン、L4…カソード排ガスライ
ン、L7…アノード排ガス供給ライン、Pc…ポンプ、
S…水素濃度センサ、SP…セパレータ、UC…単セ
ル。3 ... Load 10, 10A, ... Fuel cell device, 12 ... Fuel supply unit, 14 ... Water supply unit, 15 ... Reformer, 16 ... Evaporation unit, 17 ... Reformation unit, 18 ... Selective oxidation unit, 21 ... Sealing material, 35: cooler, 40: stack, 41a: anode current collector, 41b: cathode current collector, 42: insulating plate, 43
... Stack fastening plates, 44a, 44b ... Flanges, 45 ...
Membrane plate, 47a: fuel gas inlet, 47b: air inlet, 48
a: Anode exhaust gas outlet, 48b: Cathode exhaust gas outlet, 49a: Cooling medium inlet, 49b: Cooling medium outlet, 5
0: cooling system, 50a, 50b, 51a, 51b, 5
6, 57 ... opening, 52, 53 ... groove, 54 ... fuel gas flow path, 55 ... air flow path, R ... radiator, 90 ... control device, A ... anode, B1 ... blower, B2 ... circulation blower,
C: cathode, EM: electrolyte membrane, FC: fuel cell, FR
V1, FRV2, FRV3, FRV4 ... Flow regulating valve, L
1: fuel gas supply line, L2: air supply line, L3
... Anode exhaust gas line, L4 ... Cathode exhaust gas line, L7 ... Anode exhaust gas supply line, Pc ... Pump
S: hydrogen concentration sensor, SP: separator, UC: single cell.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤川 圭司 広島県広島市西区観音新町四丁目6番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 Fターム(参考) 5H026 AA06 BB00 CC03 HH00 HH03 5H027 AA06 BA01 BA19 KK21 KK26 KK52 MM08 MM12 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Keiji Fujikawa 4-6-22 Kannonshinmachi, Nishi-ku, Hiroshima-shi, Hiroshima F-term in Hiroshima Research Laboratory, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. 5H026 AA06 BB00 CC03 HH00 HH03 5H027 AA06 BA01 BA19 KK21 KK26 KK52 MM08 MM12
Claims (8)
高分子電解質を有する単セルとセパレータとを複数積層
させた燃料電池を備え、改質装置で生成されたアノード
反応ガスを前記アノードに供給すると共にカソード反応
ガス供給手段からカソード反応ガスを前記カソードに供
給し、電気化学反応によって電力を発生する燃料電池装
置において、 一端が前記アノードから排出される排ガスを外部に排出
する排ガスラインに接続され、他端が前記改質装置と前
記アノードとを結ぶガスラインに接続された排ガス供給
ラインと、 前記排ガス供給ライン上に設けられており、前記アノー
ドから排出される排ガスの一部を前記アノードに供給す
る排ガス供給手段と、 前記燃料電池に対する負荷要求に基づいて、前記アノー
ドと前記セパレータにより形成されたガス流路の出口に
おける前記排ガスの流速が0.45m/s以上の所定値
となるように前記排ガス供給手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池装置。1. A fuel cell comprising a plurality of unit cells each having a polymer electrolyte and a separator disposed between an anode and a cathode, and a fuel cell in which a plurality of separators are stacked, and an anode reaction gas generated by a reformer is supplied to the anode. And a cathode reaction gas supply means for supplying a cathode reaction gas to the cathode to generate power by an electrochemical reaction. One end of the fuel cell device is connected to an exhaust gas line for discharging exhaust gas discharged from the anode to the outside. An exhaust gas supply line having the other end connected to a gas line connecting the reformer and the anode; and an exhaust gas supply line provided on the exhaust gas supply line, wherein a part of exhaust gas discharged from the anode is supplied to the anode. Exhaust gas supply means for supplying, based on a load request for the fuel cell, the anode and the separator A fuel cell device comprising: a control unit that controls the exhaust gas supply unit such that the flow rate of the exhaust gas at the outlet of the formed gas flow channel has a predetermined value of 0.45 m / s or more.
ガス供給ライン内に吸引するとともに前記改質装置と前
記アノードとを結ぶガスラインに向けて吐出する循環ブ
ロアと、 前記循環ブロアから吐出される前記排ガスの流量を調節
する流量調整手段とから構成されていることを特徴とす
る請求項1に記載の燃料電池装置。2. A circulation system in which the exhaust gas supply means sucks a part of the exhaust gas discharged from the anode into the exhaust gas supply line and discharges the exhaust gas toward a gas line connecting the reformer and the anode. The fuel cell device according to claim 1, further comprising: a blower; and a flow rate adjusting unit configured to adjust a flow rate of the exhaust gas discharged from the circulation blower.
ガスライン上に設けられており、前記排ガスの流量を検
出する第一流量検出手段を更に備え、 前記制御手段は、前記燃料電池に対する負荷要求と、前
記第一流量検出手段の検出値とに基づいて、前記排ガス
供給手段を更に制御することを特徴とする請求項1又は
2に記載の燃料電池装置。3. The fuel cell further comprises: a first flow rate detecting means provided on the exhaust gas line near an exhaust gas outlet of the anode, for detecting a flow rate of the exhaust gas. 3. The fuel cell device according to claim 1, wherein the exhaust gas supply unit is further controlled based on a value detected by the first flow rate detection unit.
反応ガスの流量を検出する第二流量検出手段を更に備
え、 前記制御手段は、前記燃料電池に対する負荷要求と、前
記第一流量検出手段の検出値と、前記第二流量検出手段
の検出値とに基づいて、前記排ガス供給手段を更に制御
することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池装置。4. The fuel cell further comprises a second flow rate detecting means for detecting a flow rate of the anode reactant gas flowing out of the reformer, wherein the control means determines a load request for the fuel cell and the first flow rate detecting means. 4. The fuel cell device according to claim 3, further comprising controlling the exhaust gas supply unit based on a detection value and a detection value of the second flow rate detection unit. 5.
ガス供給ライン上に設けられており、前記排ガス中に含
まれる液滴を除去する液滴除去手段を更に備えることを
特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の燃料電池装
置。5. The apparatus according to claim 1, further comprising a droplet removing unit provided on the exhaust gas supply line near an inlet of the exhaust gas supply unit and configured to remove droplets contained in the exhaust gas. The fuel cell device according to any one of claims 1 to 4.
高分子電解質を有する単セルとセパレータとを複数積層
させた燃料電池を備え、改質装置で生成されたアノード
反応ガスを前記アノードに供給すると共にカソード反応
ガス供給手段からカソード反応ガスを前記カソードに供
給し、電気化学反応によって電力を発生する燃料電池装
置の運転方法において、 前記燃料電池に対する負荷要求に基づいて、前記アノー
ドから排出される排ガスの一部を取り出して前記改質装
置から流出する前記アノード反応ガスと共に前記アノー
ドに供給し、前記アノードと前記セパレータにより形成
されたガス流路の出口における前記排ガスの流速が0.
45m/s以上の所定値となるように前記アノードに供
給する前記排ガスの流量を調節することを特徴とする燃
料電池装置の運転方法。6. A fuel cell comprising a plurality of unit cells each having a polymer electrolyte and a separator disposed between an anode and a cathode, and supplying an anode reaction gas generated by a reformer to the anode. And a cathode reactant gas supply means for supplying a cathode reactant gas to the cathode from the cathode reactant gas supply means to generate electric power by an electrochemical reaction, wherein the fuel is discharged from the anode based on a load request for the fuel cell. Part of the exhaust gas is taken out and supplied to the anode together with the anode reaction gas flowing out of the reformer, and the flow rate of the exhaust gas at the outlet of a gas flow path formed by the anode and the separator is set to 0.
A method of operating a fuel cell device, comprising: adjusting a flow rate of the exhaust gas supplied to the anode so as to have a predetermined value of 45 m / s or more.
の流量を検出し、検出される検出値に基づいて前記アノ
ードに供給する前記排ガスの流量を調節することを特徴
とする請求項6に記載の燃料電池装置の運転方法。7. The method according to claim 6, wherein a flow rate of the exhaust gas discharged from the anode is detected, and a flow rate of the exhaust gas supplied to the anode is adjusted based on the detected value. An operation method of the fuel cell device.
反応ガスの流量を検出し、検出される検出値に基づいて
前記アノードに供給する前記排ガスの流量を調節するこ
とを特徴とする請求項6又は7に記載の燃料電池装置の
運転方法。8. The method according to claim 6, wherein a flow rate of the anode reaction gas flowing out of the reformer is detected, and a flow rate of the exhaust gas supplied to the anode is adjusted based on the detected value. Or the operation method of the fuel cell device according to 7.
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