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JP2005203361A - Fuel cell system, and its operating method, program, and recording medium - Google Patents

Fuel cell system, and its operating method, program, and recording medium Download PDF

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JP2005203361A JP2004364898A JP2004364898A JP2005203361A JP 2005203361 A JP2005203361 A JP 2005203361A JP 2004364898 A JP2004364898 A JP 2004364898A JP 2004364898 A JP2004364898 A JP 2004364898A JP 2005203361 A JP2005203361 A JP 2005203361A
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敏宏 松本
Takeshi Tomizawa
猛 富澤
Hiroki Kusakabe
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system and its operation method in which the fuel cell system can surely keep the whole region of an MEA in steam saturation. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with a stack 1 having a gas distribution means for introducing a reactant gas into the electrode of each unit cell, gas supply sections 2 and 3 for supplying the reactant gas to the stack 1, gas humidifying sections 4 and 5 disposed between the gas supplying member 2 and the electrode entrance of the gas distribution means for humidifying the reactant gas, and a controller for controlling the amount of steam contained in the reactant gas supplied to at least one of the electrodes to be larger than the amount of the saturated steam at a temperature at the entrance of at least one of the electrodes of the gas distribution means. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池システム、及びその運転方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof.

高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜の片側の面に燃料ガスを、他方に空気等の酸化剤ガスを暴露し、イオン交換膜を介した化学反応によって水を合成し、これによって生じる反応エネルギーを電気的に取り出すことを基本原理としている。   A polymer electrolyte fuel cell is produced by exposing a fuel gas to one side of a polymer electrolyte membrane and an oxidant gas such as air to the other and synthesizing water by a chemical reaction via an ion exchange membrane. The basic principle is to extract reaction energy electrically.

この燃料電池の基本発電素子は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対の触媒層(アノード触媒層およびカソード触媒層)を備えている。又、この一対の触媒層を挟んで位置する通気性と電子伝導性を併せ持つ、主に炭素繊維から成るガス拡散電極を備えている。これら高分子電解質膜、一対の触媒層、及びガス拡散電極を合わせて電解質膜―電極接合体と呼ぶ。以下、電解質膜−電極接合体をMEA(menblene−electrode−assembly)と呼ぶ。   The basic power generation element of this fuel cell includes a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, and a pair of carbon powders that are formed on both sides of the polymer electrolyte membrane and that carry a platinum group metal catalyst and that have carbon powder as a main component. A catalyst layer (an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer) is provided. In addition, a gas diffusion electrode mainly composed of carbon fibers having both air permeability and electronic conductivity located between the pair of catalyst layers is provided. The polymer electrolyte membrane, the pair of catalyst layers, and the gas diffusion electrode are collectively referred to as an electrolyte membrane-electrode assembly. Hereinafter, the electrolyte membrane-electrode assembly is referred to as MEA (membrane-electrode-assembly).

また、この燃料電池は、MEAの電極周囲部に、高分子電解質膜を挟む形で配設されたシール用ガスケットを備えている。これらMEA−ガスケットの組み立て体は、燃料ガス流路の形成されたアノードセパレータ(導電性バイポーラプレート)と酸化剤ガス流路の形成されたカソードセパレータによって挟まれ締結されている。またアノードセパレータは外部回路を通じてカソードセパレータと電気的に接続されている。   In addition, this fuel cell includes a sealing gasket disposed around the electrode of the MEA so as to sandwich the polymer electrolyte membrane. These MEA-gasket assemblies are sandwiched and fastened by an anode separator (conductive bipolar plate) in which a fuel gas channel is formed and a cathode separator in which an oxidant gas channel is formed. The anode separator is electrically connected to the cathode separator through an external circuit.

この系において、アノードセパレータに燃料ガス(通常水素ガス)を、カソードセパレータに酸化剤ガス(通常空気)を供給すると以下に述べるような化学反応を起こす。   In this system, when a fuel gas (usually hydrogen gas) is supplied to the anode separator and an oxidant gas (usually air) is supplied to the cathode separator, the following chemical reaction occurs.

すなわち、燃料ガスは、アノードガス拡散電極を通過してアノード触媒層に達し、アノード触媒層でプロトンと電子に解離する。このとき、解離した電子はアノードガス拡散電極を介してアノードセパレータに回収される。一方のプロトンはイオン交換膜によってプロトン輸送されカソード触媒層に移動する。   That is, the fuel gas passes through the anode gas diffusion electrode, reaches the anode catalyst layer, and dissociates into protons and electrons in the anode catalyst layer. At this time, the dissociated electrons are collected by the anode separator via the anode gas diffusion electrode. One proton is transported by the ion exchange membrane and moves to the cathode catalyst layer.

カソード触媒層においては、このプロトンと、カソードガス拡散電極を通過してカソード触媒層に達した酸化剤ガスと、外部接続回路を通じてカソードセパレータに移動したのちカソードガス拡散電極を介して触媒層に供給される電子とによって触媒反応をおこし、水が生成される。   In the cathode catalyst layer, this proton, the oxidant gas that has passed through the cathode gas diffusion electrode and reached the cathode catalyst layer, moved to the cathode separator through the external connection circuit, and then supplied to the catalyst layer via the cathode gas diffusion electrode A catalytic reaction occurs with the generated electrons, and water is generated.

上記一連の反応によって、水素が酸素と化合して水になるときのエネルギー差分を電気的に取り出すのが、高分子電解質型燃料電池の動作原理である。   The principle of operation of the polymer electrolyte fuel cell is to electrically extract the energy difference when hydrogen is combined with oxygen to become water by the above series of reactions.

ここで、イオン交換膜は充分に湿潤した状態で安定したプロトン輸送能を有するものであるため、この電池の動作には水を必要とする。この水は通常、セルに供給される水素および空気を加湿することにより、反応ガスと同時に供給される。また、上記反応を良好に行うためには、少なくとも60℃以上の温度が必要であり、実際には燃料電池は、60℃から80℃で運転されることが多い。   Here, since the ion exchange membrane has a stable proton transport ability in a sufficiently wet state, water is required for the operation of this battery. This water is usually supplied simultaneously with the reaction gas by humidifying the hydrogen and air supplied to the cell. In addition, in order to perform the above reaction satisfactorily, a temperature of at least 60 ° C. is necessary. In practice, the fuel cell is often operated at 60 ° C. to 80 ° C.

上記MEAとセパレータからなる単電池の起電力は、出力電流密度に依存するが、常用域で0.6から0.8V程度であるため、電力用途には通常数十〜数百段積層して用いられ、この積層電池をスタックと呼ぶ。   The electromotive force of the unit cell composed of the MEA and the separator depends on the output current density, but it is about 0.6 to 0.8 V in the normal usage range. This stacked battery is called a stack.

また、燃料電池は、発電と同時に発熱するが、スタックにおいてはその発熱密度が単電池に比して大きいため、通常1〜3セル毎に冷却水流路を設けて、強制的に水冷(エチレングリコール等の冷媒を用いる場合もある)して、電池を良好な温度状態に維持する。従って、スタックでは、燃料ガス、酸化剤ガス、水の三種の流体が給排されており、セパレータには、この3種の流体につき各一対(場合により複数対)のマニホールド(共通貫通孔)が設けられている。これら各々の流体はこのマニホールドから、それぞれのセパレータの溝に接続されて、各セルおよび水冷部に分岐される構造となっている。   In addition, the fuel cell generates heat simultaneously with power generation. However, since the heat generation density of the stack is larger than that of a single cell, a cooling water flow path is usually provided for every 1 to 3 cells to force water cooling (ethylene glycol). Etc.) and maintain the battery in a good temperature state. Therefore, three types of fluids, fuel gas, oxidant gas, and water, are supplied and discharged in the stack, and the separator has a pair of manifolds (a plurality of cases depending on the case) for each of the three types of fluids (common through holes). Is provided. Each of these fluids is connected to the grooves of the respective separators from the manifold, and is branched to each cell and the water cooling unit.

例えば、燃料ガスであれば、燃料ガス供給マニホールドからアノードセパレータの燃料ガス流路に分岐され、流路を流れる過程でMEAにおいて電池反応に伴い消費され、余剰の燃料ガスは燃料ガス排気マニホールドに廃棄される。これらの各セル(電池部)と冷却部を交互に重ねて積層し、その積層体を集電板と絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層燃料電池の構造である。   For example, in the case of fuel gas, it is branched from the fuel gas supply manifold to the fuel gas flow path of the anode separator, and is consumed along with the cell reaction in the MEA in the process of flowing through the flow path, and surplus fuel gas is discarded to the fuel gas exhaust manifold. Is done. These cells (battery parts) and cooling parts are stacked one after the other, and the stacked body is sandwiched between end plates via current collector plates and insulating plates, and fixed from both ends with fastening bolts. It is the structure of a fuel cell.

燃料電池システムとは、スタックを運転して電力を取り出すための装置全体を示し、本システムにおいて直接的にスタックを駆動するのは、LPG,LNGガソリン等の入手可能な燃料を水蒸気改質によって水素に転換してスタックに供給する燃料ガス供給系統、ブロワーから送られる空気を加湿してスタックに供給する酸化ガス供給系統、スタックに循環冷却水を供給する冷却水系統、及び電力を負荷する電気負荷系統である。   The fuel cell system refers to the entire apparatus for operating the stack to extract electric power. In this system, the stack is driven directly by hydrogen reforming available fuel such as LPG and LNG gasoline by steam reforming. The fuel gas supply system that supplies the stack to the stack, the oxidizing gas supply system that humidifies the air sent from the blower and supplies the stack, the cooling water system that supplies the circulating cooling water to the stack, and the electrical load that loads the power It is a system.

なお、燃料ガスに必要な加湿は、水蒸気改質法で燃料に添加する水によってまかなわれるのが通常である。また、空気の加湿は、スタックから排出される生成水の有効利用のために、カソード排気ガス(湿潤空気)をブロワから送られる供給空気と全熱交換して所望の加湿量を得るのが通常である。ただし、改質反応で添加された水が電池運転条件に対して不足する場合、および全熱交換によって得られる水が電池運転条件に対して不足する場合には、これらの後段にスタック冷却排水を水源および熱源とする膜加湿器が設けられる。膜加湿および全熱交換は、水は容易に透過するが、ガスの透過がない加湿膜を介して行われるのが通常であり、スタックに用いられるイオン交換膜(パーフルオロスルホン酸膜)はこの用途にも好適であって、常用されている。   The humidification necessary for the fuel gas is usually provided by water added to the fuel by the steam reforming method. In addition, in order to effectively use the generated water discharged from the stack, the humidification of air is usually performed by exchanging the cathode exhaust gas (wet air) with the supply air sent from the blower to obtain the desired humidification amount. It is. However, when the water added in the reforming reaction is insufficient with respect to the battery operating conditions, and when the water obtained by total heat exchange is insufficient with respect to the battery operating conditions, the stack cooling wastewater is placed downstream of these. A membrane humidifier is provided as a water source and heat source. Membrane humidification and total heat exchange are usually performed through a humidified membrane that allows water to easily permeate but does not allow gas to permeate. The ion exchange membrane (perfluorosulfonic acid membrane) used in the stack is this. It is suitable for use and is commonly used.

この高分子電解質型燃料電池の望ましい運転条件と、これを具現する手段について、最も代表的な先行例に、特許文献1がある。この論旨を第1の従来技術として以下に列記する。   Patent Document 1 is the most typical prior example of desirable operating conditions of the polymer electrolyte fuel cell and means for realizing the same. This point is listed below as the first prior art.

燃料電池は水素と酸素を電気化学的に反応させて水を生成し、そのポテンシャル差分を電力として取り出す装置である。ここに生成する水は触媒層のフラッディング(触媒層が水で閉塞し、ガス透過が妨げられることにより発電を停止する現象)を惹起するので、この排除は電池の安定運転上極めて重要である。   A fuel cell is a device that generates water by electrochemically reacting hydrogen and oxygen to extract the potential difference as electric power. The generated water causes flooding of the catalyst layer (a phenomenon in which power generation is stopped when the catalyst layer is blocked with water and gas permeation is hindered), so this exclusion is extremely important for stable operation of the battery.

カソードで生成する水を排除する方法でもっとも有効なのは、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを常に飽和露点以下の水蒸気量に保つ方法である。すなわち酸化剤ガスを飽和露点以下の水蒸気量に保つことによって、生成した水が酸化剤ガス中に蒸散して、余剰の酸化剤ガスと同時にセルから排出する余地が生まれる。また、イオン交換膜は容易に水を透過するため、燃料ガスを飽和露点以下の水蒸気圧に保つことによって、カソードで生成した水がイオン交換膜を逆拡散したのち、燃料ガス中に蒸散して、余剰の燃料ガスと同時に排出されることが可能となる。   The most effective method for eliminating the water produced at the cathode is to keep the fuel gas or oxidant gas at a water vapor amount below the saturation dew point. That is, by maintaining the amount of water vapor below the saturation dew point in the oxidant gas, the generated water evaporates into the oxidant gas, leaving room for discharge from the cell simultaneously with the excess oxidant gas. Also, since the ion exchange membrane easily permeates water, by keeping the fuel gas at a water vapor pressure below the saturation dew point, the water produced at the cathode reversely diffuses through the ion exchange membrane and then transpires into the fuel gas. The excess fuel gas can be discharged at the same time.

上記の運転条件を実現する具体的手段は、ガスの吸入部と排出部との間に圧力損失(圧力降下)を与えることである。すなわち、ガスの水吸収能力は圧力の低下とともに高まるため、排出部に行くに従ってガス圧が低くなるようにすることで、はじめて反応に伴い逐次セル内で生成される水を効果的に排除することが可能になる。かかる圧力降下は(a)吸入部に設けられたオリフィス、(b)流路長の延長、(c)流路断面積の変更、(d)流路内面の少なくとも一部の摩擦係数の増加、(e)流路内の水素ガスの流量を、水素ガスがアノードで陽イオンに変換される量より実質的に高く設定することにより具現化する。以上特許文献1の論旨を説明した。   A specific means for realizing the above operating condition is to give a pressure loss (pressure drop) between the gas suction part and the gas discharge part. In other words, since the water absorption capacity of gas increases as the pressure decreases, the water pressure generated in the cell in succession for the first time can be effectively eliminated by making the gas pressure lower as it goes to the discharge section. Is possible. Such pressure drop includes (a) an orifice provided in the suction portion, (b) an extension of the channel length, (c) a change in the channel cross-sectional area, (d) an increase in the friction coefficient of at least a part of the inner surface of the channel, (E) The flow rate of the hydrogen gas in the flow path is embodied by setting it substantially higher than the amount of hydrogen gas converted into cations at the anode. The gist of Patent Document 1 has been described above.

ところが本発明者は、特にスタックの発電効率を重視するために低電流密度で定格運転される用途(特に、低地用コージェネレーションシステム)においては、上述の運転条件には致命的な欠陥があることを発見した。すなわち、燃料ガス、酸化剤ガスの両方が、セル内の全ての部位について飽和水蒸気量を保っていなければ、イオン交換膜が飽和水蒸気量を保っていない部分で経時的に損傷し、燃料電池の寿命が保てなくなるということである。     However, the present inventor has a fatal defect in the above operating conditions particularly in applications where rated operation is performed at a low current density in order to emphasize the power generation efficiency of the stack (particularly in low-level cogeneration systems). I found That is, if both the fuel gas and the oxidant gas do not maintain the saturated water vapor amount for all the parts in the cell, the ion exchange membrane is damaged over time at the portion where the saturated water vapor amount is not maintained, and the fuel cell It means that the life cannot be maintained.

上記の第1の従来技術の致命的な欠陥を取り除き、燃料電池の寿命を保つことが出来る燃料電池システムの一例について以下に第2の従来の技術として説明する。   An example of a fuel cell system that can eliminate the fatal defect of the first prior art and can maintain the life of the fuel cell will be described below as a second prior art.

第2の従来技術の燃料電池発電システムは、単電池が積層されたスタックを有する高分子電解質型燃料電池と、高分子電解質型燃料電池に燃料ガスを供給するアノードガス供給部と、酸化剤ガスを供給するカソードガス供給部とを備えている。なお、アノードガス供給部は、燃料ガス前躯体を水素リッチな燃料ガスに改質するための改質機を有している。   A second conventional fuel cell power generation system includes a polymer electrolyte fuel cell having a stack in which unit cells are stacked, an anode gas supply unit that supplies fuel gas to the polymer electrolyte fuel cell, and an oxidant gas. A cathode gas supply unit for supplying the gas. The anode gas supply unit has a reformer for reforming the fuel gas precursor to a hydrogen-rich fuel gas.

第2の従来技術の高分子電解質型燃料電池とアノードガス供給部の間に、アノードガスを加湿するためのアノードガス加湿部が設置されている。また、高分子電解質型燃料電池とカソードガス供給部の間に、カソードガスを加湿するためのカソードガス加湿部が設置されている。これら、アノードガス加湿部及びカソードガス加湿部は、高分子電解質型燃料電池から排出されたアノードおよびカソード排ガスの排熱及び水分をアノードガス及びカソードガスに与えるための全熱交換器を基本構成として、必要に応じてスタック冷却排水を熱源および水源とする膜加湿器が付設される。   Between the second prior art polymer electrolyte fuel cell and the anode gas supply unit, an anode gas humidification unit for humidifying the anode gas is installed. Further, a cathode gas humidification unit for humidifying the cathode gas is installed between the polymer electrolyte fuel cell and the cathode gas supply unit. These anode gas humidification section and cathode gas humidification section are based on a total heat exchanger for supplying the anode gas and cathode gas with exhaust heat and moisture of the anode and cathode exhaust gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell. If necessary, a membrane humidifier using the stack cooling wastewater as a heat source and a water source is attached.

上記構成の第2の従来技術の燃料電池発電システムにおいて、スタックの動作温度を基準にして加湿部の温度を所定温度に維持し、アノードガス及びカソードガスの露点を調整していた。その結果、スタックの内部では結露が発生する。これによってMEAにおける固体高分子電解質膜は必要十分な水分を含有することになる。すなわち、第2の従来技術の燃料電池発電システムによれば、触媒層のフラッディングを回避するとともに、固体高分子電解質膜に十分な水分を含有させることが出来る。

このように、第2の従来技術の燃料電池発電システムを用いることにより、固体高分子電解質膜に必要十分な水分を含有させることが出来るので、特にスタックの発電効率を重視するために低電流密度で定格運転される用途(特に、低地用コージェネレーションシステム)において燃料電池の寿命が保てなくなるという問題を解決することが出来る。
特表平6−504403号公報
In the fuel cell power generation system of the second prior art having the above-described configuration, the temperature of the humidifying unit is maintained at a predetermined temperature based on the operating temperature of the stack, and the dew points of the anode gas and the cathode gas are adjusted. As a result, condensation occurs inside the stack. As a result, the solid polymer electrolyte membrane in the MEA contains necessary and sufficient moisture. That is, according to the fuel cell power generation system of the second prior art, flooding of the catalyst layer can be avoided and sufficient water can be contained in the solid polymer electrolyte membrane.

Thus, by using the fuel cell power generation system of the second prior art, the solid polymer electrolyte membrane can contain a sufficient amount of moisture, so that low current density is particularly important in order to emphasize the power generation efficiency of the stack. It is possible to solve the problem that the life of the fuel cell cannot be maintained in applications (especially low-level cogeneration systems) that are rated for operation.
JP-T 6-504403

上述したように、第2の従来技術の燃料電池発電システムは、特にスタックの発電効率を重視するために低電流密度で定格運転される用途(特に、低地用コージェネレーションシステム)においても、燃料電池の寿命が保てなくなるという問題を解決することが出来る。しかしながら、第2の従来技術の燃料電池発電システムは、燃料電池システムが運転上不可避な非平衡状況にある場合、すなわち起動停止、負荷変動時には、固体高分子電解質膜に必要十分な水分を含有させることによって燃料電池の保護をすることが出来なくなる。   As described above, the fuel cell power generation system according to the second prior art is a fuel cell even in applications (especially low-level cogeneration systems) that are rated and operated at a low current density in order to emphasize the power generation efficiency of the stack. It is possible to solve the problem that the life of the product cannot be maintained. However, the fuel cell power generation system according to the second prior art causes the solid polymer electrolyte membrane to contain necessary and sufficient moisture when the fuel cell system is in an unbalanced state that is unavoidable in operation, that is, when starting and stopping and when the load fluctuates. As a result, the fuel cell cannot be protected.

すなわち、第2の従来技術の加湿系統(アノードガス加湿部及びカソードガス加湿部)においては、加湿熱源はアノードにおいて、第一義的に改質反応水、第二義的にスタックから排出される廃アノードガス(以下オフガス)およびスタック冷却排水であり、カソードにおいては第一義的にスタックから排出される排カソート゛ガス(以下オフエア)であり、第二義的にスタック冷却排水である。     That is, in the second prior art humidification system (anode gas humidification unit and cathode gas humidification unit), the humidification heat source is primarily discharged from the reforming reaction water and secondarily from the stack at the anode. Waste anode gas (hereinafter referred to as “off gas”) and stack cooling wastewater, and at the cathode, primarily waste exhaust gas (hereinafter referred to as “off air”) discharged from the stack, and secondarily as stack cooling wastewater.

負荷変動時、特に負荷を絞った場合にはスタック冷却排水の温度が低下しやすい。これは、低負荷において発熱量が低下し、放熱要素が相対的に大きくなることによるほか、燃料電池の動作原理上、低負荷運転において発電効率が向上し、結果として発熱量が低下することや、通常の回転型ポンプでは低負荷時の冷却水量コントロールが難しいこと(流量を絞ることが困難)であることが相まって起こる現象である。同様にオフガスおよびオフエアも低負荷時には放熱要因で十分な熱量が取れなくなる。その結果、全熱交換器あるいは膜加湿器の動作原理上、水温低下より上述のような十分な加湿が困難となる。このことは、停止動作時も同様である。     When the load fluctuates, especially when the load is reduced, the temperature of the stack cooling drainage tends to decrease. This is because the calorific value is reduced at a low load and the heat dissipating element is relatively large, and the operating principle of the fuel cell improves the power generation efficiency in the low-load operation, resulting in a decrease in the calorific value. This is a phenomenon caused by the fact that it is difficult to control the amount of cooling water at low load (it is difficult to reduce the flow rate) with a normal rotary pump. Similarly, off-gas and off-air cannot obtain a sufficient amount of heat due to a heat dissipation factor when the load is low. As a result, due to the operating principle of the total heat exchanger or the membrane humidifier, sufficient humidification as described above becomes difficult due to a decrease in water temperature. The same applies to the stop operation.

また、急激に負荷を増大させた場合には、電池が負荷に比例して即座に水を要求するのに対して、加湿系統、燃料供給系統の熱要素には、熱容量由来の熱的時定数が存在し、この要求に追いつかなくなるため、一時的に加湿不足の状態となる。     In addition, when the load is suddenly increased, the battery immediately requires water in proportion to the load, whereas the thermal element of the humidification system and the fuel supply system has a thermal time constant derived from the heat capacity. Exists, and cannot keep up with this request, so it becomes temporarily in a state of insufficient humidification.

また、特に水蒸気改質法による場合には、起動時に改質ガス露点がオーバーシュートしやすい。その結果過加湿の改質ガスが燃料電池に投入された場合には、前述のフラディングを引き起こしやすく、そのまま負荷を取ろうとした場合に転極による電池の破壊が起こりうる。     In particular, when the steam reforming method is used, the reformed gas dew point tends to overshoot at the time of startup. As a result, when the excessively humidified reformed gas is introduced into the fuel cell, the above-mentioned flooding is likely to occur, and when the load is taken as it is, the cell can be destroyed due to inversion.

これらの要因により、第2の従来技術の高分子電解質型燃料電池システムにおいては、頻繁な起動停止、急激な負荷変動を行った場合には連続定格運転に比べ電池の劣化率が大きいという課題が生じていた。     Due to these factors, the polymer electrolyte fuel cell system according to the second prior art has a problem that the battery deterioration rate is larger than the continuous rated operation when frequent start / stop and sudden load fluctuations are performed. It was happening.

本発明は、上記従来の課題を考慮し、より確実にMEAの全領域を水蒸気飽和に保つことが可能な燃料電池システム、燃料電池システムの運転方法、プログラム、及び記録媒体を提供することを目的とするものである。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system, an operation method of the fuel cell system, a program, and a recording medium that can more reliably maintain the entire MEA region in water vapor saturation in consideration of the above-described conventional problems. It is what.

上述した課題を解決するために、第1の本発明は、電解質膜、前記電解質膜を挟むように配設された一対のガス拡散電極、及び前記一対のガス拡散電極の外側から挟み込むように配設され、燃料ガス又は酸化剤ガスを各々の前記ガス拡散電極に供給するためのガス流路溝が形成されたセパレータを持つ、複数の積層された単電池を有するスタックと、
前記スタックに前記ガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部と前記ガス流路溝との間に配設された前記ガスの加湿を行うためのガス加湿部と、
前記ガス流路溝に供給される前記ガスの含む水蒸気量が、前記ガス拡散電極において最初に前記ガスが消費される場所の少なくとも一つの前記ガス流路溝入口部における温度での飽和水蒸気量よりも多くなるように制御を行う制御部とを備えた、燃料電池システムである。
In order to solve the above-described problems, the first aspect of the present invention provides an electrolyte membrane, a pair of gas diffusion electrodes arranged so as to sandwich the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion electrodes sandwiched from outside the pair of gas diffusion electrodes. A stack having a plurality of stacked unit cells, each having a separator formed with a gas channel groove for supplying fuel gas or oxidant gas to each of the gas diffusion electrodes;
A gas supply unit for supplying the gas to the stack;
A gas humidifying unit for humidifying the gas disposed between the gas supply unit and the gas flow channel groove;
The amount of water vapor contained in the gas supplied to the gas flow channel groove is more than the saturated water vapor amount at the temperature of at least one gas flow channel groove inlet portion of the gas diffusion electrode where the gas is first consumed. It is a fuel cell system provided with the control part which controls so that it may increase.

また、第2の本発明は、前記制御部は、前記電解質膜において前記ガスの含む水蒸気がフラッディングを起こさないように前記ガスの含む水蒸気量を制御する、請求項1記載の燃料電池システムである。   The second aspect of the present invention is the fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls the amount of water vapor contained in the gas so that the water vapor contained in the gas does not cause flooding in the electrolyte membrane. .

また、第3の本発明は、前記制御部は、前記ガス流路溝と前記ガス加湿部との間に設けられ、前記複数の積層された単電池へ供給する前記ガスの水蒸気量の調整を行うためのバッファ機構部を有し、
前記バッファ機構部は、
水分を備蓄する備蓄部と、
前記備蓄部によって備蓄されている水分を加熱するための加熱部と、
前記備蓄されている水分の温度を検知する温度検知部と、
前記水分の温度を、前記ガス流路溝の電極入り口部における温度よりも高い温度に保つように前記加熱部の制御を行い、前記水分を再気化して、前記少なくとも一つの電極に供給する供給制御部とを有する、請求項1記載の燃料電池システムである。
In the third aspect of the present invention, the control unit is provided between the gas flow channel groove and the gas humidification unit, and adjusts the water vapor amount of the gas supplied to the plurality of stacked unit cells. A buffer mechanism for performing,
The buffer mechanism is
A stockpiling unit that stocks moisture;
A heating unit for heating moisture stored in the storage unit;
A temperature detection unit for detecting the temperature of the stored water;
Supplying the moisture to be re-vaporized and supplied to the at least one electrode by controlling the heating unit so that the temperature of the moisture is kept higher than the temperature at the electrode entrance of the gas flow channel groove The fuel cell system according to claim 1, further comprising a control unit.

また、第4の本発明は、電解質膜、前記電解質膜を挟むように配設された一対のガス拡散電極、及び前記一対のガス拡散電極の外側から挟み込むように配設され、燃料ガス又は酸化剤ガスを各々の前記ガス拡散電極に供給するためのガス流路溝が形成されたセパレータを持つ、複数の積層された単電池を有するスタックと、
前記スタックに前記ガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部と前記ガス流路溝の間に配設された前記ガスの加湿を行うためのガス加湿部と、
前記ガス流路溝と前記ガス加湿部の間に設けられ、前記複数の積層された単電池へ供給する前記ガスの水蒸気量の調整を行うためのバッファ機構部とを備えた、燃料電池システムである。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an electrolyte membrane, a pair of gas diffusion electrodes disposed so as to sandwich the electrolyte membrane, and a fuel gas or an oxidation gas disposed between the outside of the pair of gas diffusion electrodes. A stack having a plurality of stacked unit cells having a separator in which a gas flow channel for supplying agent gas to each of the gas diffusion electrodes is formed;
A gas supply unit for supplying the gas to the stack;
A gas humidifying unit for humidifying the gas disposed between the gas supply unit and the gas channel groove;
A fuel cell system comprising: a buffer mechanism unit that is provided between the gas flow channel groove and the gas humidifying unit and adjusts a water vapor amount of the gas supplied to the plurality of stacked unit cells; is there.

また、第5の本発明は、前記バッファ機構部は、水分を備蓄する備蓄部と、
前記備蓄部によって備蓄されている水分を加熱するための加熱部と、
前記備蓄されている水分の温度を検知する温度検知部と、
前記水分の温度を、前記ガス流路溝の電極入り口部における温度よりも高い温度に保つように前記加熱部の制御を行い、前記水分を再気化して、前記少なくとも一つの電極に供給する制御部とを有する、請求項4記載の燃料電池システムである。
Further, the fifth aspect of the present invention is that the buffer mechanism section includes a storage section that stores water,
A heating unit for heating moisture stored in the storage unit;
A temperature detection unit for detecting the temperature of the stored water;
Control the heating unit so that the temperature of the moisture is kept higher than the temperature at the electrode entrance of the gas flow channel groove, and re-vaporize the moisture to supply the moisture to the at least one electrode The fuel cell system according to claim 4, further comprising: a unit.

また、第6の本発明は、前記備蓄部は、前記バッファ機構部の内部温度における飽和水蒸気量を超えて前記ガス供給部から供給される水蒸気を凝縮させる熱量制御を行い、
前記制御部は、
(1)改質機の廃熱
(2)前記改質機から前記スタックへ供給される前記燃料ガスの熱
(3)燃料を燃焼させることによって得られる熱
(4)前記スタックから排出される残存燃料ガスを燃焼させることにより得られる熱
(5)前記スタックから排出される冷却水の廃熱
のいずれかの熱のうち、少なくとも一つ以上の熱を熱源として用いることにより凝縮された前記水蒸気を気化する、請求項5記載の燃料電池システムである。
Further, the sixth aspect of the present invention performs the heat amount control for condensing the water vapor supplied from the gas supply unit beyond the saturated water vapor amount at the internal temperature of the buffer mechanism unit,
The controller is
(1) Waste heat of reformer (2) Heat of fuel gas supplied from reformer to stack (3) Heat obtained by burning fuel (4) Residual exhaust from stack Heat obtained by burning fuel gas
(5) The fuel cell according to claim 5, wherein the condensed water vapor is vaporized by using at least one of heats of waste water of the cooling water discharged from the stack as a heat source. System.

また、第7の本発明は、前記燃料または前記スタックから排出される残存燃料ガスを燃焼させることにより得られる熱は、改質機バーナーから得られる、請求項6記載の燃料電池システムである。   The seventh aspect of the present invention is the fuel cell system according to claim 6, wherein the heat obtained by burning the fuel or the remaining fuel gas discharged from the stack is obtained from a reformer burner.

また、第8の本発明は、前記燃料または前記スタックから排出される残存燃料ガスを燃焼させることにより得られる熱は、改質機バーナー以外の専用燃焼機から得られる、請求項6記載の燃料電池システムである。   The fuel according to claim 6, wherein the heat obtained by burning the fuel or the remaining fuel gas discharged from the stack is obtained from a dedicated combustor other than a reformer burner. It is a battery system.

また、第9の本発明は、前記制御部は、前記スタックに対する供給水蒸気量を検知する検知信号に基づき、前記バッファ機構部に導入する前記一つ以上の熱の熱量制御を行うことにより、前記ガス流路溝に供給されるガスの含む水蒸気量が、前記ガス拡散電極において最初に前記ガスが消費される場所の前記ガス流路溝入口部における温度での飽和水蒸気量よりも多くなるように制御する、請求項6記載の燃料電池システムである。   In the ninth aspect of the present invention, the control unit performs heat amount control of the one or more heats to be introduced into the buffer mechanism unit based on a detection signal for detecting the amount of water vapor supplied to the stack. The amount of water vapor contained in the gas supplied to the gas flow channel groove is larger than the saturated water vapor amount at the temperature at the gas flow channel groove inlet portion where the gas is first consumed in the gas diffusion electrode. The fuel cell system according to claim 6, wherein the fuel cell system is controlled.

また、第10の本発明は、前記制御部は、前記一つ以上の熱の熱量制御を、熱媒体量の制御によって行う、請求項9記載の燃料電池システムである。   The tenth aspect of the present invention is the fuel cell system according to claim 9, wherein the control unit performs heat amount control of the one or more heats by controlling a heat medium amount.

また、第11の本発明は、前記制御部による前記一つ以上の熱の熱量制御は、前記改質機または専用燃焼機の燃焼量制御を含む、請求項9記載の燃料電池システムである。   The eleventh aspect of the present invention is the fuel cell system according to claim 9, wherein the heat amount control of the one or more heats by the control unit includes a combustion amount control of the reformer or a dedicated combustor.

また、第12の本発明は、前記一つ以上の熱の前記制御部への供給は、その熱の熱源泉からの熱流体が直接的に導通することにより行われる、請求項6記載の燃料電池システムである。   The twelfth aspect of the present invention is the fuel according to claim 6, wherein the supply of the one or more heats to the control unit is performed by direct conduction of a thermal fluid from a heat source of the heat. It is a battery system.

また、第13の本発明は、前記一つ以上の熱の前記制御部への供給は、その熱の熱源泉からの熱流体をスタック冷却排水と熱交換を行ってから行う間接的な導通によって行われる、請求項6記載の燃料電池システムである。   Further, in the thirteenth aspect of the present invention, the supply of the one or more heats to the control unit is performed by indirect conduction performed after the heat fluid from the heat source of the heat exchanges heat with the stack cooling drainage. It is a fuel cell system of Claim 6 performed.

また、第14の本発明は、前記制御部の制御定数は、複数の運転モードに対応して複数設定可能である、請求項4記載の燃料電池システムである。   The fourteenth aspect of the present invention is the fuel cell system according to claim 4, wherein a plurality of control constants of the control unit can be set corresponding to a plurality of operation modes.

また、第15の本発明は、前記制御部は、使用状況における最適な制御定数を学習して制御を行う、請求項4記載の燃料電池システムである。   Further, the fifteenth aspect of the present invention is the fuel cell system according to claim 4, wherein the control unit learns and controls an optimal control constant in a use situation.

また、第16の本発明は、前記ガス流路溝に前記ガスを供給するためのガス入口マニホールドを備え、
前記バッファ機構部は、前記ガス入口マニホールドと直結して配置されている、請求項4記載の燃料電池システムである。
The sixteenth aspect of the present invention includes a gas inlet manifold for supplying the gas to the gas flow channel groove,
5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the buffer mechanism portion is disposed in direct connection with the gas inlet manifold.

また、第17の本発明は、前記ガス流路溝に前記ガスを供給するためのガス入口マニホールドを備え、
前記バッファ機構部は、前記ガス入口マニホールド内に設けられている、請求項4記載の燃料電池システムである。
The seventeenth aspect of the present invention includes a gas inlet manifold for supplying the gas to the gas passage groove,
The fuel cell system according to claim 4, wherein the buffer mechanism is provided in the gas inlet manifold.

また、第18の本発明は、前記スタックと前記バッファ機構部は一括断熱されている、請求項4記載の燃料電池システムである。   The eighteenth aspect of the present invention is the fuel cell system according to claim 4, wherein the stack and the buffer mechanism are collectively insulated.

また、第19の本発明は、電解質膜、前記電解質膜を挟むように配設された一対のガス拡散電極、及び前記一対のガス拡散電極の外側から挟み込むように配設され、燃料ガス又は酸化剤ガスを各々の前記ガス拡散電極に供給するためのガス流路溝が形成されたセパレータを持つ、複数の積層された単電池を有するスタックと、
前記スタックに前記ガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部と前記ガス流路溝との間に配設された前記ガスの加湿を行うためのガス加湿部とを備えた燃料電池システムを運転する燃料電池システムの運転方法であって、
前記ガス流路溝に供給される前記ガスの含む水蒸気量が、前記ガス拡散電極において最初に前記ガスが消費される場所の前記ガス流路溝入口部における温度での飽和水蒸気量よりも多くなるように制御を行う制御ステップを備えた、燃料電池システムの運転方法である。
According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided an electrolyte membrane, a pair of gas diffusion electrodes disposed so as to sandwich the electrolyte membrane, and a fuel gas or an oxidation gas disposed between the pair of gas diffusion electrodes. A stack having a plurality of stacked unit cells having a separator in which a gas flow channel for supplying agent gas to each of the gas diffusion electrodes is formed;
A gas supply unit for supplying the gas to the stack;
A fuel cell system operating method for operating a fuel cell system comprising a gas humidifying unit for humidifying the gas disposed between the gas supply unit and the gas flow channel groove,
The amount of water vapor contained in the gas supplied to the gas flow channel groove is larger than the saturated water vapor amount at the temperature at the gas flow channel groove inlet portion where the gas is first consumed in the gas diffusion electrode. This is a method for operating a fuel cell system, which includes a control step for performing control as described above.

また、第20の本発明は、電解質膜、前記電解質膜を挟むように配設された一対のガス拡散電極、及び前記一対のガス拡散電極の外側から挟み込むように配設され、燃料ガス又は酸化剤ガスを各々の前記ガス拡散電極に供給するためのガス流路溝が形成されたセパレータを持つ、複数の積層された単電池を有するスタックと、
前記スタックに前記ガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部と前記ガス流路溝の間に配設された前記ガスの加湿を行うためのガス加湿部とを備えた、燃料電池システムの運転方法であって、
前記ガス流路溝と前記加湿部の間で、前記複数の積層された単電池へ供給する前記ガスの水蒸気量の調整を行う調整ステップを備えた、燃料電池システムの運転方法である。
The twentieth aspect of the present invention is an electrolyte membrane, a pair of gas diffusion electrodes disposed so as to sandwich the electrolyte membrane, and a fuel gas or oxidation gas disposed between the outside of the pair of gas diffusion electrodes. A stack having a plurality of stacked unit cells having a separator in which a gas flow channel for supplying agent gas to each of the gas diffusion electrodes is formed;
A gas supply unit for supplying the gas to the stack;
An operation method of a fuel cell system, comprising a gas humidifying unit for humidifying the gas disposed between the gas supply unit and the gas flow channel groove,
It is an operating method of a fuel cell system provided with the adjustment step which adjusts the amount of water vapor of the gas supplied to the plurality of laminated unit cells between the gas channel groove and the humidification part.

また、第21の本発明は、請求項1記載の燃料電池システムの、前記ガス流路溝に供給される前記ガスの含む水蒸気量が、前記ガス拡散電極において最初に前記ガスが消費される場所の前記ガス流路溝入口部における温度での飽和水蒸気量よりも多くなるように制御を行う制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。   According to a twenty-first aspect of the present invention, in the fuel cell system according to claim 1, the amount of water vapor contained in the gas supplied to the gas flow channel groove is a place where the gas is first consumed in the gas diffusion electrode. This is a program for causing a computer to function as a control unit that performs control so as to increase the amount of saturated water vapor at the temperature at the gas channel groove inlet.

また、第22の本発明は、請求項21記載のプログラムを記録した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。     The twenty-second aspect of the present invention is a recording medium on which the program according to the twenty-first aspect is recorded, and is a recording medium that can be processed by a computer.

本発明により、より確実にMEAの全領域を水蒸気飽和に保つことが可能な燃料電池システム、燃料電池システムの運転方法、プログラム、及び記録媒体を提供することが出来る。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system, a fuel cell system operating method, a program, and a recording medium that can more reliably keep the entire MEA region in water vapor saturation.

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。     Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1における、本発明の燃料電池システムの基本構成の概念図である。本実施の形態1の高分子電解質型燃料電池システムは、単電池が積層されたスタック1と、スタック1に燃料ガスを供給するアノードガス供給部2と、酸化ガスを供給するカソードガス供給部3とを備えている。このスタック1とアノードガス供給部2の間に、アノードガスを加湿するためのアノードガス加湿部4が設置されている。また、スタック1とカソードガス供給部3の間に、カソードガスを加湿するためのカソードガス加湿部5が設置されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a conceptual diagram of the basic configuration of the fuel cell system of the present invention in the first embodiment. The polymer electrolyte fuel cell system according to the first embodiment includes a stack 1 in which unit cells are stacked, an anode gas supply unit 2 that supplies fuel gas to the stack 1, and a cathode gas supply unit 3 that supplies oxidizing gas. And. Between the stack 1 and the anode gas supply unit 2, an anode gas humidification unit 4 for humidifying the anode gas is installed. Further, a cathode gas humidification unit 5 for humidifying the cathode gas is installed between the stack 1 and the cathode gas supply unit 3.

まず、図1に示されたスタック1について説明する。   First, the stack 1 shown in FIG. 1 will be described.

図2にスタック1の側面図を示す。図2において、スタック1は、複数個が積層された単電池43を有している。単電池43は、背景技術で説明したものと同様のものである。この単電池43は、一対のガス拡散層と電解質膜を有するMEA42とガスケットと燃料ガスをMEA42に供給するためにアノードガス流路がMEA42と接する面に形成されたセパレータと、MEA42に酸化剤ガスを供給するためにカソードガス流路がMEA42と接する面に形成されたセパレータを有している。
なお、MEA42を構成するアノード及びカソードはいずれもガス拡散性を有するガス拡散電極を示す。より具体的には、アノード及びカソードは何れもガス拡散性を有する触媒層からなるものであってもよく、ガス拡散層上に上記の触媒層を形成した積層体であってもよい。更に、アノード及びカソードはガス拡散層と触媒層との間に他の層(例えば、ガス拡散性、電子伝導性及び撥水性を有する多孔体からなる層)を1以上配置した構成を有する積層体であってもよい。
FIG. 2 shows a side view of the stack 1. In FIG. 2, the stack 1 has a single cell 43 in which a plurality of layers are stacked. The unit cell 43 is the same as that described in the background art. The unit cell 43 includes a MEA 42 having a pair of gas diffusion layers and an electrolyte membrane, a gasket, a separator formed on the surface in contact with the MEA 42 in order to supply fuel gas to the MEA 42, and an oxidizing gas in the MEA 42. The cathode gas flow path has a separator formed on the surface in contact with the MEA 42.
Note that the anode and the cathode constituting the MEA 42 both indicate gas diffusion electrodes having gas diffusibility. More specifically, both the anode and the cathode may be composed of a catalyst layer having gas diffusibility, or may be a laminate in which the above catalyst layer is formed on the gas diffusion layer. Further, the anode and the cathode have a configuration in which one or more other layers (for example, a layer made of a porous material having gas diffusibility, electron conductivity, and water repellency) are disposed between the gas diffusion layer and the catalyst layer. It may be.

このセパレータとして、本実施の形態1では、本発明のセパレータの一例である2種類のセパレータを用いており、一つは燃料ガス流路13と冷却水流路18を有しているセパレータ40であり、他方は酸化剤ガス流路19と冷却水流路18を有しているセパレータ41である。     In this Embodiment 1, two types of separators which are examples of the separator of the present invention are used as this separator, and one is a separator 40 having a fuel gas passage 13 and a cooling water passage 18. The other is a separator 41 having an oxidizing gas channel 19 and a cooling water channel 18.

これらの2種類のセパレータは、セパレータ40の燃料ガス流路13形成面とセパレータ41の酸化剤ガス流路19形成面がMEA42を挟んで対向するように並べられている。このように並べることにより、単電池43は、その両端に冷却水流路18によって形成される冷却部44を有する。なお、説明を省略したがMEA42とを各セパレータ40、41間及び隣り合う単電池43の間にはガスケットが配設されている。   These two types of separators are arranged so that the fuel gas passage 13 forming surface of the separator 40 and the oxidant gas passage 19 forming surface of the separator 41 face each other with the MEA 42 interposed therebetween. By arranging in this way, the single cells 43 have the cooling portions 44 formed by the cooling water flow paths 18 at both ends thereof. Although not described, gaskets are provided between the MEA 42 and between the separators 40 and 41 and between adjacent unit cells 43.

図3(a)は図2に示したセパレータ40の平面図である。また、図3(b)は、図2に示したセパレータ40の図3(a)の反対側の面の平面図である。また、図3(c)は、図2に示したセパレータ40の側面図である。なお、図2に示したセパレータ41は、セパレータ40と同様の構成を有しているので詳細な説明を省略する。   FIG. 3A is a plan view of the separator 40 shown in FIG. Moreover, FIG.3 (b) is a top view of the surface on the opposite side to Fig.3 (a) of the separator 40 shown in FIG. FIG. 3C is a side view of the separator 40 shown in FIG. Since the separator 41 shown in FIG. 2 has the same configuration as the separator 40, detailed description thereof is omitted.

図3(a)に示す様に、セパレータ40の平面40aから見て、端周辺にはアノードガス入口マニホールド11、アノードガス出口マニホールド12、カソードガス入口マニホールド14、及びカソードガス出口マニホールド15が形成されている。また、冷却水入口マニホールド16及び冷却水出口マニホールド17も形成されている。なお、これら各出口と入口マニホールドは、実質上正方形状のセパレータ40の平面の中心に対して点対称の位置に設けられている。又、アノードガス入口マニホールド11とカソードガス入口マニホールド14は、セパレータ40の平面40aの一辺近傍に隣り合う様に設けられている。又、アノードガス出口マニホールド12とカソードガス出口マニホールド15は、前記一辺の対辺近傍に隣り合う様に設けられている。又、冷却水入口マニホールド16と冷却水出口マニホールド17は残りの二辺にそれぞれ設けられている。尚、冷却水入口マニホールド16はアノードガス入口マニホールド11近傍に設けられている。   As shown in FIG. 3A, an anode gas inlet manifold 11, an anode gas outlet manifold 12, a cathode gas inlet manifold 14, and a cathode gas outlet manifold 15 are formed around the end when viewed from the plane 40a of the separator 40. ing. A cooling water inlet manifold 16 and a cooling water outlet manifold 17 are also formed. Each of the outlets and the inlet manifold is provided at a point-symmetrical position with respect to the center of the plane of the substantially square separator 40. Further, the anode gas inlet manifold 11 and the cathode gas inlet manifold 14 are provided adjacent to each other in the vicinity of one side of the flat surface 40 a of the separator 40. The anode gas outlet manifold 12 and the cathode gas outlet manifold 15 are provided adjacent to each other in the vicinity of the opposite side. The cooling water inlet manifold 16 and the cooling water outlet manifold 17 are provided on the remaining two sides. The cooling water inlet manifold 16 is provided near the anode gas inlet manifold 11.

このアノードガス入口マニホールド11からアノードガス出口マニホールド12まで、ジグザグに燃料ガス流路13を構成する複数の平行な溝が形成されている。また、燃料ガス流路13が形成されている反対面には、冷却水流路18を構成する複数の平行な冷却水流路溝がジグザグに、冷却水入口マニホールド16から冷却水出口マニホールド17まで形成されている。   A plurality of parallel grooves constituting the fuel gas flow path 13 are formed in a zigzag manner from the anode gas inlet manifold 11 to the anode gas outlet manifold 12. A plurality of parallel cooling water channel grooves constituting the cooling water channel 18 are formed in a zigzag manner from the cooling water inlet manifold 16 to the cooling water outlet manifold 17 on the opposite surface where the fuel gas channel 13 is formed. ing.

以上図1に示されたスタック1について説明した。     The stack 1 shown in FIG. 1 has been described above.

次に、図1のうちスタック1以外の部分について説明する。     Next, parts other than the stack 1 in FIG. 1 will be described.

すなわち、図3(a)及び図3(b)に示したアノードガス入口マニホールド11と図1に示したアノードガス加湿部4の間には、図1に示すように、必要に応じて燃料ガスに水を付加するための本発明のバッファ機構部の一例であるアノードバッファ機構部20が設置されている。このアノードバッファ機構部20は、図1に示すように、燃料ガスに付加する水分を備蓄するための、アノードガス入口マニホールド11に直結されている本発明の備蓄部の一例であるアノードバッファ機構備蓄部29を有している。     That is, between the anode gas inlet manifold 11 shown in FIGS. 3A and 3B and the anode gas humidifying unit 4 shown in FIG. 1, as shown in FIG. An anode buffer mechanism unit 20 which is an example of the buffer mechanism unit of the present invention for adding water is installed. As shown in FIG. 1, the anode buffer mechanism unit 20 is an anode buffer mechanism reserve which is an example of a reserve unit of the present invention directly connected to the anode gas inlet manifold 11 for storing moisture to be added to the fuel gas. A portion 29 is provided.

尚、上記アノード側と同様に、カソード側のカソードガス入口マニホールド14とカソードガス加湿部5の間にも、図1に示すように、本発明のバッファ機構部の一例であるカソードバッファ機構部30が設置されており、このカソードバッファ機構部30は、図1に示すように、本発明の備蓄部の一例であるカソードバッファ機構備蓄部39を有している。   As shown in FIG. 1, the cathode buffer mechanism section 30, which is an example of the buffer mechanism section of the present invention, is also provided between the cathode gas inlet manifold 14 on the cathode side and the cathode gas humidifying section 5, as in the anode side. As shown in FIG. 1, the cathode buffer mechanism unit 30 has a cathode buffer mechanism storage unit 39 which is an example of the storage unit of the present invention.

スタック1とアノードバッファ機構備蓄部29とカソードバッファ機構備蓄部39は、一体化した構成であり、図1に示すように、断熱材10によって覆われている。   The stack 1, the anode buffer mechanism storage unit 29, and the cathode buffer mechanism storage unit 39 have an integrated configuration and are covered with a heat insulating material 10 as shown in FIG. 1.

図1において、上述したアノードバッファ機構備蓄部29内には、備蓄水を加熱するための本発明の加熱部の一例であるアノードバッファ機構熱交換部21と、備蓄水の水位を検知するアノードバッファ機構水位検知部22とが設置されている。また、アノードバッファ機構備蓄部29内に備蓄された水を排出するためのアノードバッファ機構ドレンポート24が設置されている。さらに、アノードバッファ機構内には、、バッファ機構内の水蒸気量を検知するためのアノードバッファ機構湿度検知部23が設置されている。   In FIG. 1, in the above-described anode buffer mechanism storage unit 29, an anode buffer mechanism heat exchange unit 21 which is an example of the heating unit of the present invention for heating the stored water, and an anode buffer for detecting the level of the stored water A mechanism water level detection unit 22 is installed. Further, an anode buffer mechanism drain port 24 for discharging the water stored in the anode buffer mechanism storage unit 29 is provided. Further, in the anode buffer mechanism, an anode buffer mechanism humidity detector 23 for detecting the amount of water vapor in the buffer mechanism is installed.

又、図1において、カソードバッファ機構備蓄部39内にも、アノードバッファ機構備蓄部29と同様に、本発明の加熱部の一例であるカソードバッファ機構熱交換部31と、カソードバッファ機構水位検知部32と、ドレンポート34、カソードバッファ機構湿度検知部33が設置されている。   1, in the cathode buffer mechanism storage unit 39, as in the anode buffer mechanism storage unit 29, the cathode buffer mechanism heat exchange unit 31 which is an example of the heating unit of the present invention, and the cathode buffer mechanism water level detection unit 32, a drain port 34, and a cathode buffer mechanism humidity detector 33 are installed.

図1において、断熱材10の外部に設置されているアノードバッファ機構加熱媒体供給部25からアノードバッファ機構熱交換部21へとアノード加熱媒体流路6が形成されており、このアノード加熱媒体流路6に加熱媒体の流量を調節するためのアノードバッファ機構加熱調整弁26が設置されている。又、アノードバッファ機構ドレンポート24は、断熱材10の外部へ通じており、備蓄水の排出を調節するためのアノードバッファ機構ドレンバルブ27が設置されている。また、アノードバッファ機構水位検出部22により検出された備蓄水の水位によってアノードバッファ機構ドレンバルブ27の開閉の制御を行い、アノードバッファ機構湿度部23によって検出された湿度によってアノードバッファ機構加熱調整弁26の開閉を制御するアノードバッファ機構制御部28が設置されている。   In FIG. 1, an anode heating medium flow path 6 is formed from an anode buffer mechanism heating medium supply section 25 installed outside the heat insulating material 10 to an anode buffer mechanism heat exchange section 21, and this anode heating medium flow path 6 is provided with an anode buffer mechanism heating adjustment valve 26 for adjusting the flow rate of the heating medium. Further, the anode buffer mechanism drain port 24 communicates with the outside of the heat insulating material 10, and an anode buffer mechanism drain valve 27 for adjusting the discharge of the stored water is installed. Also, the opening / closing of the anode buffer mechanism drain valve 27 is controlled by the water level of the stored water detected by the anode buffer mechanism water level detection unit 22, and the anode buffer mechanism heating adjustment valve 26 is controlled by the humidity detected by the anode buffer mechanism humidity unit 23. An anode buffer mechanism control unit 28 for controlling the opening and closing of is installed.

すなわち、アノードバッファ機構部20は、アノードバッファ機構備蓄部29、アノードバッファ機構熱交換部21、アノードバッファ機構水位検知部22、アノードバッファ機構湿度検知部23、アノードバッファ機構ドレンポート24、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25、アノード加熱媒体流路6、アノードバッファ機構加熱調整弁26、アノードバッファ機構ドレンバルブ27及びアノードバッファ機構制御部28を有している。   That is, the anode buffer mechanism unit 20 includes an anode buffer mechanism storage unit 29, an anode buffer mechanism heat exchange unit 21, an anode buffer mechanism water level detection unit 22, an anode buffer mechanism humidity detection unit 23, an anode buffer mechanism drain port 24, and an anode buffer mechanism. A heating medium supply unit 25, an anode heating medium flow path 6, an anode buffer mechanism heating adjustment valve 26, an anode buffer mechanism drain valve 27, and an anode buffer mechanism control unit 28 are provided.

また、アノード側と同様にカソード側にも、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35と、カソード加熱媒体流路8と、カソードバッファ機構加熱調整弁36と、カソードバッファ機構ドレンバルブ37とカソードバッファ機構制御部38が設置されている。   Similarly to the anode side, the cathode buffer mechanism heating medium supply section 35, the cathode heating medium flow path 8, the cathode buffer mechanism heating adjustment valve 36, the cathode buffer mechanism drain valve 37, and the cathode buffer mechanism control are also provided on the cathode side. Part 38 is installed.

ここにアノードバッファ機構加熱媒体供給部25からアノードバッファ機構熱交換部21に供給される加熱媒体は、スタックの発熱を除去したスタック冷却水を、少なくとも以下の(1)〜(4)のいずれかの熱源と熱交換して昇温したものであるか、または(1)〜(4)のいずれかの熱源からの燃焼排ガスその他であって、その交換熱量コントロールは同じくアノードバッファ機構制御部28からの信号により、ここでは図示されない改質機あるいは専用バーナーの燃焼量制御等によって行われる。また、システム運転挙動(起動停止、負荷変動)に対する、時定数その制御定数はここでは図示されない制御用の記憶媒体に各々の運転モードに対応してプリセットされ、実運転時には学習制御プログラムにより、制御定数を微調整して設定される。カソード側についても同様である。       Here, the heating medium supplied from the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 to the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 uses at least one of the following (1) to (4) as the stack cooling water from which the heat generated by the stack has been removed. Or the combustion exhaust gas from any one of the heat sources of (1) to (4), and the control of the exchange heat quantity is also from the anode buffer mechanism control unit 28. This is performed by controlling the combustion amount of a reformer or a dedicated burner not shown here. Also, the time constant for the system operation behavior (start / stop, load fluctuation) and its control constant are preset in the control storage medium not shown here corresponding to each operation mode, and controlled by the learning control program during actual operation Set by fine-tuning the constant. The same applies to the cathode side.

(1)前記改質機の廃熱
(2)前記改質機から前記スタックへ供給される前記水素リッチな燃料ガスの熱
(3)燃料を燃焼させることによって得られる熱
(4)前記スタックから排出される残存燃料ガスを燃焼させることにより得られる熱
なお、上記1(1)〜(4)については、後述する実施の形態3において詳細に説明する。
(1) Waste heat of the reformer (2) Heat of the hydrogen-rich fuel gas supplied from the reformer to the stack (3) Heat obtained by burning fuel (4) From the stack Heat obtained by burning the residual fuel gas discharged Note that the above 1 (1) to (4) will be described in detail in a third embodiment to be described later.

図1に示したアノードバッファ機構部20とカソードバッファ機構部30の構成について以下に具体的に述べる。   The configuration of the anode buffer mechanism 20 and the cathode buffer mechanism 30 shown in FIG. 1 will be specifically described below.

図4は、図1に示した、スタック1とアノードバッファ機構部20及びカソードバッファ機構部30との構成斜視図である。図1におけるアノードバッファ機構備蓄部29及びカソードバッファ機構備蓄部39は、図4に示すように、複数のバッファ機構部セパレータ50、60を積層することにより形成されている。複数のバッファ機構部セパレータ50、60はスタック1に積層され、スタック1の反対側には、エンドプレート51が配設されている。   4 is a configuration perspective view of the stack 1, the anode buffer mechanism unit 20, and the cathode buffer mechanism unit 30 shown in FIG. The anode buffer mechanism reserve unit 29 and the cathode buffer mechanism reserve unit 39 in FIG. 1 are formed by stacking a plurality of buffer mechanism unit separators 50 and 60, as shown in FIG. The plurality of buffer mechanism separators 50 and 60 are stacked on the stack 1, and an end plate 51 is disposed on the opposite side of the stack 1.

次に、バッファ機構部セパレータ50について詳しく述べる。   Next, the buffer mechanism section separator 50 will be described in detail.

図5(a)はバッファ機構部セパレータ50のバッファ機構備蓄部用溝形成面である。又、図5(b)はバッファ機構部セパレータ50の加熱媒体流路用溝形成面である。又、図5(c)は図5(a)のAA´断面図である。   FIG. 5A shows a groove forming surface for the buffer mechanism reserve part of the buffer mechanism part separator 50. FIG. 5B shows a heating medium channel groove forming surface of the buffer mechanism separator 50. FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.

図5(a)に示す様に、バッファ機構部セパレータ50の一面50aには、積層方向から見て上辺近傍に2つのアノードガス出口マニホールド52、カソードガス出口マニホールド53とが並んで形成されている。また、それぞれのガス出口マニホールドの下部であり、バッファ機構部セパレータ50の下辺近傍にはアノードガス入口マニホールド54、カソードガス入口マニホールド55が並んで形成されている。   As shown in FIG. 5A, on one surface 50a of the buffer mechanism separator 50, two anode gas outlet manifolds 52 and a cathode gas outlet manifold 53 are formed side by side in the vicinity of the upper side when viewed from the stacking direction. . Also, an anode gas inlet manifold 54 and a cathode gas inlet manifold 55 are formed side by side in the lower part of each gas outlet manifold and in the vicinity of the lower side of the buffer mechanism separator 50.

又、ガス出口マニホールド52、53及びガス入口マニホールド54、55が形成されている以外の二辺(図5(a)では左右の辺)近傍には加熱媒体入口マニホールド58及び加熱媒体出口マニホールド59が、それぞれ一辺ずつに形成されている。尚、実質上正方形状のバッファ機構部セパレータ50の中心に対して実質上点対称となる位置に加熱媒体入口マニホールド58と加熱媒体出口マニホールド59は形成されている。さらに、セパレータ40に形成されている冷却水入口マニホールド16と冷却水出口マニホールド17が、バッファ機構部セパレータ50にも形成されている。   Further, a heating medium inlet manifold 58 and a heating medium outlet manifold 59 are provided in the vicinity of two sides (left and right sides in FIG. 5A) other than where the gas outlet manifolds 52 and 53 and the gas inlet manifolds 54 and 55 are formed. Each is formed on one side. The heating medium inlet manifold 58 and the heating medium outlet manifold 59 are formed at positions that are substantially point symmetric with respect to the center of the substantially square buffer mechanism section separator 50. Further, the coolant inlet manifold 16 and the coolant outlet manifold 17 formed in the separator 40 are also formed in the buffer mechanism separator 50.

又、冷却水入口マニホールド16と加熱媒体出口マニホールド59の間であって、バッファ機構部セパレータ50の辺近傍にアノード備蓄水排出マニホールド70が設置されている。又、冷却水出口マニホールド17と加熱媒体入口マニホールド58の間であって、バッファ機構部セパレータ50の辺近傍にカソード備蓄水排出マニホールド80が設置されている。   An anode storage water discharge manifold 70 is installed between the cooling water inlet manifold 16 and the heating medium outlet manifold 59 and in the vicinity of the side of the buffer mechanism separator 50. Further, a cathode reserve water discharge manifold 80 is installed between the cooling water outlet manifold 17 and the heating medium inlet manifold 58 and in the vicinity of the side of the buffer mechanism separator 50.

又、アノードガス出口マニホールド52とアノードガス入口マニホールド54の間にアノードバッファ機構備蓄部用溝56が、カソードガス出口マニホールド53とカソードガス入口マニホールド55の間にカソードバッファ機構備蓄部用溝57が、バッファ機構部セパレータ50の表面50aに形成されている。   Also, an anode buffer mechanism storage groove 56 is provided between the anode gas outlet manifold 52 and the anode gas inlet manifold 54, and a cathode buffer mechanism storage groove 57 is provided between the cathode gas outlet manifold 53 and the cathode gas inlet manifold 55. It is formed on the surface 50 a of the buffer mechanism section separator 50.

このアノードバッファ機構備蓄部用溝56は、下部が閉じている水備蓄部用溝56aを有している。又、アノードバッファ機構備蓄部用溝56は、アノードガス出口マニホールド52から水備蓄部用溝56aの上部に向かって形成されているガス出口用溝56bと、水備蓄部用溝56aの上部から上方向に向かい折り返して下方のアノードガス入口マニホールド54へと形成されているガス入口用溝56cを有している。又、アノード備蓄水排出マニホールド70へ水備蓄部用溝56aから水排出用溝56dが形成されている。尚、カソードガス出口マニホールド53とカソードガス入口マニホールド55の間にも、アノードバッファ機構備蓄部用溝56と同様の形状のカソードバッファ機構備蓄部用溝57が形成されている。   The anode buffer mechanism reserve portion groove 56 has a water reserve portion groove 56a whose bottom is closed. Further, the anode buffer mechanism reserve portion groove 56 is formed from the anode gas outlet manifold 52 toward the upper portion of the water reserve portion groove 56a and from above the upper portion of the water reserve portion groove 56a. It has a gas inlet groove 56 c that is folded back in the direction and formed into the lower anode gas inlet manifold 54. Further, a water discharge groove 56d is formed from the water storage portion groove 56a to the anode storage water discharge manifold 70. A cathode buffer mechanism reserve groove 57 having the same shape as the anode buffer mechanism reserve groove 56 is also formed between the cathode gas outlet manifold 53 and the cathode gas inlet manifold 55.

又、上記バッファ機構備蓄用溝56の形成面の反対面50bには、加熱媒体流路用溝46が形成されている。この加熱媒体流路用溝46は上記加熱媒体入口マニホールド58から加熱媒体出口マニホールド59へとジグザグ形状に形成されている。   A heating medium flow channel groove 46 is formed on the surface 50b opposite to the surface on which the buffer mechanism storage groove 56 is formed. The heating medium passage groove 46 is formed in a zigzag shape from the heating medium inlet manifold 58 to the heating medium outlet manifold 59.

尚、バッファ機構部セパレータ60は、上記バッファ機構部セパレータ50と左右対称になる様に各出口入口マニホールド、アノード及びカソードバッファ機構備蓄部用溝56、57、及び加熱媒体流路用溝46が形成されている。それ以外は、バッファ機構部セパレータ60は、バッファ機構部セパレータ50と同様の構成であるので、バッファ機構部セパレータ60については詳細な説明を省略する。   The buffer mechanism separator 60 is formed with outlet manifolds, anode and cathode buffer mechanism reserve grooves 56 and 57, and a heating medium channel groove 46 so as to be symmetrical with the buffer mechanism separator 50. Has been. Other than that, the buffer mechanism section separator 60 has the same configuration as the buffer mechanism section separator 50, and thus detailed description of the buffer mechanism section separator 60 is omitted.

図4に示す様にバッファ機構部セパレータ50、60を積層した際に、バッファ機構部セパレータ50、60と図2に示したセパレータ40、41の各マニホールドの位置は、以下に示す様に対応する。   When the buffer mechanism separators 50 and 60 are stacked as shown in FIG. 4, the positions of the manifolds of the buffer mechanism separators 50 and 60 and the separators 40 and 41 shown in FIG. 2 correspond as shown below. .

すなわち、図5(a)、図5(b)、及び図5(c)に示したバッファ機構部セパレータ50、60のアノードガス出口マニホールド52と図3(a)及び図3(b)に示したセパレータ40、41のアノードガス入口マニホールド11とが積層時に位置が一致する。   That is, the anode gas outlet manifold 52 of the buffer mechanism section separators 50 and 60 shown in FIGS. 5 (a), 5 (b), and 5 (c), and FIGS. 3 (a) and 3 (b). The positions of the separator 40 and the anode gas inlet manifold 11 of the separator 41 coincide with each other when stacked.

また、図5(a)、図5(b)、及び図5(c)に示したバッファ機構部セパレータ50、60のカソードガス出口マニホールド53と図3(a)及び図3(b)に示したセパレータ40、41のカソードガス入口マニホールド14とが積層時に位置が一致する。     Further, the cathode gas outlet manifold 53 of the buffer mechanism separators 50 and 60 shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, and FIGS. 3A and 3B are shown. Further, the positions of the cathode gas inlet manifolds 14 of the separators 40 and 41 coincide with each other when stacked.

また、図5(a)、図5(b)、及び図5(c)に示したバッファ機構部セパレータ50、60のアノードガス入口マニホールド54と図3(a)及び図3(b)に示したセパレータ40、41のカソードガス出口マニホールド15とが積層時に位置が一致する。     Further, the anode gas inlet manifold 54 of the buffer mechanism separators 50 and 60 shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, and FIGS. 3A and 3B are shown. The positions of the cathode gas outlet manifold 15 of the separators 40 and 41 coincide with each other at the time of stacking.

また、図5(a)、図5(b)、及び図5(c)に示したバッファ機構部セパレータ50、60のカソードガス入口マニホールド55と図3(a)及び図3(b)に示したセパレータ40、41のアノードガス出口マニホールド12とが、積層時に位置が一致することになる。     Further, the cathode gas inlet manifold 55 of the buffer mechanism section separators 50 and 60 shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C and those shown in FIGS. 3A and 3B. The positions of the anode gas outlet manifold 12 of the separators 40 and 41 coincide with each other at the time of stacking.

図6は、図1に示したバッファ機構部と、図1に示したスタック1との側断面図である。すなわち、ここでは、例として、アノード側を挙げて説明する。図6に示す様に、図5(a)、図5(b)、及び図5(c)で示したバッファ機構部セパレータ50と60が各々のバッファ機構備蓄部溝56が形成されている面を合わせることによりバッファ機構備蓄構成部29aが形成される。このバッファ機構部セパレータ50、60を交互に積層することにより複数のバッファ機構備蓄構成部29aが形成され、図1の概念図において説明したバッファ機構備蓄部29が構成される。   6 is a side sectional view of the buffer mechanism shown in FIG. 1 and the stack 1 shown in FIG. That is, here, the anode side will be described as an example. As shown in FIG. 6, the buffer mechanism separators 50 and 60 shown in FIGS. 5 (a), 5 (b), and 5 (c) are surfaces on which the respective buffer mechanism reserve grooves 56 are formed. Are combined to form the buffer mechanism reserve component 29a. A plurality of buffer mechanism reserve components 29a are formed by alternately stacking the buffer mechanism separators 50 and 60, and the buffer mechanism reserve 29 described in the conceptual diagram of FIG. 1 is configured.

又、各バッファ機構備蓄構成部29aの間には、セパレータ50とセパレータ60の加熱媒体流路用溝46(図5(b)参照)の形成面が合わさることにより、加熱媒体流路47が形成される。この複数の加熱媒体流路47によって本発明の加熱部の一例である熱交換部48が構成される。尚、図1の概念図において、別々に設けられているアノード加熱媒体流路6とカソード加熱媒体流路8は、具体例である図6においては、図1に示したアノードバッファ機構備蓄部29とカソードバッファ機構備蓄部39を共に熱する加熱媒体流路47に相当する。又、図1のアノードバッファ機構熱交換部21とカソードバッファ機構熱交換部31も図6では、熱交換部48に相当する。   Further, the heating medium flow path 47 is formed between the buffer mechanism reserve components 29a by combining the formation surfaces of the heating medium flow path grooves 46 of the separator 50 and the separator 60 (see FIG. 5B). Is done. The plurality of heating medium flow paths 47 constitute a heat exchanging section 48 which is an example of the heating section of the present invention. In the conceptual diagram of FIG. 1, the anode heating medium flow path 6 and the cathode heating medium flow path 8 provided separately are shown in FIG. 6, which is a specific example, in the anode buffer mechanism reserve section 29 shown in FIG. This corresponds to the heating medium flow path 47 that heats both the cathode buffer mechanism storage part 39 and the cathode buffer mechanism storage part 39. Further, the anode buffer mechanism heat exchanging portion 21 and the cathode buffer mechanism heat exchanging portion 31 in FIG. 1 also correspond to the heat exchanging portion 48 in FIG.

又、スタック1と接するバッファ機構部セパレータは、図6に示すように、アノードガス入口マニホールド54が形成されていないバッファ機構部端セパレータ61となっている。又、図3(a)及び図3(b)に示すセパレータ40、41の冷却水入口出口マニホールド16、17は、バッファ機構部セパレータ50、60、61に設けられているが、流路が形成されていないため、バッファ機構部セパレータ50、60、61をスルーしてスタック1に供給される。又、図5(a)及び図5(b)に示したバッファ機構部セパレータ50と60の加熱媒体入口及び出口マニホールド58、59は、スタック1の図3(a)及び図3(b)に示すセパレータ40、41には設けられていない。もっとも、レイアウト上スタック1をスルーして加熱媒体を通したい場合には設けても良い。   Further, as shown in FIG. 6, the buffer mechanism section separator in contact with the stack 1 is a buffer mechanism section end separator 61 in which the anode gas inlet manifold 54 is not formed. In addition, the cooling water inlet / outlet manifolds 16 and 17 of the separators 40 and 41 shown in FIGS. 3A and 3B are provided in the buffer mechanism separators 50, 60, and 61, but the flow paths are formed. Therefore, the buffer mechanism part separators 50, 60, 61 are fed to the stack 1. Also, the heating medium inlet and outlet manifolds 58 and 59 of the buffer mechanism separators 50 and 60 shown in FIGS. 5A and 5B are shown in FIGS. 3A and 3B of the stack 1. The separators 40 and 41 shown are not provided. However, it may be provided when it is desired to pass the heating medium through the stack 1 in the layout.

又、図6において、積層されたバッファ機構部セパレータ50、60のスタック1の反対側にはエンドプレート51が設置されている。   In FIG. 6, an end plate 51 is provided on the opposite side of the stack 1 of the stacked buffer mechanism separators 50 and 60.

このエンドプレート51には、図4に示すように、図1に示したアノードバッファ機構備蓄部29及びカソードバッファ機構備蓄部39に対応する位置に覗き窓62を介して、光学低的なレベルセンサー63(図1において示したアノードバッファ機構水位検知部22に相当する。)が備蓄水の水位を検知するために設けられている。また、図1に示したアノードバッファ機構備蓄部29に備蓄されている水を系外に排出するための、図1において説明したアノードバッファ機構ドレンポート24及びアノードバッファ機構ドレンバルブ27が、図4に示すようにエンドプレート51、バッファ機構部セパレータ50、60に設置されている。また、図4において、エンドプレート51には積層時にバッファ機構のアノードガス出口マニホールド52、カソードガス出口マニホールド53内に相当する位置にアノードガス湿度センサ220、カソードガス湿度センサ221が埋設され、ここでは図示されない制御部と電気的に接続されている。   As shown in FIG. 4, the end plate 51 has an optically low level sensor via a viewing window 62 at positions corresponding to the anode buffer mechanism reserve unit 29 and the cathode buffer mechanism reserve unit 39 shown in FIG. 63 (corresponding to the anode buffer mechanism water level detection unit 22 shown in FIG. 1) is provided for detecting the level of the stored water. Further, the anode buffer mechanism drain port 24 and the anode buffer mechanism drain valve 27 described in FIG. 1 for discharging the water stored in the anode buffer mechanism storage unit 29 shown in FIG. As shown in FIG. 4, the end plate 51 and the buffer mechanism separators 50 and 60 are installed. In FIG. 4, an anode gas humidity sensor 220 and a cathode gas humidity sensor 221 are embedded in the end plate 51 at positions corresponding to the anode gas outlet manifold 52 and the cathode gas outlet manifold 53 of the buffer mechanism when stacked. It is electrically connected to a control unit (not shown).

尚、図示していないが、カソード側にも、レベルセンサー63、カソードバッファ機構ドレンポート34、及びカソードバッファ機構ドレンバルブ27が設けられている。   Although not shown, a level sensor 63, a cathode buffer mechanism drain port 34, and a cathode buffer mechanism drain valve 27 are also provided on the cathode side.

又、図1の概念図において、水位を検知するアノードバッファ機構水位検知部22は、図4の具体例では、エンドプレート51に覗き窓62を介したレベルセンサー63に相当するが、これに限定するものではない。要するに、アノードバッファ機構水位検知部22は、バッファ機構備蓄部に備蓄されている水の水位を検知出来さえすればよい。また、図4に示したようなオートドレン様式においては省略することも可能である。   In the conceptual diagram of FIG. 1, the anode buffer mechanism water level detection unit 22 that detects the water level corresponds to the level sensor 63 via the viewing window 62 in the end plate 51 in the specific example of FIG. 4, but is not limited thereto. Not what you want. In short, the anode buffer mechanism water level detection unit 22 only needs to be able to detect the water level stored in the buffer mechanism storage unit. Further, it can be omitted in the auto drain mode as shown in FIG.

又、図4において、エンドプレート51は、バッファ機構部セパレータ50、60のアノードガス入口マニホールド54、カソードガス入口マニホールド55に対応する位置にアノードガス供給配管64、カソードガス供給配管65を有している。同様に、エンドプレート51は、バッファ機構部セパレータ50、60の各出入口マニホールドに対応する位置に、冷却水供給配管66、冷却水排出配管67、加熱媒体供給配管68、及び加熱媒体排出配管69が設置されている。   4, the end plate 51 has an anode gas supply pipe 64 and a cathode gas supply pipe 65 at positions corresponding to the anode gas inlet manifold 54 and the cathode gas inlet manifold 55 of the buffer mechanism separators 50 and 60. Yes. Similarly, the end plate 51 includes a cooling water supply pipe 66, a cooling water discharge pipe 67, a heating medium supply pipe 68, and a heating medium discharge pipe 69 at positions corresponding to the inlet / outlet manifolds of the buffer mechanism separators 50 and 60. is set up.

上記構成の本実施の形態1における燃料電池システムの動作について以下に述べる。尚、アノードガス側を例に挙げて説明を行うが、カソードガス側も同様である。   The operation of the fuel cell system according to Embodiment 1 configured as described above will be described below. The description will be given by taking the anode gas side as an example, but the same applies to the cathode gas side.

尚、アノードガス加湿部4において燃料ガスに与えられる露点をT1とする。又、アノードバッファ機構備蓄部29内の温度は、アノードバッファ機構制御部28がアノードバッファ機構加熱調整弁26を調整することにより加熱媒体の流量を調整し、T2に保っている。   The dew point given to the fuel gas in the anode gas humidifying unit 4 is T1. The temperature in the anode buffer mechanism storage unit 29 is maintained at T2 by adjusting the flow rate of the heating medium by the anode buffer mechanism control unit 28 adjusting the anode buffer mechanism heating adjustment valve 26.

又、MEA42の燃料ガス流路13の入口部における温度をT3とする。
アノードガス供給部2から発生し、アノードガス加湿部4でT1の露点を与えられた燃料ガスは、図6の矢印で示す様に、エンドプレート51のアノードガス供給配管64を通って、バッファ機構部セパレータ50、60のアノードガス入口マニホールド54内に流入する。
The temperature at the inlet of the fuel gas passage 13 of the MEA 42 is T3.
The fuel gas generated from the anode gas supply unit 2 and given the dew point of T1 by the anode gas humidification unit 4 passes through the anode gas supply pipe 64 of the end plate 51 as shown by the arrow in FIG. Into the anode gas inlet manifold 54 of the partial separators 50, 60.

次に、各バッファ機構部セパレータ50、60に設けられた、図5(a)に示すバッファ機構備蓄部溝56のガス入口用溝56cを通って、図6に示す複数のバッファ機構備蓄構成部29aに流入する。スタック1と接触するバッファ機構部セパレータ61にはアノードガス入口マニホールド54が設けられていないため、燃料ガスは全てバッファ機構備蓄構成部29aに流入する。ここで、この燃料ガスに含まれている水蒸気のうち、アノードバッファ機構備蓄構成部29aの内部温度(T2)における露点相当の水蒸気は、アノードバッファ機構備蓄構成部29a内で液化することなく、図5(a)及び図5(b)に示すアノードガス出口マニホールド52から、図4に示すスタック1のアノードガス入口マニホールド11に供給される。   Next, a plurality of buffer mechanism reserve components shown in FIG. 6 are provided through the gas inlet groove 56c of the buffer mechanism reserve groove 56 shown in FIG. 5A provided in each buffer mechanism separator 50, 60. It flows into 29a. Since the buffer mechanism section separator 61 in contact with the stack 1 is not provided with the anode gas inlet manifold 54, all the fuel gas flows into the buffer mechanism reserve component 29a. Here, of the water vapor contained in the fuel gas, the water vapor corresponding to the dew point at the internal temperature (T2) of the anode buffer mechanism reserve component 29a is not liquefied in the anode buffer mechanism reserve component 29a. The anode gas outlet manifold 52 shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b) supplies the anode gas inlet manifold 11 of the stack 1 shown in FIG.

次に、MEA42の燃料ガス流路13の入口でT3に冷却される。ここで、アノードバッファ機構備蓄部29に備蓄水が存在し、常時T2>T3の関係が成り立てばMEA42のガス流入部で、T3に対して水蒸気は飽和となる。T3に対して水蒸気を過飽和とするために、例えばT3に対してT2が一定値高くなるよう、熱媒体からの供給熱量を調節する制御が、アノードバッファ機構制御部28により行われる。このとき、アノードバッファ機構制御部28が、T3とT2の関係を、T3+10>T2を満たすようにして、T3に対してT2が一定値高くなるよう制御すれば、フラッディングを回避することが出来る。   Next, it is cooled to T3 at the inlet of the fuel gas passage 13 of the MEA 42. Here, if there is stockpile water in the anode buffer mechanism stockpile 29 and the relationship of T2> T3 is always established, water vapor is saturated with respect to T3 at the gas inflow part of the MEA 42. In order to make water vapor supersaturated with respect to T3, for example, the anode buffer mechanism control unit 28 performs control to adjust the amount of heat supplied from the heat medium so that T2 becomes a certain value higher than T3. At this time, flooding can be avoided if the anode buffer mechanism control unit 28 controls the relationship between T3 and T2 so that T3 + 10> T2 and T2 becomes a certain value higher than T3.

又、この系において、常時T1>T2の関係が成り立てば、備蓄水は増加する一方となるので、過剰な備蓄水をアノードバッファ機構備蓄部29から、図4に示すアノード備蓄水排出マニホールド70とアノードバッファ機構ドレンポート24を通って排出し、他の補機に供給することが可能である。例えば、加湿部4、5に戻して再利用したり、改質機の動作水として利用する。   Further, in this system, if the relationship of T1> T2 is always established, the reserve water is increased while the excess reserve water is supplied from the anode buffer mechanism reserve unit 29 to the anode reserve water discharge manifold 70 shown in FIG. It can be discharged through the anode buffer mechanism drain port 24 and supplied to other auxiliary machines. For example, it is returned to the humidifying units 4 and 5 for reuse, or used as operating water for the reformer.

また、この系でシステムの動作上、一時的にT1<T2となる場合には、不足分は備蓄水から、自然蒸発により供給されることとなり、電池に対して供給水蒸気量の不足は起こらず、システム動作が安定しT1>T2となった時点からまた備蓄水が増加に転じる。   In addition, when T1 <T2 is temporarily satisfied in the operation of the system in this system, the shortage will be supplied from the stored water by natural evaporation, and the supply of water vapor to the battery will not be insufficient. From the point of time when the system operation is stabilized and T1> T2, the stored water starts to increase again.

上記例としては、補助熱源を用いて全熱交換器(図示せず)の温度を78℃に維持することにより供給ガスの露点(T1)74℃に維持し、これを72℃(T2)に維持されたアノードバッファ機構備蓄部29に導入し、電池温度70℃(T3=71℃程度)のMEA42のガス入口部に供給を行う。表1に各温度における水の飽和水蒸気量を示す。   In the above example, the temperature of the total heat exchanger (not shown) is maintained at 78 ° C. by using an auxiliary heat source to maintain the dew point (T1) of the supply gas at 74 ° C., and this is maintained at 72 ° C. (T2). It is introduced into the maintained anode buffer mechanism reserve 29 and supplied to the gas inlet of the MEA 42 at a battery temperature of 70 ° C. (T3 = about 71 ° C.). Table 1 shows the saturated water vapor amount of water at each temperature.

Figure 2005203361
Figure 2005203361

この様に、水蒸気供給系統からの水蒸気の供給量を、基本的には電池動作に必要な量に対して過剰になるように制御し、この過剰分、および供給されたうち配管内で液化し、MEAの乾燥防止に即効性のない部分をストックする。このストックされた水を電池温度以上の熱源をもって再気化し、電池温度における飽和水蒸気量以上の水蒸気量を与える。この後、スタックマニホールド内でMEA42のガス流入部の温度にて冷却し飽和とする制御(この部分の検知可能な電池温度に対しては過飽和となっている。)、すなわち調整制御(バッファリング)を行う。     In this way, the amount of water vapor supplied from the water vapor supply system is basically controlled to be excessive with respect to the amount required for battery operation. , Stock the part of MEA that is not immediately effective in preventing drying. The stocked water is re-vaporized with a heat source at or above the battery temperature to give a water vapor volume above the saturated water vapor volume at the battery temperature. Thereafter, control is performed to cool and saturate at the temperature of the gas inflow portion of the MEA 42 in the stack manifold (oversaturation with respect to the battery temperature that can be detected in this portion), that is, adjustment control (buffering). I do.

上述した様に、MEAのガス流入部の温度における飽和水蒸気量よりも高い水蒸気を含むガスを供給することにより、より確実にMEAの全ての部位において供給ガスは飽和水蒸気量を保つことが出来る。   As described above, by supplying a gas containing water vapor that is higher than the saturated water vapor amount at the temperature of the gas inflow portion of the MEA, the supply gas can maintain the saturated water vapor amount more reliably in all parts of the MEA.

又、バッファ機構部を設けることにより、ガス加湿部4、5の供給能力が電池の要求量に対して一時的に低下する等の制御上の要因、また電力負荷増大等にともない、電池の要求水蒸気量に対してガス加湿部の水蒸気供給能力が応答速度的に追いつかない(タイムラグ)状況において、内部に備蓄された水を気化してこの不足分を補填し、緩衝ないしは調整を行うことが出来る。   In addition, by providing a buffer mechanism, there is a control factor such as a temporary decrease in the supply capacity of the gas humidifiers 4 and 5 with respect to the required amount of the battery, and there is an increase in power load. In the situation where the steam supply capacity of the gas humidifier does not catch up with the amount of water vapor in terms of response speed (time lag), the water stored inside can be vaporized to compensate for this deficiency, and buffering or adjustment can be performed .

又、バッファ機構備蓄部をガス入口マニホールドに直結して設け、一括断熱することにより、ガス温度の低下を防ぐことが出来る。すなわち、ガス加湿部4、5からスタック1への配管中で結露し、実質的な水蒸気量が低下した反応ガスを、再度電池温度以上の露点に戻し、かつこれが再度結露せずに電池で消費されるレイアウトを取りうる。   Further, by providing a buffer mechanism stocking part directly connected to the gas inlet manifold and performing thermal insulation at a time, it is possible to prevent a decrease in gas temperature. That is, the reaction gas condensed in the pipes from the gas humidifying units 4 and 5 to the stack 1 and having a substantial reduced water vapor amount is returned to the dew point above the battery temperature again, and is consumed by the battery without condensation again. The layout can be taken.

このため、低電流密度で定格運転される用途(特に、定置用コージェネレーションシステム)においても、より長寿命に安定運転を行うことが出来る燃料電池システムまたはその運転方法を提供することが出来る。   For this reason, it is possible to provide a fuel cell system or a method for operating the fuel cell system that can perform stable operation with a longer life even in applications (particularly, stationary cogeneration systems) that are rated at low current density.

(実施の形態2)
図7は、本実施の形態2における燃料電池システムの概念図である。図7に示す様に、本実施の形態2における燃料電池システムは、実施の形態1と基本的構成は同じであるがアノードバッファ機構部及びカソードバッファ機構部をアノード及びカソードガス入口マニホールド内に設けた点が異なる。そのため本実施の形態2の実施の形態1に対する相違点を中心に説明する。尚、実施の形態1と同一の構成要素には同一番号を付している。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a conceptual diagram of the fuel cell system according to the second embodiment. As shown in FIG. 7, the fuel cell system according to the second embodiment has the same basic configuration as that of the first embodiment, but the anode buffer mechanism and the cathode buffer mechanism are provided in the anode and cathode gas inlet manifolds. Different points. Therefore, the difference between the second embodiment and the first embodiment will be mainly described. In addition, the same number is attached | subjected to the component same as Embodiment 1. FIG.

図8(a)は、本実施の形態2における燃料電池システムのスタック1(図7)の構成斜視図である。図8(a)に示す様に、本実施の形態2における燃料電池システムは、実施の形態1のアノード及びカソードガス入口マニホールド11、14と形状が異なるアノード及びカソードガス入口マニホールド71、81を備えている。又、実施の形態1と異なり、バッファ機構部セパレータを備えず、スタック1に直接エンドプレート90が積層されている。   FIG. 8A is a configuration perspective view of the stack 1 (FIG. 7) of the fuel cell system according to the second embodiment. As shown in FIG. 8A, the fuel cell system according to the second embodiment includes anode and cathode gas inlet manifolds 71 and 81 having a shape different from that of the anode and cathode gas inlet manifolds 11 and 14 according to the first embodiment. ing. Further, unlike the first embodiment, the end plate 90 is directly stacked on the stack 1 without providing the buffer mechanism section separator.

図8(b)は、カソードガス入口マニホールド81の拡大斜視図である。又、図8(c)は、エンドプレート90からスタック1方向を見たカソードガス入口マニホールド81の拡大平面図である。図8(c)に示す様に、このカソードガス入口マニホールド81の底部の右側81aがカソードガス入口マニホールド81内に突き出しており、左側81bが水を備蓄することが出来る本発明の備蓄部の一例であるカソードバッファ機構備蓄部82となる。このカソードバッファ機構備蓄部82の底部に、カソードバッファ機構加熱媒体流路84を有する本発明の加熱部の一例であるカソードバッファ機構熱交換部83が設置されている。このカソードガス入口マニホールド81の右側81aから、酸化剤ガス流路19用の溝である酸化剤ガス流路用溝86が形成されている。又、エンドプレート51に設けられているカソードガス入口マニホールド81は、エンドプレート90を貫通しておらず、図8(b)に示す様に、エンドプレート90は、カソードガス入口マニホールド81の上部に接合されているカソードガス供給配管91を備えている。また、図8(a)に示すように、、エンドプレート90は、アノードガス入口マニホールド71、カソードガス入口マニホールド81内の湿度をそれぞれ検知するアノードガス湿度センサ220、カソードガス湿度センサ221を有している。   FIG. 8B is an enlarged perspective view of the cathode gas inlet manifold 81. FIG. 8C is an enlarged plan view of the cathode gas inlet manifold 81 as viewed from the end plate 90 in the stack 1 direction. As shown in FIG. 8C, the right side 81a at the bottom of the cathode gas inlet manifold 81 protrudes into the cathode gas inlet manifold 81, and the left side 81b is an example of a storage unit according to the present invention that can store water. The cathode buffer mechanism reserve part 82 is. A cathode buffer mechanism heat exchanging unit 83 which is an example of the heating unit of the present invention having the cathode buffer mechanism heating medium flow path 84 is installed at the bottom of the cathode buffer mechanism storage unit 82. An oxidant gas flow channel groove 86, which is a groove for the oxidant gas flow channel 19, is formed from the right side 81 a of the cathode gas inlet manifold 81. Further, the cathode gas inlet manifold 81 provided in the end plate 51 does not penetrate the end plate 90, and the end plate 90 is disposed above the cathode gas inlet manifold 81 as shown in FIG. A cathode gas supply pipe 91 is provided. 8A, the end plate 90 has an anode gas humidity sensor 220 and a cathode gas humidity sensor 221 for detecting the humidity in the anode gas inlet manifold 71 and the cathode gas inlet manifold 81, respectively. ing.

この様に実施の形態1におけるにおけるカソードバッファ機構部30は、本実施の形態2では、カソードガス入口マニホールド81内に設けられている、カソードバッファ機構備蓄部82及びカソードバッファ機構熱交換部83を有するカソードバッファ機構部85に相当する。   As described above, the cathode buffer mechanism 30 in the first embodiment includes the cathode buffer mechanism storage unit 82 and the cathode buffer mechanism heat exchange unit 83 provided in the cathode gas inlet manifold 81 in the second embodiment. This corresponds to the cathode buffer mechanism 85 having the same.

又、カソード側と同様に、アノードガス入口マニホールド71では、底部右側に本発明の備蓄部の一例であるアノードバッファ機構備蓄部72を備え、底部左側から燃料ガス流路13の溝が形成されている。上述したカソード側と同様にアノードバッファ機構備蓄部72の底部に、アノードバッファ機構加熱媒体流路74を有する本発明の加熱部の一例であるアノードバッファ機構熱交換部73が設置されている。   Similarly to the cathode side, the anode gas inlet manifold 71 is provided with an anode buffer mechanism reserve portion 72 which is an example of a reserve portion of the present invention on the right side of the bottom, and a groove of the fuel gas flow path 13 is formed from the left side of the bottom portion. Yes. Similarly to the cathode side described above, an anode buffer mechanism heat exchange unit 73 which is an example of the heating unit of the present invention having the anode buffer mechanism heating medium flow path 74 is installed at the bottom of the anode buffer mechanism storage unit 72.

又、この様に実施の形態1におけるアノードバッファ機構部20は、本実施の形態2ではアノードガス入口マニホールド71内に設けられている、アノードバッファ機構備蓄部72及びアノードバッファ機構熱交換部73を有するアノードバッファ機構部75に相当する。又、エンドプレート90には、アノードガス入口マニホールド71の上部に接合されているアノードガス供給配管92が設置されている。   As described above, the anode buffer mechanism unit 20 in the first embodiment includes the anode buffer mechanism storage unit 72 and the anode buffer mechanism heat exchange unit 73 provided in the anode gas inlet manifold 71 in the second embodiment. This corresponds to the anode buffer mechanism portion 75 having the above-described structure. The end plate 90 is provided with an anode gas supply pipe 92 joined to the upper part of the anode gas inlet manifold 71.

又、エンドプレート90は、実施の形態1と同様にアノード及びカソードバッファ機構備蓄部72、82に備蓄されている水位を検知するためのアノード覗き窓93、カソード覗き窓94を有している。図示していないが、覗き窓93、94には、それぞれに光学的なレベルセンサーが設置されている。又、エンドプレート90は、スタック1の冷却水入口マニホールド16に対応する位置に冷却水供給配管95と、冷却水出口マニホールド17に対応する位置に冷却水排出配管96を有している。   Further, the end plate 90 has an anode viewing window 93 and a cathode viewing window 94 for detecting the water level stored in the anode and cathode buffer mechanism reserves 72 and 82 as in the first embodiment. Although not shown, optical level sensors are respectively installed in the viewing windows 93 and 94. Further, the end plate 90 has a cooling water supply pipe 95 at a position corresponding to the cooling water inlet manifold 16 of the stack 1 and a cooling water discharge pipe 96 at a position corresponding to the cooling water outlet manifold 17.

尚、アノードガス入口マニホールド71、カソードガス入口マニホールド81、冷却水入口マニホールド16は全てスタック1の上部に位置しているが、このスタックでは全ての流体を鉛直下向きに流すことによって、上部ほど温度が低くなるように設計されている(下に流れるにしたがってスタック1の発熱によって、各流体は加熱されるため上部より下部の方が温度が高くなるためである。)。   The anode gas inlet manifold 71, the cathode gas inlet manifold 81, and the cooling water inlet manifold 16 are all located in the upper part of the stack 1, but in this stack, the temperature is increased toward the upper part by flowing all the fluid vertically downward. It is designed to be low (because each fluid is heated by the heat generated by the stack 1 as it flows downward, the temperature at the bottom is higher than the top).

又、本実施の形態2における燃料電池システムは、冷却水排出配管96には分岐弁97が設けられており、分岐弁97によって分岐された冷却水は、アノードバッファ機構加熱媒体流路74及びカソードバッファ機構加熱媒体流路84に流入するように構成されている。   In the fuel cell system according to the second embodiment, the cooling water discharge pipe 96 is provided with a branch valve 97, and the cooling water branched by the branch valve 97 is supplied to the anode buffer mechanism heating medium channel 74 and the cathode. The buffer mechanism is configured to flow into the heating medium flow path 84.

この分岐弁97とアノードバッファ機構加熱媒体流路74、84の間には冷却水温度が足りない場合にスタック1以外の熱源から引いた熱を補充できるための外部熱交換器98が設置されている。   An external heat exchanger 98 is installed between the branch valve 97 and the anode buffer mechanism heating medium flow paths 74 and 84 to replenish heat drawn from a heat source other than the stack 1 when the cooling water temperature is insufficient. Yes.

尚、図7の概念図において、水位を検知するアノードバッファ機構水位検知部22は、図8の具体例では、エンドプレート90に覗き窓93、94を介したレベルセンサーに相当するが、これに限定されるものではない。要するにアノードバッファ機構水位検知部22は、バッファ機構備蓄部に備蓄されている水の水位を検知出来さえすればよい。   In the conceptual diagram of FIG. 7, the anode buffer mechanism water level detection unit 22 that detects the water level corresponds to a level sensor in the specific example of FIG. 8 via the viewing windows 93 and 94 in the end plate 90. It is not limited. In short, the anode buffer mechanism water level detection unit 22 only needs to be able to detect the water level stored in the buffer mechanism storage unit.

又、加熱媒体流路74、84への加熱媒体を供給する加熱媒体供給部は、図7ではアノードバッファ機構加熱媒体供給部25及びカソードバッファ機構加熱媒体供給部35と別々に記載しているが、図8(a)においては、加熱媒体供給部84、94へ加熱媒体を供給する流路は1つであるため、加熱媒体供給部も別々に設置する必要はない。   In addition, the heating medium supply unit that supplies the heating medium to the heating medium flow paths 74 and 84 is illustrated separately from the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 and the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 in FIG. In FIG. 8A, since there is one flow path for supplying the heating medium to the heating medium supply units 84 and 94, it is not necessary to separately install the heating medium supply unit.

上記構成の本実施の形態2における燃料電池システムの動作について以下に説明する。尚、カソード側について説明するがアノード側についても同様である。   The operation of the fuel cell system according to the second embodiment having the above configuration will be described below. The cathode side will be described, but the same applies to the anode side.

カソードガス供給部3から供給され、カソードガス加湿部5にて加湿された酸化剤ガスは、カソードガス供給配管91からカソードガス入口マニホールド81内に流入する。   The oxidant gas supplied from the cathode gas supply unit 3 and humidified by the cathode gas humidification unit 5 flows into the cathode gas inlet manifold 81 from the cathode gas supply pipe 91.

次に、カソードガス入口マニホールド81内の露点より低い部分は、酸化剤ガス流路用溝86に流入する。
カソードガス入口マニホールド81内の水蒸気量はカソードガス湿度センサ221により常時モニターされ、この水蒸気量が常時T3(MEA42の酸化剤ガス流路入口部の温度)における飽和水蒸気量より多くなるように、カソードバッファ機構熱交換部83に熱供給が行われて、備蓄水を気化するために、ここから単電池43に分岐する時点では常に単電池43の温度より高い露点を持っている。
Next, a portion lower than the dew point in the cathode gas inlet manifold 81 flows into the oxidant gas flow channel groove 86.
The amount of water vapor in the cathode gas inlet manifold 81 is constantly monitored by the cathode gas humidity sensor 221, and the amount of water vapor is always higher than the saturated water vapor amount at T3 (temperature of the oxidant gas flow path inlet of the MEA 42). When the heat is supplied to the buffer mechanism heat exchanging unit 83 and the stored water is vaporized, the dew point is always higher than the temperature of the unit cell 43 at the time of branching to the unit cell 43 from here.

本実施の形態2は、実施の形態1と比べて、特に高電圧を得るために積層段数が上がり、スタック長が長くなった場合においても、水蒸気の分配が各セルにより均等に行われるという有利な点を有している。   Compared with the first embodiment, the second embodiment is advantageous in that the distribution of water vapor is evenly performed by each cell even when the number of stacked layers is increased to obtain a high voltage and the stack length is increased. It has many points.

又、本実施の形態2は、実施の形態1と比べて、各単電池へ水蒸気をより均等に分配する点でもより優れている。すなわち、実施の形態1に示した形態では、バッファ機構部20、30から各単電池43までの距離(事実上の配管長)は不均等であり、特に多段積層時に、マニホールド内での結露によってバッファ機構から遠くなる部分で水蒸気量が不足する。本実施の形態2では、ガスマニホールド内に水を備蓄するために配管長は均一であり最短となる。   Further, the second embodiment is superior to the first embodiment in that water vapor is more evenly distributed to each unit cell. That is, in the form shown in the first embodiment, the distances from the buffer mechanism units 20 and 30 to the individual cells 43 (the actual pipe length) are unequal, especially due to condensation in the manifold during multi-stage stacking. The amount of water vapor is insufficient in the part far from the buffer mechanism. In the second embodiment, since the water is stored in the gas manifold, the pipe length is uniform and the shortest.

又、実施の形態1ではスタック1の積層段数が上がる場合にバッファ機構部セパレータ50、60の積層段数もこれに応じて増やさなければならないというパッケージング上の問題があるが、本実施の形態2ではガスマニホールドの一定面積を備蓄スペースとすることから、備蓄水量は積層段数に自動的に比例するので、この問題がない。   Further, in the first embodiment, there is a packaging problem that when the number of stacked layers of the stack 1 increases, the number of stacked layers of the buffer mechanism section separators 50 and 60 must be increased accordingly. Then, since a certain area of the gas manifold is used as a storage space, the amount of stored water is automatically proportional to the number of stacked layers, so this problem does not occur.

又、本発明の制御部は、実施の形態1、2ではアノードバッファ機構制御部28及びカソードバッファ機構制御部38に相当し、備蓄部に備蓄されている水分の再気化量を制御している。この再気化量を制御する手段についても、上述のように湿度センサを用いてフィードバック制御を行ってもよく、また気化した水の絶対量を水位で検知して同様の制御を行う方法でもよい。要するに、備蓄部に備されている水分の温度をガス流路溝の入口部の電解質膜の温度よりも高い温度に保つように加熱部の制御を行い、水分を再気化して積層された複数の単電池に供給する制御部でありさえすればよい。   Further, the control unit of the present invention corresponds to the anode buffer mechanism control unit 28 and the cathode buffer mechanism control unit 38 in the first and second embodiments, and controls the revaporization amount of water stored in the storage unit. . As for the means for controlling the re-vaporization amount, feedback control may be performed using a humidity sensor as described above, or the same control may be performed by detecting the absolute amount of vaporized water at the water level. In short, the heating part is controlled so that the temperature of the water provided in the storage part is kept higher than the temperature of the electrolyte membrane at the inlet of the gas flow channel groove, and the water is re-vaporized and stacked. What is necessary is just a control part to supply to the single cell.

又、本発明のバッファ機構部は、本実施の形態1では、アノードバッファ機構部20及びカソードバッファ機構部30に相当し、本実施の形態2では、アノードバッファ機構部75及びカソードバッファ機構部85に相当し、アノード側とカソード側の両側に備えているが、どちらか片方のみを設置してもよい。この場合従来の燃料電池システムと比較すると、より長寿命に安定運転を行うことが出来るが、MEAの乾燥を防止するためには、アノード及びカソード側の双方にバッファ機構部を設けた方がより好ましい。   Further, the buffer mechanism unit of the present invention corresponds to the anode buffer mechanism unit 20 and the cathode buffer mechanism unit 30 in the first embodiment, and the anode buffer mechanism unit 75 and the cathode buffer mechanism unit 85 in the second embodiment. Although it is provided on both sides of the anode side and the cathode side, only one of them may be installed. In this case, compared with the conventional fuel cell system, stable operation can be performed with a longer life. However, in order to prevent the MEA from drying, it is more preferable to provide buffer mechanisms on both the anode and cathode sides. preferable.

又、本実施の形態1、2において説明したバッファ機構部の構成に限らなくても良い。いずれにしても、このバッファ機構部は、複数の単電池へ供給する反応ガスの水蒸気量の調整を行い、電池温度における飽和水蒸気量以上の水蒸気量を常時供給する機能(バッファリング)でありさえすればよい。また、加熱媒体は上述のように、電池冷却排水を電池以外の熱源と一旦熱交換してから用いてもよく、電池以外の熱源からの燃焼排ガスを直接アノードバッファ機構加熱媒体流路74及びカソードバッファ機構加熱媒体流路84に引き込んで、マニフォルド内で直接備蓄水を加熱しても良い。   Further, the configuration of the buffer mechanism described in the first and second embodiments is not limited. In any case, this buffer mechanism adjusts the water vapor amount of the reaction gas supplied to a plurality of single cells, and even has a function (buffering) that constantly supplies a water vapor amount equal to or higher than the saturated water vapor amount at the battery temperature. do it. Further, as described above, the heating medium may be used after the battery cooling wastewater is once subjected to heat exchange with a heat source other than the battery, and the combustion exhaust gas from the heat source other than the battery is directly used as the anode buffer mechanism heating medium channel 74 and the cathode. The stored water may be heated directly in the manifold by drawing into the buffer mechanism heating medium flow path 84.

(実施の形態3)
実施の形態3では、上記実施の形態1及び2に共通して用いられる、バッファ機構備蓄部へ熱を供給する熱供給手段について説明する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a heat supply unit that supplies heat to the buffer mechanism storage unit, which is used in common with the first and second embodiments, will be described.

上記実施の形態1及び2のいずれにも共通して用いられる、バッファ機構備蓄部への熱供給手段としては、T3(MEAのガス入口部における温度)より高温の流体を加熱媒体流路を通してバッファ機構に導入し、バッファ機構内で備蓄水と熱交換を行う方式が簡便かつ確実である。実際の燃料電池システムにおいては、電池排熱以外の熱源として以下の選択肢がある。
(1)アノードガス供給部2が有する燃料改質機の廃熱。
(2)燃料改質機から供給される加湿水素ガス(温度150度程度)を導入する方法。
(3)本目的のために燃料自体を燃焼させる方法。
(4)本目的のためにオフガス(アノードで剰余となった排水素ガス)を燃焼させる方法
以下に上記選択肢について説明をする。尚、実施の形態1を例に挙げて説明を行うが、実施の形態2においても同様である。
As a heat supply means to the buffer mechanism storage unit that is commonly used in both the first and second embodiments, a fluid having a temperature higher than T3 (temperature at the gas inlet of the MEA) is buffered through the heating medium flow path. A method of introducing heat into the mechanism and exchanging heat with the stored water in the buffer mechanism is simple and reliable. In an actual fuel cell system, there are the following options as heat sources other than battery exhaust heat.
(1) Waste heat of the fuel reformer that the anode gas supply unit 2 has.
(2) A method of introducing humidified hydrogen gas (temperature of about 150 degrees) supplied from the fuel reformer.
(3) A method of burning the fuel itself for this purpose.
(4) Method of combusting off-gas (excess hydrogen gas remaining at the anode) for this purpose The above options will be described below. The description will be made by taking the first embodiment as an example, but the same applies to the second embodiment.

(1)は、アノードガス供給部2において燃料ガスから水素リッチガスへの改質を行う際に加熱する必要があるため、この廃熱を熱源として利用して、加熱媒体の加熱を行う方法である。図9は、本実施の形態3の(1)における燃料電池システムの概略図である。尚、図1に示す実施の形態1と同一の構成については、同じ番号を付している。   (1) is a method of heating the heating medium using this waste heat as a heat source because it is necessary to heat the anode gas supply unit 2 when reforming from fuel gas to hydrogen-rich gas. . FIG. 9 is a schematic diagram of the fuel cell system according to the third embodiment (1). In addition, the same number is attached | subjected about the structure same as Embodiment 1 shown in FIG.

図9に示す様に、アノード加熱媒体流路6及びカソード加熱媒体流路8は、アノードガス供給部2の改質機へと流路が構成されている。又、アノード加熱媒体流路6及びカソード加熱媒体流路8は、改質機の前で流路が合流し、改質機の廃熱によって加熱媒体が加熱される。そして加熱された加熱媒体は、アノード加熱媒体流路6及びカソード加熱媒体流路8へと分岐し、アノードバッファ機構備蓄部29及びカソードバッファ機構備蓄部39へと供給される。   As shown in FIG. 9, the anode heating medium flow path 6 and the cathode heating medium flow path 8 constitute a flow path to the reformer of the anode gas supply unit 2. In addition, the anode heating medium flow path 6 and the cathode heating medium flow path 8 merge before the reformer, and the heating medium is heated by the waste heat of the reformer. The heated heating medium branches into the anode heating medium flow path 6 and the cathode heating medium flow path 8 and is supplied to the anode buffer mechanism reserve section 29 and the cathode buffer mechanism reserve section 39.

(2)は、アノードガス供給部2の燃料改質機からスタック1へ供給する加湿水素ガスの熱を熱源として利用して、アノード加熱媒体流路6及びカソード加熱媒体流路8に導入する方法である。図10は、本実施の形態3の(2)における燃料電池システムの概略図である。図10に示す様に、加湿された燃料ガス流路中に熱交換器138が設置されている。この熱交換器138へとアノード加熱媒体流路6及びカソード加熱媒体流路8が設置されている。又、アノード加熱媒体流路6及びカソード加熱媒体流路8は、熱交換器138の前で流路が合流し、熱交換器138で、加湿燃料ガスからの伝熱によって加熱媒体が加熱される。そして、加熱された加熱媒体は、アノード加熱媒体流路6とカソード加熱媒体流路8へと分岐し、アノードバッファ機構備蓄部29とカソードバッファ機構備蓄部39へと供給される。   (2) is a method in which the heat of the humidified hydrogen gas supplied from the fuel reformer of the anode gas supply unit 2 to the stack 1 is used as a heat source and introduced into the anode heating medium channel 6 and the cathode heating medium channel 8. It is. FIG. 10 is a schematic diagram of the fuel cell system in (2) of the third embodiment. As shown in FIG. 10, a heat exchanger 138 is installed in the humidified fuel gas passage. An anode heating medium channel 6 and a cathode heating medium channel 8 are installed in the heat exchanger 138. The anode heating medium flow path 6 and the cathode heating medium flow path 8 merge before the heat exchanger 138, and the heating medium is heated by heat transfer from the humidified fuel gas in the heat exchanger 138. . The heated heating medium branches into the anode heating medium flow path 6 and the cathode heating medium flow path 8 and is supplied to the anode buffer mechanism reserve section 29 and the cathode buffer mechanism reserve section 39.

(3)は、加熱媒体流路に導入する加熱媒体を加熱するために、他の燃料を燃焼させる方法である。図11は、本実施の形態3の(3)における燃料電池システムの概略図である。図11に示す様に、(3)の燃料電池システムの上記(2)の場合と異なる点は、熱交換器138が設置されておらず、他の燃料を燃焼することにより、加熱媒体を加熱する加熱部139が設置されている点である。この加熱部139により加熱された加熱媒体が上記(2)と同様に、アノードバッファ機構備蓄部29及びカソードバッファ機構備蓄部39へと供給される。   (3) is a method of burning another fuel in order to heat the heating medium introduced into the heating medium flow path. FIG. 11 is a schematic diagram of the fuel cell system according to (3) of the third embodiment. As shown in FIG. 11, the difference from the above (2) of the fuel cell system (3) is that the heat exchanger 138 is not installed and the heating medium is heated by burning other fuel. The heating unit 139 is installed. The heating medium heated by the heating unit 139 is supplied to the anode buffer mechanism reserve unit 29 and the cathode buffer mechanism reserve unit 39 as in (2) above.

(4)は、加熱媒体流路に導入する加熱媒体を加熱するために、アノード側における剰余燃料ガスを燃焼させる方法である。図12は、本実施の形態3の(4)における燃料電池システムの概略図である。図12に示す様に、(4)の燃料電池システムの上記(3)と異なる点は、加熱部139が設置されておらず、余剰燃料ガスを燃焼することにより加熱媒体を加熱する燃料ガス燃焼加熱部140が設置されている点である。この燃料電池システムには、スタック1において未使用の余剰燃料ガスを燃料ガス燃焼加熱部140へ供給するための流路が設置されており、余剰燃料ガスを燃料ガス燃焼加熱部140で燃焼させることにより加熱媒体が加熱される。   (4) is a method of burning surplus fuel gas on the anode side in order to heat the heating medium introduced into the heating medium flow path. FIG. 12 is a schematic diagram of the fuel cell system according to (4) of the third embodiment. As shown in FIG. 12, the fuel cell system of (4) differs from the above (3) in that the heating unit 139 is not installed, and the fuel gas combustion that heats the heating medium by burning surplus fuel gas The heating unit 140 is installed. In this fuel cell system, a flow path for supplying unused surplus fuel gas to the fuel gas combustion heating unit 140 in the stack 1 is installed, and surplus fuel gas is burned by the fuel gas combustion heating unit 140. As a result, the heating medium is heated.

なお、上記(3)、(4)を行うために、これら原燃料あるいはオフガスを燃焼する専用のバーナーを設けても良く、あるいは原燃料あるいはオフガスで駆動される改質機バーナーにこの役割を賦課させることも可能である。すなわち、例えば改質機燃焼排ガスが常時バッファ機構に導入される形態としておき、露点不足時には通常改質反応に必要な燃焼量に加えて、追加加湿に必要な燃焼量を改質機バーナーに与えるような制御を行うことによってこの目的を達することができる。   In order to perform the above (3) and (4), a dedicated burner for burning these raw fuel or off gas may be provided, or this role is imposed on the reformer burner driven by raw fuel or off gas. It is also possible to make it. That is, for example, the reformer combustion exhaust gas is constantly introduced into the buffer mechanism, and when the dew point is insufficient, in addition to the combustion amount necessary for the normal reforming reaction, the combustion amount necessary for additional humidification is given to the reformer burner. This purpose can be achieved by performing such control.

これらの熱源からの熱は、スタック1から排出される冷却水と一端熱交換されてバッファ機構に導入されるか、あるいは直接にバッファ機構に導入される。以下に、上記の熱源からの熱がスタック1から排出される冷却水と一旦熱交換されてバッファ機構に導入される場合の具体例と、上記の熱源からの熱が直接にバッファ機構に導入される具体例について説明する。   The heat from these heat sources is exchanged with the cooling water discharged from the stack 1 at one end and introduced into the buffer mechanism, or directly introduced into the buffer mechanism. Hereinafter, a specific example in which heat from the heat source is once exchanged with cooling water discharged from the stack 1 and introduced into the buffer mechanism, and heat from the heat source is directly introduced into the buffer mechanism. A specific example will be described.

図13は、実施の形態3の燃料電池システムの概略図であり、実施の形態1の燃料電池システムのうち、図1のアノードバッファ機構加熱媒体供給部25及びカソードバッファ機構加熱媒体供給部35の部分をさらに詳細に示した図である。図13は、上記の熱源からの熱が直接にバッファ機構に導入される場合の具体例である。なお、図13において図1と同一部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。   FIG. 13 is a schematic diagram of the fuel cell system of the third embodiment. Of the fuel cell system of the first embodiment, the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 and the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 of FIG. It is the figure which showed the part in detail. FIG. 13 is a specific example in the case where the heat from the heat source is directly introduced into the buffer mechanism. In FIG. 13, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図13において、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25には、上記(1)〜(4)の熱源からの熱を担持した熱媒体が熱媒体導入配管205を経由して導入される。そして、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25は、導入された熱媒体をアノード加熱媒体流路6を経由して、直接にアノードバッファ機構熱交換部21に供給する。そして、アノードバッファ機構熱交換部21においてアノード備蓄水と熱交換した熱媒体は、アノード加熱媒体流路6を経由して、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25に戻り、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25から熱媒体排出配管206を経由して排出される。   In FIG. 13, a heat medium carrying heat from the heat sources (1) to (4) is introduced into the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 via the heat medium introduction pipe 205. Then, the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 supplies the introduced heat medium directly to the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 via the anode heating medium flow path 6. Then, the heat medium exchanged with the anode reserve water in the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 returns to the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 via the anode heating medium flow path 6, and the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 is discharged via a heat medium discharge pipe 206.

同様に、図13において、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35には、上記(1)〜(4)の熱源からの熱を担持した熱媒体が熱媒体導入配管210を経由して導入される。そして、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35は、導入された熱媒体をカソード加熱媒体流路8を経由して、直接にカソードバッファ機構熱交換部31に供給する。そして、カソードバッファ機構熱交換部31においてカソード備蓄水と熱交換した熱媒体は、カソード加熱媒体流路8を経由して、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35に戻り、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35から熱媒体排出配管211を経由して排出される。   Similarly, in FIG. 13, a heat medium carrying heat from the heat sources (1) to (4) is introduced into the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 via the heat medium introduction pipe 210. The cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 supplies the introduced heat medium directly to the cathode buffer mechanism heat exchange unit 31 via the cathode heating medium flow path 8. Then, the heat medium exchanged with the cathode reserve water in the cathode buffer mechanism heat exchanging section 31 returns to the cathode buffer mechanism heating medium supply section 35 via the cathode heating medium flow path 8, and the cathode buffer mechanism heating medium supply section. 35 is discharged via a heat medium discharge pipe 211.

このように、図13の燃料電池システムでは、上記(1)〜(4)の熱源からの熱を担持した熱媒体がカソードバッファ機構熱交換部31及びアノードバッファ機構熱交換部21に直接的に導通することにより行われる。   As described above, in the fuel cell system of FIG. 13, the heat medium carrying the heat from the heat sources (1) to (4) directly enters the cathode buffer mechanism heat exchange unit 31 and the anode buffer mechanism heat exchange unit 21. This is done by conducting.

図14は、実施の形態3の燃料電池システムの概略図であり、実施の形態1の燃料電池システムのうち、図1のアノードバッファ機構加熱媒体供給部25及びカソードバッファ機構加熱媒体供給部35の部分をさらに詳細に示した図である。図14は、上記の熱源からの熱が、スタック1から排出される冷却水と一旦熱交換されてバッファ機構に導入される場合の具体例である。なお、図14において、図1と同一部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 14 is a schematic diagram of the fuel cell system of the third embodiment. Of the fuel cell system of the first embodiment, the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 and the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 of FIG. It is the figure which showed the part in detail. FIG. 14 is a specific example in the case where the heat from the heat source is once heat-exchanged with the cooling water discharged from the stack 1 and introduced into the buffer mechanism. 14, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図14において、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25には、冷却水導入配管201を経由してスタック1からの冷却水が導入されとともに、上記の熱源からの熱を担持した熱媒体が熱媒体導入配管205を経由して導入される。そして、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25の熱交換器204において、導入されたスタック1からの冷却水と導入された熱媒体との熱交換が行われ、スタック1からの冷却水は昇温される。アノードバッファ機構加熱媒体供給部25は、熱交換器204において昇温された冷却水を、アノード加熱媒体流路6を経由してアノードバッファ機構熱交換部21に供給する。アノードバッファ機構熱交換部21でアノードバッファ備蓄水と熱交換したスタック1の冷却水は、アノード加熱媒体流路6を経由してアノードバッファ機構加熱媒体供給部25に戻り、さらに、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25から冷却水排出配管206を経由して排出される。一方、熱交換器204において熱交換が行われた熱媒体は、熱媒体量調節バルブ203を経由して熱媒体排出配管202から排出される。   In FIG. 14, the cooling water from the stack 1 is introduced into the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 via the cooling water introduction pipe 201, and the heat medium carrying the heat from the heat source is introduced into the anode medium. It is introduced via the pipe 205. Then, in the heat exchanger 204 of the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25, heat exchange between the introduced cooling water from the stack 1 and the introduced heat medium is performed, and the cooling water from the stack 1 is heated. The The anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 supplies the cooling water heated in the heat exchanger 204 to the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 via the anode heating medium flow path 6. The cooling water of the stack 1 that has exchanged heat with the anode buffer reserve water in the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 returns to the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 via the anode heating medium flow path 6, and further heats the anode buffer mechanism. It is discharged from the medium supply unit 25 via the cooling water discharge pipe 206. On the other hand, the heat medium subjected to heat exchange in the heat exchanger 204 is discharged from the heat medium discharge pipe 202 via the heat medium amount adjustment valve 203.

同様に、 図14において、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35には、冷却水導入配管207を経由してスタック1からの冷却水が導入されとともに、上記の熱源からの熱を担持した熱媒体が熱媒体導入配管211を経由して導入される。そして、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35の熱交換器210において、導入されたスタック1からの冷却水と導入された熱媒体との熱交換が行われ、スタック1からの冷却水は昇温される。カソードバッファ機構加熱媒体供給部35は、熱交換器204において昇温された冷却水を、カソード加熱媒体流路8を経由してカソードバッファ機構熱交換部31に供給する。カソードバッファ機構熱交換部31でカソードバッファ備蓄水と熱交換したスタック1の冷却水は、カソード加熱媒体流路8を経由してカソードバッファ機構加熱媒体供給部35に戻り、さらに、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35から冷却水排出配管212を経由して排出される。一方、熱交換器210において熱交換が行われた熱媒体は、熱媒体量調節バルブ209を経由して熱媒体排出配管208から排出される。   Similarly, in FIG. 14, the cooling water from the stack 1 is introduced into the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 via the cooling water introduction pipe 207, and the heat medium carrying the heat from the heat source is received. It is introduced via the heat medium introduction pipe 211. Then, in the heat exchanger 210 of the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35, heat exchange between the introduced cooling water from the stack 1 and the introduced heat medium is performed, and the cooling water from the stack 1 is heated. The The cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 supplies the cooling water heated in the heat exchanger 204 to the cathode buffer mechanism heat exchange unit 31 via the cathode heating medium flow path 8. The cooling water of the stack 1 that has exchanged heat with the cathode buffer storage water in the cathode buffer mechanism heat exchanging section 31 returns to the cathode buffer mechanism heating medium supply section 35 via the cathode heating medium flow path 8 and further heats the cathode buffer mechanism. It is discharged from the medium supply unit 35 via the cooling water discharge pipe 212. On the other hand, the heat medium subjected to heat exchange in the heat exchanger 210 is discharged from the heat medium discharge pipe 208 via the heat medium amount adjustment valve 209.

このように、図14の燃料電池システムでは、アノードバッファ機構熱交換部21及びカソードバッファ機構熱交換部31への上記(1)〜(4)の熱源からの熱の供給は、その熱を担持した熱媒体とスタック1の冷却水とで熱交換を行ってから行う間接的な導通によって行われる。   As described above, in the fuel cell system of FIG. 14, the supply of heat from the heat sources (1) to (4) to the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 and the cathode buffer mechanism heat exchange unit 31 carries the heat. This is performed by indirect conduction performed after heat exchange between the heat medium and the cooling water of the stack 1.

図15は、実施の形態3の燃料電池システムの概略図であり、実施の形態2の燃料電池システムに対応しており、図7のアノードバッファ機構加熱媒体供給部25及びカソードバッファ機構加熱媒体供給部35の部分をさらに詳細に示した図である。図15は、上記の熱源からの熱が直接にバッファ機構に導入される場合の具体例である。なお、図15において図7と同一部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。   FIG. 15 is a schematic diagram of the fuel cell system of the third embodiment, corresponding to the fuel cell system of the second embodiment, and the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 and the cathode buffer mechanism heating medium supply of FIG. It is the figure which showed the part of the part 35 in detail. FIG. 15 is a specific example in the case where the heat from the heat source is directly introduced into the buffer mechanism. 15, the same parts as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図16に、図15の燃料電池システムのスタック1の構成斜視図を示す。実施の形態2の燃料電池システムは、図8(a)に示すように外部熱交換器98、分岐弁97が設けられていた。図15の燃料電池システムは、図16に示すように、外部熱交換器98や分岐弁97等の代わりに、熱媒体導入配管205、及び熱媒体導入配管210が設けられている。それ以外の点については図16は図8(a)と同様である。   FIG. 16 is a perspective view of the configuration of the stack 1 of the fuel cell system of FIG. The fuel cell system of Embodiment 2 is provided with an external heat exchanger 98 and a branch valve 97 as shown in FIG. As shown in FIG. 16, the fuel cell system of FIG. 15 is provided with a heat medium introduction pipe 205 and a heat medium introduction pipe 210 in place of the external heat exchanger 98, the branch valve 97, and the like. In other respects, FIG. 16 is the same as FIG.

図15において、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25には、上記(1)〜(4)の熱源からの熱を担持した熱媒体が熱媒体導入配管205を経由して導入される。そして、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25は、導入された熱媒体をアノード加熱媒体流路6を経由して、直接にアノードバッファ機構熱交換部21に供給する。そして、アノードバッファ機構熱交換部21においてアノード備蓄水と熱交換した熱媒体は、アノード加熱媒体流路6を経由して、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25に戻り、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25から熱媒体排出配管206を経由して排出される。   In FIG. 15, a heat medium carrying heat from the heat sources (1) to (4) is introduced into the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 via the heat medium introduction pipe 205. Then, the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 supplies the introduced heat medium directly to the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 via the anode heating medium flow path 6. Then, the heat medium exchanged with the anode reserve water in the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 returns to the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 via the anode heating medium flow path 6, and the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 is discharged via a heat medium discharge pipe 206.

同様に、図15において、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35には、上記(1)〜(4)の熱源からの熱を担持した熱媒体が熱媒体導入配管210を経由して導入される。そして、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35は、導入された熱媒体をカソード加熱媒体流路8を経由して、直接にカソードバッファ機構熱交換部に供給する。そして、カソードバッファ機構熱交換部においてカソード備蓄水と熱交換した熱媒体は、カソード加熱媒体流路8を経由して、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35に戻り、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35から熱媒体排出配管211を経由して排出される。   Similarly, in FIG. 15, a heat medium carrying heat from the heat sources (1) to (4) is introduced into the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 via the heat medium introduction pipe 210. The cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 supplies the introduced heat medium directly to the cathode buffer mechanism heat exchange unit via the cathode heating medium flow path 8. Then, the heat medium that has exchanged heat with the cathode reserve water in the cathode buffer mechanism heat exchange section returns to the cathode buffer mechanism heating medium supply section 35 via the cathode heating medium flow path 8, and the cathode buffer mechanism heating medium supply section 35. Is discharged via a heat medium discharge pipe 211.

このように、図15の燃料電池システムでは、上記(1)〜(4)の熱源からの熱を担持した熱媒体がカソードバッファ機構熱交換部及びアノードバッファ機構熱交換部21に直接的に導通することにより行われる。   As described above, in the fuel cell system of FIG. 15, the heat medium carrying the heat from the heat sources (1) to (4) is directly conducted to the cathode buffer mechanism heat exchange unit and the anode buffer mechanism heat exchange unit 21. Is done.

図17は、実施の形態2の燃料電池システムであり、図7のアノードバッファ機構加熱媒体供給部25及びカソードバッファ機構加熱媒体供給部35の部分をさらに詳細に示した図である。図17は、上記の熱源からの熱が、スタック1から排出される冷却水と一端熱交換されてバッファ機構に導入される場合の具体例である。なお、図17において、図7と同一部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 17 shows the fuel cell system according to the second embodiment, and is a diagram showing in more detail the portions of the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 and the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 of FIG. FIG. 17 is a specific example in the case where the heat from the above heat source is once heat exchanged with the cooling water discharged from the stack 1 and introduced into the buffer mechanism. In FIG. 17, the same parts as those in FIG.

図17において、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25の熱交換器204及びカソードバッファ機構加熱媒体供給部35の熱交換器210は、図8(a)に示す外部熱交換器98に相当している。   In FIG. 17, the heat exchanger 204 of the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 and the heat exchanger 210 of the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 correspond to the external heat exchanger 98 shown in FIG. .

図17において、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25には、冷却水導入配管201を経由してスタック1からの冷却水が導入されとともに、上記の熱源からの熱を担持した熱媒体が熱媒体導入配管205を経由して導入される。そして、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25の熱交換器204において、導入されたスタック1からの冷却水と導入された熱媒体との熱交換が行われ、スタック1からの冷却水は昇温される。アノードバッファ機構加熱媒体供給部25は、熱交換器204において昇温された冷却水を、アノード加熱媒体流路6を経由してアノードバッファ機構熱交換部21に供給する。アノードバッファ機構熱交換部21でアノードバッファ備蓄水と熱交換したスタック1の冷却水は、アノード加熱媒体流路6を経由してアノードバッファ機構加熱媒体供給部25に戻り、さらに、アノードバッファ機構加熱媒体供給部25から冷却水排出配管206を経由して排出される。一方、熱交換器204において熱交換が行われた熱媒体は、熱媒体量調節バルブ203を経由して熱媒体排出配管202から排出される。   In FIG. 17, the cooling water from the stack 1 is introduced into the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 via the cooling water introduction pipe 201, and the heat medium carrying the heat from the heat source is introduced into the heat medium. It is introduced via the pipe 205. Then, in the heat exchanger 204 of the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25, heat exchange between the introduced cooling water from the stack 1 and the introduced heat medium is performed, and the cooling water from the stack 1 is heated. The The anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 supplies the cooling water heated in the heat exchanger 204 to the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 via the anode heating medium flow path 6. The cooling water of the stack 1 that has exchanged heat with the anode buffer reserve water in the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 returns to the anode buffer mechanism heating medium supply unit 25 via the anode heating medium flow path 6, and further heats the anode buffer mechanism. It is discharged from the medium supply unit 25 via the cooling water discharge pipe 206. On the other hand, the heat medium subjected to heat exchange in the heat exchanger 204 is discharged from the heat medium discharge pipe 202 via the heat medium amount adjustment valve 203.

同様に、 図17において、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35には、冷却水導入配管207を経由してスタック1からの冷却水が導入されとともに、上記の熱源からの熱を担持した熱媒体が熱媒体導入配管211を経由して導入される。そして、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35の熱交換器210において、導入されたスタック1からの冷却水と導入された熱媒体との熱交換が行われ、スタック1からの冷却水は昇温される。カソードバッファ機構加熱媒体供給部35は、熱交換器210において昇温された冷却水を、カソード加熱媒体流路8を経由してカソードバッファ機構熱交換部に供給する。カソードバッファ機構熱交換部でカソードバッファ備蓄水と熱交換したスタック1の冷却水は、カソード加熱媒体流路8を経由してカソードバッファ機構加熱媒体供給部35に戻り、さらに、カソードバッファ機構加熱媒体供給部35から冷却水排出配管212を経由して排出される。一方、熱交換器210において熱交換が行われた熱媒体は、熱媒体量調節バルブ209を経由して熱媒体排出配管208から排出される。   Similarly, in FIG. 17, the cooling water from the stack 1 is introduced into the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 via the cooling water introduction pipe 207, and the heat medium carrying the heat from the heat source is provided. It is introduced via the heat medium introduction pipe 211. Then, in the heat exchanger 210 of the cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35, heat exchange between the introduced cooling water from the stack 1 and the introduced heat medium is performed, and the cooling water from the stack 1 is heated. The The cathode buffer mechanism heating medium supply unit 35 supplies the cooling water heated in the heat exchanger 210 to the cathode buffer mechanism heat exchange unit via the cathode heating medium flow path 8. The cooling water of the stack 1 that has exchanged heat with the cathode buffer storage water in the cathode buffer mechanism heat exchange section returns to the cathode buffer mechanism heating medium supply section 35 via the cathode heating medium flow path 8, and further, the cathode buffer mechanism heating medium. It is discharged from the supply unit 35 via the cooling water discharge pipe 212. On the other hand, the heat medium subjected to heat exchange in the heat exchanger 210 is discharged from the heat medium discharge pipe 208 via the heat medium amount adjustment valve 209.

このように、図17の燃料電池システムでは、アノードバッファ機構熱交換部21及びカソードバッファ機構熱交換部への上記(1)〜(4)の熱源からの熱の供給は、その熱を担持した熱媒体とスタック1の冷却水とで熱交換を行ってから行う間接的な導通によって行われる。   As described above, in the fuel cell system of FIG. 17, the heat supply from the heat sources (1) to (4) to the anode buffer mechanism heat exchange unit 21 and the cathode buffer mechanism heat exchange unit carries the heat. This is performed by indirect conduction performed after heat exchange between the heat medium and the cooling water of the stack 1.

以上、上記の熱源からの熱がスタック1から排出される冷却水と一旦熱交換されてバッファ機構に導入される場合の具体例と、上記の熱源からの熱が直接にバッファ機構に導入される具体例について説明した。   As described above, a specific example in which the heat from the heat source is once heat-exchanged with the cooling water discharged from the stack 1 and introduced into the buffer mechanism, and the heat from the heat source is directly introduced into the buffer mechanism. A specific example has been described.

尚、実施の形態1〜3における各手段は、その機能を同じにする限り、限定はない。   In addition, each means in Embodiment 1-3 is not limited as long as the function is made the same.

以下、実施の形態1〜3における燃料電池システムを実施例にてより具体的に説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the fuel cell system according to the first to third embodiments will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
本実施例1では、実施の形態1で説明した燃料電池システムを用いている。尚、本実施例1における燃料電池システムの図4において示したバッファ機構部セパレータ50、60は、スタックの要求水量に応じて適当な段数積層して用いた。その適当な段数とは、本願出願人の燃料電池システムの運転状況の実証実験より、備蓄水水位が規定値の状態から、ガス加湿系からの供給水蒸気量が定格の70%にダウンした場合に、その不足分を15分間連続して備蓄水から供給できるだけの水容量を基準にしているが、必ずしもこれを遵守する必要はなく、限定するものでもない。
(Example 1)
In Example 1, the fuel cell system described in Embodiment 1 is used. In addition, the buffer mechanism part separators 50 and 60 shown in FIG. 4 of the fuel cell system in the first embodiment were used by stacking an appropriate number of stages according to the required amount of water in the stack. The appropriate number of stages means that when the amount of water vapor supplied from the gas humidification system is reduced to 70% of the rated value from the state in which the stored water level is a specified value, from the verification experiment of the operating status of the applicant's fuel cell system. Although the shortage is based on the water capacity that can be supplied from the stockpiled water for 15 minutes continuously, it is not always necessary to observe this, and it is not limited.

又、備蓄水水位はエンドプレート51に設けられた覗き窓62を介し、光学的なレベルセンサー63でモニターし、規定水位に達した都度、エンドプレート51のレベルゲージと接続したアノードバッファ機構ドレンポート24を介し、アノードバッファ機構ドレンバルブ27を一定時間開放して排出し、燃料ガス供給部2の改質機の動作水とした。尚、カソード側も同様に改質機の動作水とした。   The stored water level is monitored by an optical level sensor 63 via a viewing window 62 provided on the end plate 51. Whenever the specified water level is reached, the anode buffer mechanism drain port connected to the level gauge of the end plate 51 24, the anode buffer mechanism drain valve 27 was opened and discharged for a certain period of time, and used as the operating water for the reformer of the fuel gas supply unit 2. The cathode side was also used as the operating water for the reformer.

尚、バッファ機構セパレータ50、61の材質は、スタックセパレータ40、41と同一のグラッシーカーボン(東海カーボン社製)とし、図中では割愛しているがエンドプレートと絶縁板を介して絶縁されている集電板にスタック起電力が導通する形態をとった。スタック1の基本仕様は電極面積200平方センチ、電流密度0.2A/平方センチ、積層段数45段であって、燃料利用率(Uf)は75%、空気利用率(Uo)は50%の条件で動作され、動作初期電圧は約0.74V、定格出力1.32KWであった。定格運転条件では、動作に乾燥基準で約20LMのSRG(CO2濃度23%)と53LMの空気が必要であった。本スタックの流路仕様は完全並行流であり、冷却水流路は反応ガス流路におおよそ沿う形で設けられ、定格冷却水量は1.8L/分であり、これがスタックに投入される時点での冷却水温度60℃としたときに、約69度の排水温度が得られた。 The buffer mechanism separators 50 and 61 are made of the same glassy carbon (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) as the stack separators 40 and 41. Although not shown in the figure, the buffer mechanism separators 50 and 61 are insulated from each other through an end plate and an insulating plate. The stack electromotive force was conducted to the current collector plate. The basic specifications of stack 1 are as follows: electrode area 200 square centimeters, current density 0.2 A / square centimeter, number of stacked stages 45, fuel utilization rate (Uf) 75%, air utilization rate (Uo) 50% The initial operation voltage was about 0.74 V and the rated output was 1.32 KW. Under rated operating conditions, operation required approximately 20LM of SRG (CO 2 concentration 23%) and 53LM of air on a dry basis. The flow path specifications of this stack are completely parallel flow, the cooling water flow path is provided approximately along the reaction gas flow path, and the rated cooling water volume is 1.8 L / min. When the water temperature was 60 ° C, a drainage temperature of about 69 degrees was obtained.

改質機動作条件は改質部温度630度、S/C(スチーム/カーボン比)3.0として駆動されガス露点の実測値は定格運転時に63度±2度であったが、起動および負荷変動時には内部保留水の過剰蒸発により70度を超える場合があった。したがって、この燃料供給系統ではアノードガスの追加加湿は不要であり、アノードガス加湿器は特段設けられなかった。カソードガスとしてはブロワから供給される空気を用いた。これは総膜面積5000cm2の全熱交換器(使用加湿膜 ナフィオン112 DuPont社)を用いてオフエアとの全熱交換により露点57度まで加湿されたのち、スタック冷却排水を水源および熱源とする膜総面積1000cm2の膜加湿器により、露点63度まで加湿されて用いた。また、これらアノードガスおよびカソードガスの露点は、アノードガス露点計、カソードガス露点計によりモニターされるが、この制御定点は62度に設定した。 The reformer was operated at a reformer temperature of 630 ° C and S / C (steam / carbon ratio) of 3.0, and the actual measured gas dew point was 63 ° ± 2 ° during rated operation. It could exceed 70 degrees due to excessive evaporation of internal reserve water. Therefore, this fuel supply system does not require additional humidification of the anode gas, and no special anode gas humidifier is provided. Air supplied from a blower was used as the cathode gas. This is a membrane that uses a total heat exchanger with a total membrane area of 5000 cm 2 (humidified membrane Nafion 112 DuPont) to humidify to 57 degrees of dew point by total heat exchange with off-air, and then uses the stack cooling wastewater as the water source and heat source. the membrane humidifier total area 1000 cm 2, was used being humidified to a dew point of 63 degrees. The dew points of the anode gas and the cathode gas are monitored by an anode gas dew point meter and a cathode gas dew point meter, and this control fixed point is set to 62 degrees.

バッファ機構部はスタックに直列に積層されたのち、一括断熱されており、追加熱供給がない場合にはスタック放熱によってほぼスタックと同じ温度に保たれていた。追加加湿時に必要な熱媒体としては、改質機バーナー廃ガスを直接用いた。改質機バーナーは、基本的に除湿されたオフガスを燃料とするが、原料である都市ガス(13A)を補助燃料とするアシスト燃焼形態とした。定格駆動時における原燃料(13A)消費量は約4LMであり、このときにほぼ過不足なくオフガス(水素量約3LM)で自立運転が可能であった。異質改質機バーナーの燃焼制御は、バッファ機構内のアノードガス露点計、およびカソードガス露点系からの信号をフィードバックして燃焼量をコントロールできるサブプログラムを、改質反応自体の最適燃焼制御プログラムに組み込んだ改造プログラムによって行われた。その結果、反応ガスの露点が制御定点に対して低下した場合に、補助燃料である13A投入量が増大し、バーナー廃熱を直接に増大可能とした。     The buffer mechanism was stacked in series in the stack and then thermally insulated, and when there was no additional heat supply, it was kept at the same temperature as the stack by stack heat dissipation. The reformer burner waste gas was directly used as the heat medium required for additional humidification. The reformer burner is basically an assist combustion mode in which the degassed off-gas is used as fuel, but the raw material city gas (13A) is used as auxiliary fuel. The raw fuel (13A) consumption during rated driving was about 4LM, and at this time, it was possible to operate independently with off-gas (hydrogen amount about 3LM) with almost no excess or deficiency. Combustion control of the heterogeneous reformer burner is a subprogram that can control the combustion amount by feeding back signals from the anode gas dew point meter in the buffer mechanism and the cathode gas dew point system to the optimum combustion control program for the reforming reaction itself. Made by the built-in remodeling program. As a result, when the dew point of the reaction gas decreased with respect to the control fixed point, the input amount of 13A as auxiliary fuel increased, and the burner waste heat could be increased directly.

上述の定格運転条件では、供給露点が定点である62度から一度低下するごとに、アノードで0.25g/min、カソードで0.65g/minの追加加湿が必要であり、その気化潜熱(当該温度域でおおよそ0.55Kcal/g)を乗じて、それぞれ0.14kcal/min、0.35Kcal/minと計算された。13Aの燃焼熱量は11000Kcal/m3であるので、供給ガス露点を一度上昇させるのに必要な原燃料流量はアノードで(0.14/11000)*1000=0.0127LM=13ccm、カソードで(0.35/11000)*1000=0.0318LM=32ccmであり、合計して定格原燃料消費量の1%程度と計算された。 Under the rated operating conditions described above, every time the supply dew point drops from the fixed point of 62 degrees, additional humidification of 0.25 g / min at the anode and 0.65 g / min at the cathode is required. Multiplied by approximately 0.55 Kcal / g) to calculate 0.14 kcal / min and 0.35 Kcal / min, respectively. Since the combustion heat of 13A is 11000Kcal / m 3 , the raw fuel flow rate required to raise the supply gas dew point once is at the anode (0.14 / 11000) * 1000 = 0.0127LM = 13ccm, at the cathode (0.35 / 11000) * 1000 = 0.0318LM = 32ccm, and the total was calculated to be about 1% of the rated raw fuel consumption.

上述の系統を有する燃料電池加湿システムでは、スタック冷却水量を増加することにより、スタック排水温を低下させ、任意にカソード温水加湿器からの水蒸気供給量を減じることが可能である。この方法でカソード温水加湿器からの供給露点を60℃まで絞った場合、(このときの冷却水量2.6LMはスタック排出水温66.5度であった。)、上述の制御様式では、定点から2度の露点不足を生じるが、このときの原燃料増加量の実測値は130ccmであり、上記計算値(32*2=64CCM)の約2倍であった。すなわち、原燃料流量増大分は、一義的に改質反応に用いられて供給水素量を増やし、この増加分は定電流制御がなされたスタックでは消費されずオフガスとなり、最終的にバーナーで燃焼されて、この燃焼排ガスが上述のバッファ機構部に導入され追加熱源となるわけであるが、その改質効率(約80%)のロスのほか、配管放熱、バッファ機構由来の熱伝達ロス等全てを含めて、追加加湿に係る熱効率は約50%と計算された。このように、定格原燃料消費量の数%から1割のアシスト燃焼によって、数度の供給ガス露点低下を補償することが可能であった。     In the fuel cell humidification system having the above-described system, the stack drainage temperature can be lowered by increasing the stack cooling water amount, and the water vapor supply amount from the cathode hot water humidifier can be arbitrarily reduced. When the supply dew point from the cathode hot water humidifier is reduced to 60 ° C by this method (the amount of cooling water at this time is 2.6 LM, the stack discharge water temperature is 66.5 degrees). Although the dew point was insufficient, the measured value of the increase in raw fuel at this time was 130 ccm, which was approximately twice the calculated value (32 * 2 = 64 CCM). That is, the increase in the raw fuel flow rate is uniquely used for the reforming reaction to increase the amount of supplied hydrogen, and this increase is not consumed in the stack under constant current control but becomes off-gas, and finally burned by the burner. This combustion exhaust gas is introduced into the buffer mechanism section described above and becomes an additional heat source. In addition to the loss of reforming efficiency (about 80%), all of the heat radiation loss from pipe heat dissipation, buffer mechanism, etc. Including, the thermal efficiency for additional humidification was calculated to be about 50%. In this way, it was possible to compensate for several degrees of depletion of the supply gas by assist combustion of several percent to 10% of the rated raw fuel consumption.

また、上述の系統においては原燃料追い炊きから、供給ガスの露点が増加するまでの時定数は、特段の制御を行わない場合にはおよそ2.5分必要であった。上述のサブプログラムに、PID設定およびPID自動決定サブルーチンを追記して書き換えた場合は、この時間は約1分に短縮され、より機敏な露点補償が可能であった。     In the above system, the time constant from the refueling of the raw fuel to the increase of the dew point of the supply gas is approximately 2.5 minutes unless special control is performed. When the PID setting and PID automatic decision subroutine was added to the above-mentioned subprogram and rewritten, this time was shortened to about 1 minute, and more agile dew point compensation was possible.

図6に示した系統図の従来燃料電池システムと、図1に示した系統を持ち、図3に示した形態のバッファ機構を持つ本実施例1の燃料電池システムとを比較運転した。     The conventional fuel cell system of the system diagram shown in FIG. 6 and the fuel cell system of Example 1 having the system shown in FIG. 1 and having the buffer mechanism of the form shown in FIG. 3 were comparatively operated.

このときの定格運転におけるスタックの寿命特性比較図(セル平均電圧の推移)を図18に示す。この試験結果によれば、本実施例1におけるシステムは、本願出願人の従来品に比べ、なおよい寿命特性を持っていた。この理由としては、前述したように、配管中で結露し、実質的な水蒸気量が低下した反応ガスを、スタック1に対して結露する配管長を与えない距離において再度電池温度以上の露点に戻し、実質的にMEA42の乾燥を防止できる形態にする効果、および主に周囲環境の要因により、全熱交換器能力が減少するような局面(全熱交換器の加湿能力は周囲温度依存性があり、システム内部温度が高まることにより減少する。すなわち外気温依存性がある)においてのスタック1に対する緩衝効果が推察された。   FIG. 18 shows a stack life characteristic comparison chart (change in cell average voltage) in the rated operation at this time. According to this test result, the system in the present Example 1 had still better life characteristics than the conventional product of the applicant of the present application. The reason for this is that, as described above, the reaction gas that has condensed in the piping and the substantial amount of water vapor has returned to the dew point above the battery temperature again at a distance that does not give the piping length for condensation on the stack 1. , The effect that the MEA 42 can be prevented from being dried substantially, and the aspect in which the total heat exchanger capacity is reduced mainly due to factors of the surrounding environment (the humidification capacity of the total heat exchanger is dependent on the ambient temperature) Thus, the buffering effect on the stack 1 was inferred when the internal temperature of the system decreased (that is, it was dependent on the outside air temperature).

さらに、図19には両方の燃料電池システムを電流密度0.2A/平方センチでの定格運転4時間と0.1A/平方センチでの微弱運転4時間(TDR=ターンダウンレシオ 50%)を繰り返して行う、1サイクル8時間の負荷変動耐久試験にかけたときの寿命特性を示す。これより明らかなように定格寿命試験よりも両者の耐久性に大きな開きが出た。   Further, FIG. 19 shows that both fuel cell systems were repeatedly operated for 4 hours at a current density of 0.2 A / square centimeter and 4 hours for a weak operation at 0.1 A / square centimeter (TDR = turndown ratio 50%). 1 shows the life characteristics when subjected to a load fluctuation endurance test of 8 hours per cycle. As is clear from this, there was a greater gap in the durability of both than the rated life test.

この現象について解析するために、アノードガス加湿部4から供給された水蒸気の総量(露点計測による実測値)とアノードバッファ機構備蓄部29の備蓄水レベルを実測し、スタックの要求する水の総量(電池反応式からの計算値)とあわせてプロットした。図20は、その結果を示す。   In order to analyze this phenomenon, the total amount of water supplied from the anode gas humidifying unit 4 (measured value by dew point measurement) and the stored water level of the anode buffer mechanism storage unit 29 are measured, and the total amount of water required by the stack ( Plotted together with the calculated value from the battery reaction equation). FIG. 20 shows the result.

このプロットより、負荷増大局面で、電池が負荷に応じて即座に水を要求するのに対して、改質機が熱的に平衡に達するのは時間がかかる結果、供給水量が要求レベルについていっていないことが明らかである。このため従来例ではバッファがない場合にはこの間スタックが乾燥状態で運転されていることが明らかである。一方、バッファを設けた場合には、この間も備蓄水から必要な量がスタックに補充されていることが、水位レベルの挙動から明らかである。負荷変動寿命特性における両者の差異は、この負荷増大時の乾燥運転による寿命劣化が集積したものであると解された。   From this plot, while the battery demands water immediately according to the load during the load increase phase, it takes time for the reformer to reach thermal equilibrium. Obviously not. For this reason, in the conventional example, when there is no buffer, it is clear that the stack is operated in a dry state during this period. On the other hand, when the buffer is provided, it is clear from the behavior of the water level that the necessary amount from the stored water is replenished to the stack during this period. It was understood that the difference between the two in the load-fluctuating life characteristics was the accumulation of the life deterioration due to the drying operation when the load increased.

(実施例2)
本実施例2では、実施の形態2で説明した燃料電池システムを用いている。本実施例2の燃料電池システムの動作条件について以下に示す。
(Example 2)
In Example 2, the fuel cell system described in Embodiment 2 is used. The operating conditions of the fuel cell system of Example 2 are shown below.

定格運転条件は電流密度0.2A/平方センチMEA、燃料利用率(Uf)75%、空気利用率(Uo)40%で、スタック1に流入する冷却水温度を70度とし、冷却水がスタック1から排出される部位に位置する分岐弁97内における温度をモニターし、これが75度となるように流量制御を行ったが、このときの流量はスタック出力1KWにつき約3.5リットル/分であった。   The rated operating conditions are current density 0.2A / square centimeter MEA, fuel utilization rate (Uf) 75%, air utilization rate (Uo) 40%, the cooling water temperature flowing into the stack 1 is 70 degrees, and the cooling water is stuck The temperature in the branch valve 97 located at the portion discharged from 1 was monitored, and the flow rate was controlled so that it became 75 degrees. The flow rate at this time was about 3.5 liters / minute per 1 KW of stack output. there were.

この分岐弁97は、備蓄水が一定温度になるように、アノード及びカソード側加熱媒体流路74、84に流れる冷却水の量を、制御する役割をもっており、本実施例2の実験では備蓄水水温が72度を保つようにアノード及びカソードバッファ機構制御部28、38により制御された。また、加熱媒体流路74、84には外部熱交換器97が設けられ、冷却水温度が足りない場合にスタック以外の熱源から引いた熱を補充できるようにしたが、定格運転条件ではこれを用いずとも備蓄水を72度に保つことが可能であった。   This branch valve 97 has a role of controlling the amount of cooling water flowing through the anode and cathode side heating medium flow paths 74 and 84 so that the stored water becomes a constant temperature. In the experiment of the second embodiment, the stored water is stored. The anode and cathode buffer mechanism control units 28 and 38 were controlled so that the water temperature was maintained at 72 degrees. In addition, an external heat exchanger 97 is provided in the heating medium passages 74 and 84 so that heat drawn from a heat source other than the stack can be replenished when the cooling water temperature is insufficient. It was possible to keep the stored water at 72 degrees without using it.

又、アノード及びカソード側加熱媒体流路74、84は、SUS316Lパイプ(外径6.35mm 肉厚1mm)にPFAチューブを被覆して熱収縮させ、これを折り曲げて構成した。この部位の材質は、燃料電池が特に重金属汚染を嫌うこと、特にアノードにおいては還元性の雰囲気で用いられることから、金属配管の場合には上記にような特段の注意が必要であった。   The anode and cathode side heating medium channels 74 and 84 were formed by covering a SUS316L pipe (outer diameter 6.35 mm, wall thickness 1 mm) with a PFA tube and heat shrinking, and bending it. The material of this part requires special attention as described above in the case of a metal pipe because the fuel cell particularly dislikes heavy metal contamination, especially in the anode in a reducing atmosphere.

実施例1と、本実施例2の燃料電池システムを、以下の三つの積層段数において組み立て、定格耐久試験を行った。
50段積層(スタック長300mm、定格1.3KW)
100段積層(同600mm 同 2.6KW)
200段積層(同1200mm 同5.2KW)
実施例1における結果を図21に、本実施例2における結果を図22に示す。これより明らかなように本実施例2では実施例1に比して、特にスタック長が長くなる場合において良好な結果が得られた。
The fuel cell systems of Example 1 and Example 2 were assembled in the following three stacking stages, and the rated durability test was performed.
50 layers (stack length 300mm, rated 1.3kW)
100 layers (600mm, 2.6KW)
200-layer stack (1200mm, 5.2KW)
The result in Example 1 is shown in FIG. 21, and the result in Example 2 is shown in FIG. As is clear from this, in Example 2, compared with Example 1, particularly good results were obtained when the stack length was long.

その理由について検証するために、200段積層、1500時間動作後のスタックを分解して、バッファ機構部20、30側から数えて(本実施例2においては、エンドプレート90側から数えて)1段目、50段目、100段目、150段目、200段目のユニットセル(本願出願人のスタックは、一段一段のセル(単電池)をサブアッセンブリーとし、これを積層して構成されており、任意に交換、差し替え、また使用後の再動作が可能である)の、上記定格運転条件における電圧をチェックした。この結果を表2に示す。   In order to verify the reason, the stack after 200-layer stacking and 1500 hours of operation is disassembled and counted from the buffer mechanism 20 and 30 side (in the second embodiment, counted from the end plate 90 side). Stage, 50th stage, 100th stage, 150th stage, 200th stage unit cell (the applicant's stack is composed of a single stage cell (single cell) as a subassembly and stacking them. The voltage under the above rated operating conditions was checked). The results are shown in Table 2.

Figure 2005203361
Figure 2005203361

この結果から判明したことは、実施例1においては後段となるほどセルの劣化が進んでいるが、本実施例2においては明確な傾向を示さず、おしなべて実施例1に比べ劣化がすすんでいない。これは前述したように、水蒸気供給部からの距離の問題と解され、本実施例2ではこの点で実施例1に対して改善が見られていた。   From this result, it has been found that in the first embodiment, the deterioration of the cell progresses as the latter stage, but in the second embodiment, no clear tendency is shown, and the deterioration is not promoted as compared with the first embodiment. As described above, this is understood as a problem of the distance from the water vapor supply unit, and in this example 2, an improvement was seen with respect to the example 1 in this respect.

実施例2の燃料電池システムを比較対照として、0.05A→0.2A→0.4A(定格)→0.8A→0.4A→0.2A→0.05Aの順序で、各負荷を一時間ずつかける負荷変動耐久試験を行った。図23のグラフは、負荷変動を繰り返し行った場合の各実施例1、2の電池平均電圧を示しており、太線は時間的な平均値を示している。この時間的な平均値を用いて、実施例1と実施例2の耐久性を比較した。本実施例2は実施例1に比してもなお改善がみられており、スタック全域にわたって負荷に対する供給水量追従性が向上している本実施例の優位性が確認できた。   Using the fuel cell system of Example 2 as a comparative control, each load is equalized in the order of 0.05A → 0.2A → 0.4A (rated) → 0.8A → 0.4A → 0.2A → 0.05A. A load fluctuation endurance test was conducted over time. The graph of FIG. 23 shows the battery average voltage of each of Examples 1 and 2 when the load change is repeated, and the thick line shows the temporal average value. Using this temporal average value, the durability of Example 1 and Example 2 were compared. The present Example 2 was still improved compared to the Example 1, and the superiority of the present Example that the followability of the supplied water amount to the load was improved over the entire stack could be confirmed.

尚、本発明のプログラムは、上述した本発明の燃料電池システムの制御部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。   The program of the present invention is a program for causing a computer to execute the functions of the control unit of the fuel cell system of the present invention described above, and is a program that operates in cooperation with the computer.

又、本発明の記録媒体は、上述した本発明の燃料電池システムの制御部の全部又は一部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した記録媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記機能を実行する記録媒体である。   The recording medium of the present invention is a recording medium carrying a program for causing a computer to execute all or part of the functions of the control unit of the above-described fuel cell system of the present invention. The recorded program executes the function in cooperation with the computer.

又、本発明の上記制御部の機能とは、全部又は一部の機能を意味する。   Moreover, the function of the said control part of this invention means all or one part function.

又、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。   Further, one usage form of the program of the present invention may be an aspect in which the program is recorded on a computer-readable recording medium and operates in cooperation with the computer.

又、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。   Further, one usage form of the program of the present invention may be an aspect in which the program is transmitted through a transmission medium, read by a computer, and operated in cooperation with the computer.

又、記録媒体としては、ROM等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送媒体、光・電波・音波等が含まれる。   The recording medium includes a ROM and the like, and the transmission medium includes a transmission medium such as the Internet, light, radio waves, sound waves, and the like.

又、上述した本発明のコンピュータは、CPU等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、OS、更に周辺機器を含むものであっても良い。   The computer of the present invention described above is not limited to pure hardware such as a CPU, but may include firmware, an OS, and peripheral devices.

尚、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。   As described above, the configuration of the present invention may be realized by software or hardware.

本発明にかかる燃料電池システム、及びその運転方法等は、より確実にMEAの全領域を水蒸気飽和に保つことが可能な効果を有し、家庭用コージェネレーション燃料電池システム等として有用である。   The fuel cell system according to the present invention, the operation method thereof, and the like have the effect of more reliably maintaining the entire MEA region in water vapor saturation, and are useful as a home cogeneration fuel cell system and the like.

本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムの概念図1 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムのスタックの側面図1 is a side view of a stack of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. (a)本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムのセパレータの平面図(b)本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムのセパレータの平面図(c)本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムのセパレータの側面図(A) Plan view of the separator of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention (b) Plan view of the separator of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention (c) Embodiment according to the present invention 1 is a side view of the separator of the fuel cell system in FIG. 本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムの構成斜視図1 is a configuration perspective view of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. (a)本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムのバッファ機構部セパレータの平面図(b)本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムのバッファ機構部セパレータの平面図(c)本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムのバッファ機構部セパレータの側面図(A) Plan view of the buffer mechanism section separator of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention (b) Plan view of the buffer mechanism section separator of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention (c) 1 is a side view of a buffer mechanism separator of a fuel cell system according to a first embodiment of the invention. 本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムの側面構成図1 is a side configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明にかかる実施の形態2における燃料電池システムの概念図Conceptual diagram of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. (a)本発明にかかる実施の形態2における燃料電池システムの構成斜視図(b)本発明にかかる実施の形態2における燃料電池システムの要部拡大斜視図(c)本発明にかかる実施の形態2における燃料電池システムの要部拡大側面図(A) Configuration perspective view of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention (b) Enlarged perspective view of the main part of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention (c) Embodiment according to the present invention 2 is an enlarged side view of the main part of the fuel cell system in FIG. 本発明にかかる実施の形態3における燃料電池システムの概略図Schematic of the fuel cell system in Embodiment 3 concerning this invention 本発明にかかる実施の形態3における燃料電池システムの概略図Schematic of the fuel cell system in Embodiment 3 concerning this invention 本発明にかかる実施の形態3における燃料電池システムの概略図Schematic of the fuel cell system in Embodiment 3 concerning this invention 本発明にかかる実施の形態3における燃料電池システムの概略図Schematic of the fuel cell system in Embodiment 3 concerning this invention 本発明にかかる実施の形態3における燃料電池システムの概略図Schematic of the fuel cell system in Embodiment 3 concerning this invention 本発明にかかる実施の形態3における燃料電池システムの概略図Schematic of the fuel cell system in Embodiment 3 concerning this invention 本発明のかかる実施の形態3における燃料電池システムの概略図Schematic of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention. 本発明のかかる実施の形態3における図15の燃料電池システムのスタックの構成斜視図FIG. 15 is a perspective view of the stack structure of the fuel cell system of FIG. 15 according to the third embodiment of the present invention. 本発明にかかる実施の形態3における燃料電池システムの概略図Schematic of the fuel cell system in Embodiment 3 concerning this invention 本発明にかかる実施例1と従来の燃料電池システムの定格連続運転における寿命特性のグラフを示す図The figure which shows the graph of the lifetime characteristic in the rated continuous operation of Example 1 concerning this invention and the conventional fuel cell system. 本発明にかかる実施例1における燃料電池システムと従来の燃料電池システムの負荷変動運転寿命特性のグラフを示す図The figure which shows the graph of the load fluctuation operation lifetime characteristic of the fuel cell system in Example 1 concerning this invention, and the conventional fuel cell system. 本発明にかかる実施例1における燃料電池システムの負荷変動運転時の水収支のグラフを示す図The figure which shows the graph of the water balance at the time of the load change driving | operation of the fuel cell system in Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1における燃料電池システムの定格連続運転における寿命特性比較の段数依存性のグラフを示す図The figure which shows the graph of the stage number dependence of the lifetime characteristic comparison in the rated continuous operation of the fuel cell system in Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例2における燃料電池システムの定格連続運転における寿命特性比較の段数依存性のグラフを示す図The figure which shows the graph of the stage number dependence of the lifetime characteristic comparison in the rated continuous operation of the fuel cell system in Example 2 concerning this invention. 本発明にかかる実施例2と実施例3における燃料電池システムの負荷変動運転寿命特性のグラフを示す図The figure which shows the graph of the load fluctuation operation lifetime characteristic of the fuel cell system in Example 2 and Example 3 concerning this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 スタック
2 アノードガス供給部
3 カソードガス供給部
4 アノードガス加湿部
5 カソードガス加湿部
6 アノード加熱媒体流路
8 カソード加熱媒体流路
10 断熱材
20 アノードバッファ機構部
21 アノードバッファ機構熱交換部
22 アノードバッファ機構水位検知部
23 アノードバッファ機構湿度検知部
24 ドレンポート
25 アノードバッファ機構加熱媒体供給部
26 アノードバッファ機構加熱調整弁
27 アノードバッファ機構ドレンバルブ
28 アノードバッファ機構制御部
29 アノードバッファ機構備蓄部
30 カソードバッファ機構部
31 カソードバッファ機構熱交換部
32 カソードバッファ機構水位検知部
33 カソードバッファ機構湿度検知部
34 ドレンポート
35 カソードバッファ機構加熱媒体供給部
36 カソードバッファ機構加熱調整弁
37 カソードバッファ機構ドレンバルブ
38 カソードバッファ機構制御部
39 カソードバッファ機構備蓄部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stack 2 Anode gas supply part 3 Cathode gas supply part 4 Anode gas humidification part 5 Cathode gas humidification part 6 Anode heating medium flow path 8 Cathode heating medium flow path 10 Heat insulating material 20 Anode buffer mechanism part 21 Anode buffer mechanism heat exchange part 22 Anode buffer mechanism water level detection unit 23 Anode buffer mechanism humidity detection unit 24 Drain port 25 Anode buffer mechanism heating medium supply unit 26 Anode buffer mechanism heating adjustment valve 27 Anode buffer mechanism drain valve 28 Anode buffer mechanism control unit 29 Anode buffer mechanism storage unit 30 Cathode buffer mechanism section 31 Cathode buffer mechanism heat exchange section 32 Cathode buffer mechanism water level detection section 33 Cathode buffer mechanism humidity detection section 34 Drain port 35 Cathode buffer mechanism heating medium supply section 6 cathode buffer mechanism heating adjusting valve 37 cathode buffer mechanism drain valve 38 cathode buffer mechanism control unit 39 cathode buffer mechanism reserve section

Claims (22)

電解質膜、前記電解質膜を挟むように配設された一対のガス拡散電極、及び前記一対のガス拡散電極の外側から挟み込むように配設され、燃料ガス又は酸化剤ガスを各々の前記ガス拡散電極に供給するためのガス流路溝が形成されたセパレータを持つ、複数の積層された単電池を有するスタックと、
前記スタックに前記ガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部と前記ガス流路溝との間に配設された前記ガスの加湿を行うためのガス加湿部と、
前記ガス流路溝に供給される前記ガスの含む水蒸気量が、前記ガス拡散電極において最初に前記ガスが消費される場所の少なくとも一つの前記ガス流路溝入口部における温度での飽和水蒸気量よりも多くなるように制御を行う制御部とを備えた、燃料電池システム。
An electrolyte membrane, a pair of gas diffusion electrodes disposed so as to sandwich the electrolyte membrane, and a gas or an oxidant gas disposed between the pair of gas diffusion electrodes from outside the pair of gas diffusion electrodes. A stack having a plurality of stacked unit cells having a separator formed with gas flow channel grooves for supplying to
A gas supply unit for supplying the gas to the stack;
A gas humidifying unit for humidifying the gas disposed between the gas supply unit and the gas flow channel groove;
The amount of water vapor contained in the gas supplied to the gas flow channel groove is more than the saturated water vapor amount at the temperature of at least one gas flow channel groove inlet portion of the gas diffusion electrode where the gas is first consumed. A fuel cell system including a control unit that performs control to increase the number of the fuel cells.
前記制御部は、前記電解質膜において前記ガスの含む水蒸気がフラッディングを起こさないように前記ガスの含む水蒸気量を制御する、請求項1記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls the amount of water vapor contained in the gas so that the water vapor contained in the gas does not cause flooding in the electrolyte membrane. 前記制御部は、前記ガス流路溝と前記ガス加湿部との間に設けられ、前記複数の積層された単電池へ供給する前記ガスの水蒸気量の調整を行うためのバッファ機構部を有し、
前記バッファ機構部は、
水分を備蓄する備蓄部と、
前記備蓄部によって備蓄されている水分を加熱するための加熱部と、
前記備蓄されている水分の温度を検知する温度検知部と、
前記水分の温度を、前記ガス流路溝の電極入り口部における温度よりも高い温度に保つように前記加熱部の制御を行い、前記水分を再気化して、前記少なくとも一つの電極に供給する供給制御部とを有する、請求項1記載の燃料電池システム。
The control unit includes a buffer mechanism unit that is provided between the gas flow channel groove and the gas humidification unit and adjusts a water vapor amount of the gas supplied to the plurality of stacked unit cells. ,
The buffer mechanism is
A stockpiling unit that stocks moisture;
A heating unit for heating moisture stored in the storage unit;
A temperature detection unit for detecting the temperature of the stored water;
Supplying the moisture to be re-vaporized and supplied to the at least one electrode by controlling the heating unit so that the temperature of the moisture is kept higher than the temperature at the electrode entrance of the gas flow channel groove The fuel cell system according to claim 1, further comprising a control unit.
電解質膜、前記電解質膜を挟むように配設された一対のガス拡散電極、及び前記一対のガス拡散電極の外側から挟み込むように配設され、燃料ガス又は酸化剤ガスを各々の前記ガス拡散電極に供給するためのガス流路溝が形成されたセパレータを持つ、複数の積層された単電池を有するスタックと、
前記スタックに前記ガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部と前記ガス流路溝の間に配設された前記ガスの加湿を行うためのガス加湿部と、
前記ガス流路溝と前記ガス加湿部の間に設けられ、前記複数の積層された単電池へ供給する前記ガスの水蒸気量の調整を行うためのバッファ機構部とを備えた、燃料電池システム。
An electrolyte membrane, a pair of gas diffusion electrodes disposed so as to sandwich the electrolyte membrane, and a gas or an oxidant gas disposed between the pair of gas diffusion electrodes from outside the pair of gas diffusion electrodes. A stack having a plurality of stacked unit cells having a separator formed with gas flow channel grooves for supplying to
A gas supply unit for supplying the gas to the stack;
A gas humidifying unit for humidifying the gas disposed between the gas supply unit and the gas channel groove;
A fuel cell system comprising a buffer mechanism provided between the gas flow channel groove and the gas humidifying unit and configured to adjust a water vapor amount of the gas supplied to the plurality of stacked unit cells.
前記バッファ機構部は、水分を備蓄する備蓄部と、
前記備蓄部によって備蓄されている水分を加熱するための加熱部と、
前記備蓄されている水分の温度を検知する温度検知部と、
前記水分の温度を、前記ガス流路溝の電極入り口部における温度よりも高い温度に保つように前記加熱部の制御を行い、前記水分を再気化して、前記少なくとも一つの電極に供給する制御部とを有する、請求項4記載の燃料電池システム。
The buffer mechanism unit is a storage unit for storing water;
A heating unit for heating moisture stored in the storage unit;
A temperature detection unit for detecting the temperature of the stored water;
Control the heating unit so that the temperature of the moisture is kept higher than the temperature at the electrode entrance of the gas flow channel groove, and re-vaporize the moisture to supply the moisture to the at least one electrode The fuel cell system according to claim 4, further comprising:
前記備蓄部は、前記バッファ機構部の内部温度における飽和水蒸気量を超えて前記ガス供給部から供給される水蒸気を凝縮させる熱量制御を行い、
前記制御部は、
(1)改質機の廃熱
(2)前記改質機から前記スタックへ供給される前記燃料ガスの熱
(3)燃料を燃焼させることによって得られる熱
(4)前記スタックから排出される残存燃料ガスを燃焼させることにより得られる熱
(5)前記スタックから排出される冷却水の廃熱
のいずれかの熱のうち、少なくとも一つ以上の熱を熱源として用いることにより凝縮された前記水蒸気を気化する、請求項5記載の燃料電池システム。
The stockpiling unit performs heat amount control for condensing water vapor supplied from the gas supply unit beyond the saturated water vapor amount at the internal temperature of the buffer mechanism unit,
The controller is
(1) Waste heat of reformer (2) Heat of fuel gas supplied from reformer to stack (3) Heat obtained by burning fuel (4) Residual exhaust from stack Heat obtained by burning fuel gas
(5) The fuel cell according to claim 5, wherein the condensed water vapor is vaporized by using at least one of heats of waste water of the cooling water discharged from the stack as a heat source. system.
前記燃料または前記スタックから排出される残存燃料ガスを燃焼させることにより得られる熱は、改質機バーナーから得られる、請求項6記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 6, wherein heat obtained by burning the fuel or residual fuel gas discharged from the stack is obtained from a reformer burner. 前記燃料または前記スタックから排出される残存燃料ガスを燃焼させることにより得られる熱は、改質機バーナー以外の専用燃焼機から得られる、請求項6記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 6, wherein the heat obtained by burning the fuel or the remaining fuel gas discharged from the stack is obtained from a dedicated combustor other than a reformer burner. 前記制御部は、前記スタックに対する供給水蒸気量を検知する検知信号に基づき、前記バッファ機構部に導入する前記一つ以上の熱の熱量制御を行うことにより、前記ガス流路溝に供給されるガスの含む水蒸気量が、前記ガス拡散電極において最初に前記ガスが消費される場所の前記ガス流路溝入口部における温度での飽和水蒸気量よりも多くなるように制御する、請求項6記載の燃料電池システム。   The control unit controls the amount of heat of the one or more heats introduced into the buffer mechanism unit based on a detection signal for detecting the amount of water vapor supplied to the stack, whereby the gas supplied to the gas flow channel groove 7. The fuel according to claim 6, wherein the amount of water vapor included in the gas diffusion electrode is controlled to be larger than a saturated water vapor amount at a temperature at the gas channel groove inlet portion where the gas is first consumed in the gas diffusion electrode. Battery system. 前記制御部は、前記一つ以上の熱の熱量制御を、熱媒体量の制御によって行う、請求項9記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 9, wherein the control unit performs heat amount control of the one or more heats by controlling a heat medium amount. 前記制御部による前記一つ以上の熱の熱量制御は、前記改質機または専用燃焼機の燃焼量制御を含む、請求項9記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 9, wherein the control of the amount of heat of the one or more heats by the control unit includes control of a combustion amount of the reformer or a dedicated combustor. 前記一つ以上の熱の前記制御部への供給は、その熱の熱源泉からの熱流体が直接的に導通することにより行われる、請求項6記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 6, wherein the supply of the one or more heats to the control unit is performed by direct conduction of a thermal fluid from a heat source of the heat. 前記一つ以上の熱の前記制御部への供給は、その熱の熱源泉からの熱流体をスタック冷却排水と熱交換を行ってから行う間接的な導通によって行われる、請求項6記載の燃料電池システム。   The fuel according to claim 6, wherein the supply of the one or more heats to the control unit is performed by indirect conduction after the heat fluid from the heat source of the heat exchanges heat with the stack cooling drainage. Battery system. 前記制御部の制御定数は、複数の運転モードに対応して複数設定可能である、請求項4記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein a plurality of control constants of the control unit can be set corresponding to a plurality of operation modes. 前記制御部は、使用状況における最適な制御定数を学習して制御を行う、請求項4記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the control unit performs control by learning an optimal control constant in a use situation. 前記ガス流路溝に前記ガスを供給するためのガス入口マニホールドを備え、
前記バッファ機構部は、前記ガス入口マニホールドと直結して配置されている、請求項4記載の燃料電池システム。
A gas inlet manifold for supplying the gas to the gas flow channel groove;
The fuel cell system according to claim 4, wherein the buffer mechanism portion is disposed directly connected to the gas inlet manifold.
前記ガス流路溝に前記ガスを供給するためのガス入口マニホールドを備え、
前記バッファ機構部は、前記ガス入口マニホールド内に設けられている、請求項4記載の燃料電池システム。
A gas inlet manifold for supplying the gas to the gas flow channel groove;
The fuel cell system according to claim 4, wherein the buffer mechanism is provided in the gas inlet manifold.
前記スタックと前記バッファ機構部は一括断熱されている、請求項4記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the stack and the buffer mechanism are collectively insulated. 電解質膜、前記電解質膜を挟むように配設された一対のガス拡散電極、及び前記一対のガス拡散電極の外側から挟み込むように配設され、燃料ガス又は酸化剤ガスを各々の前記ガス拡散電極に供給するためのガス流路溝が形成されたセパレータを持つ、複数の積層された単電池を有するスタックと、
前記スタックに前記ガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部と前記ガス流路溝との間に配設された前記ガスの加湿を行うためのガス加湿部とを備えた燃料電池システムを運転する燃料電池システムの運転方法であって、
前記ガス流路溝に供給される前記ガスの含む水蒸気量が、前記ガス拡散電極において最初に前記ガスが消費される場所の前記ガス流路溝入口部における温度での飽和水蒸気量よりも多くなるように制御を行う制御ステップを備えた、燃料電池システムの運転方法。
An electrolyte membrane, a pair of gas diffusion electrodes disposed so as to sandwich the electrolyte membrane, and a gas or an oxidant gas disposed between the pair of gas diffusion electrodes from outside the pair of gas diffusion electrodes. A stack having a plurality of stacked unit cells having a separator formed with gas flow channel grooves for supplying to
A gas supply unit for supplying the gas to the stack;
A fuel cell system operating method for operating a fuel cell system comprising a gas humidifying unit for humidifying the gas disposed between the gas supply unit and the gas flow channel groove,
The amount of water vapor contained in the gas supplied to the gas flow channel groove is larger than the saturated water vapor amount at the temperature at the gas flow channel groove inlet portion where the gas is first consumed in the gas diffusion electrode. A method for operating a fuel cell system, comprising a control step for performing control as described above.
電解質膜、前記電解質膜を挟むように配設された一対のガス拡散電極、及び前記一対のガス拡散電極の外側から挟み込むように配設され、燃料ガス又は酸化剤ガスを各々の前記ガス拡散電極に供給するためのガス流路溝が形成されたセパレータを持つ、複数の積層された単電池を有するスタックと、
前記スタックに前記ガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部と前記ガス流路溝の間に配設された前記ガスの加湿を行うためのガス加湿部とを備えた、燃料電池システムの運転方法であって、
前記ガス流路溝と前記加湿部の間で、前記複数の積層された単電池へ供給する前記ガスの水蒸気量の調整を行う調整ステップを備えた、燃料電池システムの運転方法。
An electrolyte membrane, a pair of gas diffusion electrodes disposed so as to sandwich the electrolyte membrane, and a gas or an oxidant gas disposed between the pair of gas diffusion electrodes from outside the pair of gas diffusion electrodes. A stack having a plurality of stacked unit cells having a separator formed with gas flow channel grooves for supplying to
A gas supply unit for supplying the gas to the stack;
An operation method of a fuel cell system, comprising a gas humidifying unit for humidifying the gas disposed between the gas supply unit and the gas flow channel groove,
A method for operating a fuel cell system, comprising an adjustment step of adjusting an amount of water vapor of the gas supplied to the plurality of stacked unit cells between the gas flow channel groove and the humidifying unit.
請求項1記載の燃料電池システムの、前記ガス流路溝に供給される前記ガスの含む水蒸気量が、前記ガス拡散電極において最初に前記ガスが消費される場所の前記ガス流路溝入口部における温度での飽和水蒸気量よりも多くなるように制御を行う制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the amount of water vapor contained in the gas supplied to the gas flow channel groove is at the gas flow channel groove inlet portion of the gas diffusion electrode where the gas is first consumed. A program for causing a computer to function as a control unit that performs control so as to increase the amount of saturated water vapor at a temperature. 請求項21記載のプログラムを記録した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体。   A recording medium on which the program according to claim 21 is recorded, wherein the recording medium can be processed by a computer.
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