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JP4595304B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP4595304B2
JP4595304B2 JP2003338926A JP2003338926A JP4595304B2 JP 4595304 B2 JP4595304 B2 JP 4595304B2 JP 2003338926 A JP2003338926 A JP 2003338926A JP 2003338926 A JP2003338926 A JP 2003338926A JP 4595304 B2 JP4595304 B2 JP 4595304B2
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JP
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fuel
gas
hydrogen
fuel cell
electrode
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康二 小林
宗久 堀口
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Equos Research Co Ltd
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Description

この発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは、起動時に燃料ガスを短時間で供給し得る燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system that can supply fuel gas in a short time at startup.

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものであるから、電解質膜を挟んで燃料ガスと酸化ガスが存在していれば、両者の電気化学的な反応が継続する。このため、従来では、燃料電池の運転を停止するために、燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止し、かつ、燃料極側には、燃料ガスの変わりに空気等の置換ガスを送り込み、停止後に電気化学的な反応が起こらない構成を採用している。   Conventionally, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, fuel gas or oxidizing gas is ionized on both sides of the electrolyte membrane, and the ions pass through the electrolyte membrane to cause an electrochemical reaction. If fuel gas and oxidizing gas are present with the electrolyte membrane in between, the electrochemical reaction between the two continues. For this reason, conventionally, in order to stop the operation of the fuel cell, the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell is stopped, and a replacement gas such as air is used instead of the fuel gas on the fuel electrode side. Uses a structure that does not cause an electrochemical reaction after sending and stopping.

そして、運転起動時には、燃料室に燃料ガスを送り込むことにより、置換ガスを外部に排出し反応を開始させる構成がとられている。   And at the time of driving | operation start, the structure which discharges substitution gas outside and starts reaction by sending fuel gas into a fuel chamber is taken.

一方、燃料室内において、燃料ガスの濃度が他の領域より特に濃い領域と、酸化ガスの濃度が他の領域により特に濃い領域が併存する状態、即ち、同一の燃料室内で、燃料ガスと酸化ガスが偏在した状態が発生すると、燃料ガスが偏在した部分が局部電池を形成し、酸化ガスが偏在した部分に正常発電時と逆向きの電流を流すように働くため、特に酸素極を腐食させることなり、劣化が速くなるという問題がある。   On the other hand, in the fuel chamber, a region where the concentration of the fuel gas is particularly denser than the other region and a region where the concentration of the oxidizing gas is particularly denser than the other region coexist, that is, the fuel gas and the oxidizing gas in the same fuel chamber. When the unevenly distributed state occurs, the portion where the fuel gas is unevenly formed forms a local battery, and the portion where the oxidizing gas is unevenly distributed acts to flow a current opposite to that during normal power generation. There is a problem that the deterioration is accelerated.

従来の構成では、燃料電池の通常運転時に供給されている燃料ガスのガス圧と同じガス圧で、起動時における燃料ガスの供給を行っている。このため、起動時において、燃料ガスを供給すると、燃料室内では瞬間的に燃料ガスと置換ガスとの偏在が発生する。この偏在によって、電気化学反応が生じ、これによって電極が劣化するという問題があった。   In the conventional configuration, the fuel gas is supplied at the start-up with the same gas pressure as the fuel gas supplied during normal operation of the fuel cell. For this reason, when the fuel gas is supplied at the time of startup, the fuel gas and the replacement gas are instantaneously distributed in the fuel chamber. Due to this uneven distribution, there has been a problem that an electrochemical reaction occurs, which causes deterioration of the electrode.

この発明は、電極の劣化が抑制される燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which deterioration of an electrode is suppressed.

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。   The present invention for solving the above problems has the following configuration.

(1)燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記燃料室に対して供給する燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段と、
前記燃料室から排出される燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
前記燃料室に充填されていた置換ガスと、前記燃料室に供給される燃料ガスとの間で、前記燃料室内での偏在によって電気化学反応が生じる所定時間が経過する以前に、燃料室内の燃料ガス濃度が所定値に達したかを判断する判断手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定し、
前記判断手段が、所定時間以内に所定値に達したと判断した場合には、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更することを特徴とする燃料電池システム。
(1) A fuel cell including a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode, an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode ,
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber;
A fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber;
The fuel in the fuel chamber is passed before a predetermined time during which an electrochemical reaction occurs due to the uneven distribution in the fuel chamber between the replacement gas filled in the fuel chamber and the fuel gas supplied to the fuel chamber. Determining means for determining whether the gas concentration has reached a predetermined value ;
The pressure adjusting means sets the supply pressure of the fuel gas at the start of power generation of the fuel battery cell to be higher than the supply pressure at the time of normal power generation of the fuel battery cell ,
The fuel cell system according to claim 1, wherein when the determination unit determines that the predetermined value is reached within a predetermined time, the fuel gas supply pressure is changed to a supply pressure during normal operation .

)燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記燃料室から排出される燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
前記燃料室に充填されていた置換ガスと、前記燃料室に供給される燃料ガスとの間で、前記燃料室内での偏在によって電気化学反応が生じる所定時間が経過する以前に、燃料室内の燃料ガス濃度が所定値に達したかを判断する判断手段と、
前記検出された燃料ガス濃度に基づいて、前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定し、
前記判断手段が、所定時間以内に所定値に達したと判断した場合には、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更することを特徴とする燃料電池システム。
( 2 ) A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode; ,
A fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber;
The fuel in the fuel chamber is passed before a predetermined time during which an electrochemical reaction occurs due to the uneven distribution in the fuel chamber between the replacement gas filled in the fuel chamber and the fuel gas supplied to the fuel chamber. A determination means for determining whether the gas concentration has reached a predetermined value;
Pressure adjusting means for adjusting a supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber based on the detected fuel gas concentration;
The pressure adjusting means sets the supply pressure of the fuel gas at the start of power generation of the fuel battery cell to be higher than the supply pressure at the time of normal power generation of the fuel battery cell ,
The fuel cell system according to claim 1, wherein when the determination unit determines that the predetermined value is reached within a predetermined time, the fuel gas supply pressure is changed to a supply pressure during normal operation .

燃料室からの排出ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサを有し、
前記判断手段は、排出ガスの酸素濃度が、置換ガスと燃料ガスとの間の電気化学反応によって電極が劣化する恐れのある濃度以上である場合には、電極の劣化の恐れを示す警告を行う上記(1)又は(2)に記載の燃料電池システム。
( 3 ) having an oxygen concentration sensor for detecting the oxygen concentration of the exhaust gas from the fuel chamber;
When the oxygen concentration of the exhaust gas is equal to or higher than the concentration at which the electrode may be deteriorated due to an electrochemical reaction between the replacement gas and the fuel gas, the determination means issues a warning indicating that the electrode may be deteriorated. The fuel cell system according to (1) or (2) above .

電極の局部電位を測定する電位検出センサを有し、
前記圧力調整手段は、更に単位セル電極の局部電位が電極が劣化する恐れがある電位よりも小さい場合に、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更する上記(1)〜(3)のいずれか1に記載の燃料電池システム。
( 4 ) having a potential detection sensor for measuring the local potential of the electrode;
The pressure adjusting means further changes the supply pressure of the fuel gas to the supply pressure during normal operation when the local potential of the unit cell electrode is smaller than the potential at which the electrode may deteriorate. The fuel cell system according to any one of 1) .

)前記燃料電池システムをオン・オフするスタートスイッチと、
燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記スタートスイッチがオフされてからの期間を計測するタイマと、
前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記タイマによって計測された期間が所定の期間より長く、その後前記スタートスイッチがオンされた場合、前記燃料電池セルの発電始動 時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定することを特徴とする燃料電池システム。
( 5 ) a start switch for turning on / off the fuel cell system;
A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode;
A timer for measuring a period after the start switch is turned off;
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber,
When the period measured by the timer is longer than a predetermined period and the start switch is turned on after that, the pressure adjusting means determines the fuel gas supply pressure at the start of power generation of the fuel battery cell. The fuel cell system is characterized by being set higher than the supply pressure during normal power generation.

請求項1に記載の発明によれば、通常運転時の圧力よりも高圧で起動時の燃料ガスが供給されるため、直ちに置 換ガスから水素ガスへの入れ替えが完了するので、置換ガスとの間でガス偏在が発生することが抑制され、偏在しているガスの間で反応が起こるという時間的な余裕もなく、局部電流の発生による電極の劣化が抑制される。また、燃料ガスの供給時間が短縮され、システム始動までの時間が短縮される。 According to the first aspect of the present invention, since the fuel gas at the time of startup is supplied at a pressure higher than the pressure during normal operation , the replacement from the replacement gas to the hydrogen gas is completed immediately . The occurrence of uneven gas distribution is suppressed, and there is no time for reaction between the unevenly distributed gases, so that deterioration of the electrode due to the generation of local current is suppressed. Further, the fuel gas supply time is shortened, and the time until the system is started is shortened.

請求項に記載の発明によれば、燃料室から排出される燃料ガ スの濃度を検出する燃料ガス濃度センサにより検出された燃料ガス濃度に基づいて、燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整することにより、燃料 ガスの濃度に応じて効率よく燃料ガスを供給することができる。
また、通常運転時の圧力よりも高圧で起動時の燃料ガスが供給されるため、直ちに置 換ガスから水素ガスへの入れ替えが完了するので、置換ガスとの間でガス偏在が発生することが抑制され、偏在しているガスの間で反応が起こるという時間的な余裕もなく、局部電流の発生による電極の劣化が抑制される。また、燃料ガスの供給時間が短縮され、システム始動までの時間が短縮される。
According to the invention of claim 2 , the fuel gas supplied to the fuel chamber based on the fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber. By adjusting the supply pressure of the fuel gas, the fuel gas can be efficiently supplied according to the concentration of the fuel gas.
In addition, since the fuel gas at startup is supplied at a pressure higher than the pressure during normal operation , the replacement from the replacement gas to the hydrogen gas is completed immediately, which may cause uneven gas distribution with the replacement gas. Suppressed and there is no time margin for the reaction to occur between the unevenly distributed gases, and the deterioration of the electrode due to the generation of local current is suppressed. Further, the fuel gas supply time is shortened, and the time until the system is started is shortened.

請求項に記載の発明によれば、燃料室から排出される酸素の濃度を検出する酸素ガス濃度センサをさらに備え、さらに、検出された酸素ガス濃度が所定の酸素ガス濃度よりも低い場合に通常運転時の供給圧に切り替えることにより、より一層、燃料ガス供給過剰と、燃料室内のガス偏在を抑制することができる。 According to the third aspect of the present invention, the apparatus further includes an oxygen gas concentration sensor that detects the concentration of oxygen discharged from the fuel chamber, and when the detected oxygen gas concentration is lower than a predetermined oxygen gas concentration. By switching to the supply pressure during normal operation, it is possible to further suppress the excessive supply of fuel gas and the uneven distribution of gas in the fuel chamber.

請求項に記載の発明によれば、各燃料室毎の局部電位を検出することで、ガス偏在の可能性を判定する。 According to the invention described in claim 4 , the possibility of uneven gas distribution is determined by detecting the local potential of each fuel chamber.

請求項に記載の発明によれば、スタートスイッチのオフから所定期間経過していない場合には、ガス偏在による電極の劣化は生じないと予想されるので、起動時の供給圧をせず、通常発電時の供給圧とする。これにより、燃料ガスの供給過剰を抑制できる。 According to the fifth aspect of the present invention, when the predetermined period has not elapsed since the start switch is turned off, it is expected that the electrode will not be deteriorated due to gas uneven distribution. Supply pressure during normal power generation. Thereby, excessive supply of fuel gas can be suppressed.

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図1は、この発明の燃料電池システム1を示すブロック図である。図1に示されているように、この燃料電池システム1は燃料電池スタック100、空気供給系12、水素供給手段としての高圧水素タンク11を含む燃料供給系10、水供給系50から大略構成される。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 is roughly composed of a fuel cell stack 100, an air supply system 12, a fuel supply system 10 including a high-pressure hydrogen tank 11 as a hydrogen supply means, and a water supply system 50. The

この燃料電池スタック100の構成について説明する。燃料電池スタック100は、燃料電池単位セル15と燃料電池セパレータ13とを交互に積層して構成されている。図2は、燃料電池用セパレータ13を示す全体正面図、図3は、燃料電池セパレータ13で構成された燃料電池スタック100の部分断面平面図(図2におけるA‐A断面図)、図4は、同じく部分断面側面図(図2及び図3におけるB−B断面図)、図5は、燃料電池セパレータ13の部分断面側面図(図2及び図3におけるC−C断面図)、図6は、燃料電池用セパレータ13の全体背面図である。   The configuration of the fuel cell stack 100 will be described. The fuel cell stack 100 is configured by alternately stacking fuel cell unit cells 15 and fuel cell separators 13. 2 is an overall front view showing the fuel cell separator 13, FIG. 3 is a partial cross-sectional plan view of the fuel cell stack 100 composed of the fuel cell separator 13 (AA cross-sectional view in FIG. 2), and FIG. FIG. 5 is a partial sectional side view (BB sectional view in FIGS. 2 and 3), FIG. 5 is a partial sectional side view of the fuel cell separator 13 (CC sectional view in FIGS. 2 and 3), and FIG. FIG. 3 is an overall rear view of the fuel cell separator 13.

セパレータ13は、単位セル15の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材3、4と、各集電部材3、4の周端部に外装される枠体8、9とを備えている。集電部材3、4は金属板で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。   The separator 13 includes current collecting members 3 and 4 for contacting the electrodes of the unit cell 15 and taking out current to the outside, and frame bodies 8 and 9 that are externally mounted on the peripheral ends of the current collecting members 3 and 4. I have. The current collecting members 3 and 4 are made of metal plates. The constituent metal is a metal having conductivity and corrosion resistance, and examples thereof include stainless steel, nickel alloy, titanium alloy and the like subjected to corrosion-resistant conductive treatment.

集電部材3は、単位セル15の燃料極に接触し、集電部材4は酸素極に接触する。集電部材3は、矩形の板材から成り、その表面には、プレス加工によって、突出形成された複数の柱状凸部32が形成されている。柱状凸部32は、板材の短辺と長辺とに沿って縦横に等間隔で配列されている。柱状凸部32の間には、長辺に沿って(図2における横方向)配置された柱状凸部32の間に形成された溝によって、水素流路301が、短辺に沿って(図2における縦方向)配置された柱状凸部32の間に形成された溝によって、水素流路302が形成されている。この柱状凸部32の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部321となっている。また、柱状凸部32の裏側は、穴33となっている。集電部材3の両端部には、孔35が形成され、セパレータ13を積層した場合に、この孔35によって水素供給路が構成される。   The current collecting member 3 is in contact with the fuel electrode of the unit cell 15, and the current collecting member 4 is in contact with the oxygen electrode. The current collecting member 3 is formed of a rectangular plate material, and a plurality of columnar convex portions 32 are formed on the surface thereof by pressing. The columnar protrusions 32 are arranged at equal intervals vertically and horizontally along the short side and the long side of the plate material. Between the columnar convex portions 32, the hydrogen flow path 301 is formed along the short side (see FIG. 2) by a groove formed between the columnar convex portions 32 arranged along the long side (lateral direction in FIG. 2). The hydrogen flow path 302 is formed by grooves formed between the columnar convex portions 32 arranged in the vertical direction in FIG. The surface of the apex portion of the columnar convex portion 32 is a contact portion 321 with which the fuel electrode contacts. The back side of the columnar convex portion 32 is a hole 33. Holes 35 are formed at both ends of the current collecting member 3, and when the separators 13 are stacked, the holes 35 form a hydrogen supply path.

集電部材4は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部42が形成されている。凸状部42は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部42の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路40が形成されている。この凸状部42の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部421となっている。また、凸状部42の裏側は溝状の中空部となっており、この中空部によって冷却流路41が形成されている。空気流路40と、冷却流路41は、板材の端部まで達し、両端は、板材の端辺部で開口する開口部を備えている。集電部材4の両端部には、孔48が形成され、セパレータ13を積層した場合に、この孔48によって水素供給路が構成される。   The current collecting member 4 is made of a rectangular plate material, and a plurality of convex portions 42 are formed by pressing. The convex portions 42 are continuously formed in a straight line parallel to the short sides of the plate material, and are arranged at equal intervals. A groove is formed between the convex portions 42 to form an air flow path 40 through which air flows. The surface of the apex portion of the convex portion 42 is an abutting portion 421 with which the oxygen electrode contacts. Further, the back side of the convex portion 42 is a groove-like hollow portion, and the cooling flow path 41 is formed by this hollow portion. The air flow path 40 and the cooling flow path 41 reach the end of the plate material, and both ends are provided with openings that open at the end sides of the plate material. Holes 48 are formed at both ends of the current collecting member 4. When the separators 13 are stacked, the holes 48 form a hydrogen supply path.

以上のような集電部材3、4は、各柱状凸部32と凸状部42が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、水素流路301、302の裏側面34と空気流路40の裏側面403が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、集電部材3、4を重ね合わせることによって、図4に示されているように、冷却流路41が形成され、穴33は冷却流路41の一部を構成する。また、空気流路40は、図3及び図5に示されているように、単位セル15に重ね合わされ、溝の開口部400を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路40の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路40から、単位セル15の酸素極に酸素と水が供給される。   The current collecting members 3 and 4 as described above are overlapped and fixed so that the columnar convex portions 32 and the convex portions 42 are on the outside. At this time, the back side surfaces 34 of the hydrogen flow paths 301 and 302 and the back side face 403 of the air flow path 40 are in contact with each other, so that they can be energized with each other. Further, by superimposing the current collecting members 3 and 4, as shown in FIG. 4, a cooling channel 41 is formed, and the hole 33 constitutes a part of the cooling channel 41. As shown in FIGS. 3 and 5, the air flow path 40 is overlapped with the unit cell 15, and a tubular flow path is formed by closing the groove opening 400. A part of the inner wall of 40 is composed of an oxygen electrode. Oxygen and water are supplied from the air flow path 40 to the oxygen electrode of the unit cell 15.

空気流路40の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口43となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口44となっている。この導入口43から導出口44までの空気流路40及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室(空気室)として機能する。   The opening on one end side of the air flow path 40 is an introduction port 43 through which air and water flow, and the opening at the other end is a discharge port 44 through which air and water flow out. The air flow path 40 and its aggregate from the inlet 43 to the outlet 44 function as an oxygen chamber (air chamber) for supplying oxygen to the solid electrolyte membrane.

また、冷却流路41の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口45となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口46となっている。以上のような構成において、空気流路40と冷却流路41は、交互に平行に配置され、相互に側壁47を挟んで隣接した構成となっている。このため、導入口43と流入開放口45も交互に配置され、導出口44と流出開放口46も交互に配置される。また、空気と水は、側壁47に沿って流れるため、側壁47は、冷却フィンとしての作用も発揮する。   Moreover, the opening part of the one end side of the cooling channel 41 becomes the inflow opening 45 into which air and water flow in, and the opening part of the other end becomes the outflow opening 46 from which air and water flow out. In the above configuration, the air flow paths 40 and the cooling flow paths 41 are alternately arranged in parallel and are adjacent to each other with the side wall 47 interposed therebetween. For this reason, the introduction ports 43 and the inflow opening ports 45 are alternately arranged, and the outlet ports 44 and the outflow opening ports 46 are also arranged alternately. Moreover, since air and water flow along the side wall 47, the side wall 47 also exhibits an action as a cooling fin.

空気流路40と冷却流路41が交互に、かつ平行に配置されることで、燃料電池の冷却効率が向上し、均一な冷却が可能となる。   By arranging the air flow paths 40 and the cooling flow paths 41 alternately and in parallel, the cooling efficiency of the fuel cell is improved and uniform cooling is possible.

集電部材3、4には、枠体8、9がそれぞれ重ねられる。図2に示されているように、集電部材3に重ねられる枠体8は、集電部材3と同じ大きさに構成され、中央には、柱状凸部32を収納する窓81が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材3の孔35に合致する位置に孔83が形成されており、この孔83と窓81との間には、集電部材3に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路84が設けられている。また、集電部材3に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓81に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部82が設けられている。この収納部82に収納された単位セル15の燃料極表面と、水素流路301、302と、窓81とによって、燃料室30が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。   Frame members 8 and 9 are overlaid on the current collecting members 3 and 4, respectively. As shown in FIG. 2, the frame 8 that is stacked on the current collecting member 3 is configured to have the same size as the current collecting member 3, and a window 81 that houses the columnar protrusion 32 is formed at the center. ing. Further, a hole 83 is formed in the vicinity of both end portions at a position that matches the hole 35 of the current collecting member 3, and a plane on the side in contact with the current collecting member 3 is formed between the hole 83 and the window 81. A recess is formed in the upper surface of the substrate, and a hydrogen flow path 84 is provided. In addition, a concave portion whose contour is formed along the window 81 is formed on the plane opposite to the surface that contacts the current collecting member 3, and a storage portion 82 for storing the unit cell 15 is provided. Yes. The fuel chamber 30 is defined by the fuel electrode surface of the unit cell 15 housed in the housing portion 82, the hydrogen flow paths 301 and 302, and the window 81. Thus, the fuel chamber is provided adjacent to the fuel electrode, and the oxygen chamber is provided adjacent to the oxygen electrode.

集電部材4に重ねられる枠体9は、枠体8と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部42を収納する窓91が形成されている。また、両端部近傍には、枠体8の孔83に合致する位置に孔93が形成されている。枠体8の集電部材4が重ねられる側の面には、枠体8の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材3、4に重ねることによって、空気流通路94、95が構成される構造となっている。空気流通路94の一端は、枠体8の長辺側の端面に形成された開口941に接続され、他端は空気流路40の導入口43と冷却流路41の流入開放口45とに接続されている。   The frame body 9 overlaid on the current collecting member 4 is configured to have the same size as the frame body 8, and a window 91 for accommodating the convex portion 42 is formed at the center. Further, in the vicinity of both end portions, holes 93 are formed at positions corresponding to the holes 83 of the frame body 8. Grooves are formed along the pair of opposing long sides of the frame 8 on the surface of the frame 8 on which the current collecting member 4 is overlapped. By overlapping the current collecting members 3 and 4, the air flow passage 94 is formed. , 95 is configured. One end of the air flow passage 94 is connected to an opening 941 formed on the end surface on the long side of the frame body 8, and the other end is connected to the introduction port 43 of the air flow path 40 and the inflow opening 45 of the cooling flow path 41. It is connected.

上流側の空気流通路94は、開口941側から空気流路40側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面942となっており、後述する空気マニホールド54から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路95の一端は、空気流路40の導出口44と冷却流路41の流入開放口45とに接続され、他端は、枠体8の長辺側端面に形成された開口951に接続されている。空気流通路95は、開口951側から空気流路40側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面952となっている。燃料電池スタック100が傾いた際にも、このテーパー面952によって、水の排出が維持される。   The upstream air flow passage 94 has an end inner wall that is a tapered surface 942 so that the cross-sectional area gradually decreases from the opening 941 side to the air flow path 40 side, and is injected from an air manifold 54 described later. It is easy to take in mist water. On the other hand, one end of the downstream air flow passage 95 is connected to the outlet 44 of the air flow path 40 and the inflow opening 45 of the cooling flow path 41, and the other end is formed on the long side end face of the frame 8. Connected to the opening 951. The air flow passage 95 has an end inner wall as a tapered surface 952 so that the cross-sectional area gradually decreases from the opening 951 side toward the air flow path 40 side. Even when the fuel cell stack 100 is tilted, the tapered surface 952 maintains the discharge of water.

また、枠体9の、集電部材4に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓91に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部92が設けられている。   In addition, a concave portion having a contour formed along the window 91 is formed on the plane opposite to the surface of the frame body 9 that contacts the current collecting member 4, and the storage unit in which the unit cell 15 is stored. 92 is provided.

図7は単位セル15の拡大断面図である。単位セル15は、固体高分子電解質膜15aと、該固体高分子電解質膜15aの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極15bと燃料極15cとを備えていて、固体高分子電解質膜15aは、酸素極15bと燃料極15cとで挟持されている。固体高分子電解質膜15aは、収納部82、92に合致した大きさに形成され、酸素極15bと燃料極15cは、窓91、81に合致した大きさに形成されている。単位セル15の厚さは、枠体8、9や集電部材3、4の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。   FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the unit cell 15. The unit cell 15 includes a solid polymer electrolyte membrane 15a, and an oxygen electrode 15b and a fuel electrode 15c that are oxidant electrodes stacked on both side surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 15a, respectively. The membrane 15a is sandwiched between the oxygen electrode 15b and the fuel electrode 15c. The solid polymer electrolyte membrane 15 a is formed in a size that matches the storage portions 82 and 92, and the oxygen electrode 15 b and the fuel electrode 15 c are formed in a size that matches the windows 91 and 81. Since the thickness of the unit cell 15 is extremely thin compared to the thicknesses of the frame bodies 8 and 9 and the current collecting members 3 and 4, the unit cell 15 is shown as an integral member in the drawing.

空気流路40及び冷却流路41の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が40°以下、好ましくは30°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン(Ti O2)等が挙げられる。 The inner walls of the air channel 40 and the cooling channel 41 are subjected to hydrophilic treatment. The surface treatment may be performed so that the contact angle between the inner wall surface and water is 40 ° or less, preferably 30 ° or less. As the treatment method, a method of applying a hydrophilic treatment agent to the surface is taken. Examples of the treating agent to be applied include polyacrylamide, polyurethane resin, titanium oxide (TiO 2 ), and the like.

以上のように構成された枠体8、9によって集電部材3、4を保持してセパレータ13が構成され、セパレータ13と単位セル15を交互に積層して、燃料電池スタック100が構成される。図8は燃料電池スタック100の部分平面図である。燃料電池スタック100の上面には、多数の導入口43と流入開放口45が交互に開口し、この導入口43と流入開放口45に、後述するように、空気マニホールド54から空気が流入するとともに、ノズル55から噴射された水が同時に流入する。側壁47は、空気の流通経路に配置され冷却フィンとしても作用する。   The separators 13 are configured by holding the current collecting members 3 and 4 by the frames 8 and 9 configured as described above, and the fuel cell stack 100 is configured by alternately stacking the separators 13 and the unit cells 15. . FIG. 8 is a partial plan view of the fuel cell stack 100. On the upper surface of the fuel cell stack 100, a large number of introduction ports 43 and inflow opening ports 45 are alternately opened, and air flows into the introduction ports 43 and the inflow opening ports 45 from an air manifold 54, as will be described later. The water sprayed from the nozzle 55 flows in at the same time. The side wall 47 is disposed in the air flow path and also functions as a cooling fin.

導入口43と流入開放口45から流入した空気と水は、冷却流路41内で、潜熱冷却により集電部材3、4を冷却する。   The air and water flowing in from the introduction port 43 and the inflow opening 45 cool the current collecting members 3 and 4 by latent heat cooling in the cooling channel 41.

図9は、燃料電池スタック100の全体平面図である。以上のように構成された燃料電池セパレータ13は、所定の枚数重ねられたユニット130(単位体)構成し、このユニット130を複数重ねることによって燃料電池スタック100が構成される。ユニット130とユニット130の間には、集電部材3と集電部材4の間に遮蔽板16を挟んだ、セパレータ14が介在する。遮蔽板16は、水素通路17a又は水素通路17bのいずれかに対応した位置に、水素通路17a、17bの断面形状と同じ形状の、孔161a又は161bを備えている。この遮蔽板16は、導電性を有し、燃料電池スタック100内での電気の流通は妨げない。   FIG. 9 is an overall plan view of the fuel cell stack 100. The fuel cell separator 13 configured as described above constitutes a unit 130 (unit body) in which a predetermined number of units are stacked, and the fuel cell stack 100 is configured by stacking a plurality of the units 130. A separator 14 having a shielding plate 16 sandwiched between the current collecting member 3 and the current collecting member 4 is interposed between the unit 130 and the unit 130. The shielding plate 16 includes a hole 161a or 161b having the same shape as the cross-sectional shape of the hydrogen passages 17a and 17b at a position corresponding to either the hydrogen passage 17a or the hydrogen passage 17b. The shielding plate 16 has conductivity and does not hinder the flow of electricity within the fuel cell stack 100.

一方、遮蔽板16が孔161aを有する場合には、水素通路17bでの水素ガスの流通は、遮蔽板16によって遮断される。遮蔽板16が孔161bを有する場合には、水素通路17aでの水素ガスの流通は、遮蔽板16によって遮断される。遮蔽板16は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔161bが設けられている遮蔽板16、孔161aが設けられている遮蔽板16・・・となるよう、交互に配置される。このようにユニット130毎に、水素通路17aと水素通路17bの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、ユニット130単位で、各燃料室30内を流通する。具体的には、最初のユニット130では、水素通路17aから水素通路17bへ向けて、各燃料室30内を水素ガスが流れ、次のユニット130では、水素通路17bから水素通路17aへ向けて、各燃料室30内を水素ガスが流れ、さらに次のユニット130では、水素通路17aから水素通路17bへ向けて、各燃料室30内を水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。   On the other hand, when the shielding plate 16 has the holes 161a, the flow of hydrogen gas in the hydrogen passage 17b is blocked by the shielding plate 16. When the shielding plate 16 has the hole 161b, the hydrogen gas flow in the hydrogen passage 17a is blocked by the shielding plate 16. The shielding plate 16 is, in order from the hydrogen gas inflow side to the outflow side, the shielding plate 16 provided with the holes 161b, the shielding plate 16 provided with the holes 161a, and so on. Alternatingly arranged. As described above, by alternately shielding one of the hydrogen passage 17a and the hydrogen passage 17b for each unit 130, the supplied hydrogen gas flows through each fuel chamber 30 in units of units 130. Specifically, in the first unit 130, hydrogen gas flows in each fuel chamber 30 from the hydrogen passage 17a toward the hydrogen passage 17b, and in the next unit 130, from the hydrogen passage 17b toward the hydrogen passage 17a, Hydrogen gas flows in each fuel chamber 30, and in the next unit 130, hydrogen gas flows in each fuel chamber 30 from the hydrogen passage 17a toward the hydrogen passage 17b. The distribution direction changes.

即ち、燃料電池スタック100は、単位セル15とセパレータ13を積層して構成されたユニット130と、ユニット130内において、セパレータ13の積層方向に形成され、燃料室30を挟んだ両側に位置し、各燃料室30にそれぞれ連通する一対の水素通路17a、17bとを有し、ユニット130を積層して構成されたものであって、隣接するユニット130の間には、各ユニット130の一方の水素通路17a、17a(又は17b、17b)間を連通する連通部(孔161a(又は161b))と、他方の水素通路17b、17b(又は17a、17a)間の水素流通を遮断する遮断部(遮蔽板16)とを有し、連通部と遮断部は、積層されているユニット130の積層方向に向けて順に、一方の水素通路17a、17a(又は17b、17b)と他方の水素通路17b、17b(又は17a、17a)において交互に設けられ、一対の水素流路(17a、17b)間の各燃料室30内を流れる水素ガスの流通方向が、ユニット130毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。   That is, the fuel cell stack 100 is a unit 130 configured by stacking the unit cells 15 and the separator 13, and is formed in the unit 130 in the stacking direction of the separator 13, and is located on both sides of the fuel chamber 30. Each of the fuel chambers 30 has a pair of hydrogen passages 17a and 17b, and is formed by stacking the units 130. One hydrogen of each unit 130 is interposed between the adjacent units 130. A communication part (hole 161a (or 161b)) communicating between the passages 17a, 17a (or 17b, 17b) and a blocking part (shielding) for blocking hydrogen flow between the other hydrogen passages 17b, 17b (or 17a, 17a) Plate 16), and the communication portion and the blocking portion are sequentially arranged in the direction of the stacking of the stacked units 130, one of the hydrogen passages 17a, 17a (or 7b, 17b) and the other hydrogen passages 17b, 17b (or 17a, 17a), and the flow direction of the hydrogen gas flowing in each fuel chamber 30 between the pair of hydrogen flow paths (17a, 17b) is The unit 130 is alternately changed in the opposite direction.

このように、燃料電池スタック100を、複数のユニット130に分割し、ユニット毎に水素ガスを流通させる構成とすることによって、各ユニット130の間で水素ガス流量に差が生じることを防止できる。また、単位のユニット130内においても、積層されたセパレータ13と単位セル15とで構成された各燃料室30間で水素ガス流量の差が生ずること抑制できる。さらに、燃料電池スタック100に供給された水素ガスは、繰り返し、ユニット130内を流れるので、燃料室30の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。   As described above, by dividing the fuel cell stack 100 into the plurality of units 130 and flowing the hydrogen gas for each unit, it is possible to prevent a difference in the hydrogen gas flow rate between the units 130. Further, even in the unit unit 130, it is possible to suppress a difference in hydrogen gas flow rate between the fuel chambers 30 constituted by the stacked separators 13 and unit cells 15. Furthermore, since the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 100 repeatedly flows in the unit 130, the chance of contacting the fuel electrode in the fuel chamber 30 increases, and the reaction efficiency is improved.

ユニット130を構成する燃料電池セパレータ13の枚数は、各セパレータ13における水素流路302の断面積(燃料室内を流れる水素ガスの流線に対して、垂直な面の面積が、最も小さくなる位置の面積:図10におけるa部分の面積の総和(ユニット130を構成するセパレータ13の、前記水素流路302断面積の総和)、又は、水素流通経路84の横断面積の総和(図11の太実線で囲まれたb部分の面積))が、水素通路17a、17bの横断面積とほぼ同じとなる枚数に決められる。このような構成とすると、燃料電池スタック100内を流れる水素ガスの流通経路の横断面積が、燃料電池スタック100にガスが流入してから流出するまで、大きく変動せず、ユニット130を構成する各セパレータ13の燃料室30に、ガス流をより均一に分配することができる。   The number of the fuel cell separators 13 constituting the unit 130 is such that the cross-sectional area of the hydrogen flow path 302 in each separator 13 (the position of the surface perpendicular to the streamline of the hydrogen gas flowing in the fuel chamber is the smallest). Area: the sum of the areas of part a in FIG. 10 (the sum of the cross-sectional areas of the hydrogen flow path 302 of the separator 13 constituting the unit 130) or the sum of the cross-sectional areas of the hydrogen flow paths 84 (indicated by the bold solid line in FIG. 11) The area of the enclosed portion b)) is determined to be substantially the same as the cross-sectional area of the hydrogen passages 17a and 17b. With such a configuration, the cross-sectional area of the flow path of the hydrogen gas flowing through the fuel cell stack 100 does not vary greatly until the gas flows into the fuel cell stack 100 and then flows out, and each unit constituting the unit 130 is configured. The gas flow can be more uniformly distributed to the fuel chamber 30 of the separator 13.

このため、始動時のガス供給の際にも、始動時に充填されているガス(空気)を効率よく排出し、一層均一かつ迅速に水素ガスに置換することが可能となる。   For this reason, even when the gas is supplied at the time of starting, the gas (air) filled at the time of starting can be discharged efficiently and replaced with hydrogen gas more uniformly and quickly.

図12は、燃料電池スタック100の正面図である。水素通路17aの水素ガス流入部分には、整流手段としての導入案内路18aが設けられている。この導入案内路18aは、ガス導入口181aが、水素導入路202と同じ断面形状を有し、ガス導出口182aが、水素通路17aと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口181aからガス導出口182aまでの流路183aは、横断面の幅が漸増し、水素通路17aの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する。さらに、流路183aには、整流板184aが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。   FIG. 12 is a front view of the fuel cell stack 100. An introduction guide path 18a as a rectifying means is provided in the hydrogen gas inflow portion of the hydrogen passage 17a. In the introduction guide path 18a, the gas introduction port 181a has the same cross-sectional shape as the hydrogen introduction path 202, and the gas outlet port 182a has the same cross-sectional shape as the hydrogen passage 17a. The flow path 183a from the gas inlet 181a to the gas outlet 182a guides the gas flow so that the width of the cross section gradually increases and the gas flow velocity distribution in the cross section of the hydrogen passage 17a becomes uniform. Furthermore, the flow path 183a is provided with a rectifying plate 184a, which is configured to guide hydrogen gas while suppressing pressure loss of the gas flow.

図13は、燃料電池スタック100の背面図である。燃料電池スタック100の水素ガス流出部分には、導出案内路18bが設けられている。この導出案内路18bは、ガス導入口181bが、水素通路17aと同じ断面形状を有し、ガス導出口182bが、水素導出路203と同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口181bからガス導出口182bまでの流路183bは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路183aには、整流板184aが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。   FIG. 13 is a rear view of the fuel cell stack 100. A lead-out guide path 18 b is provided in the hydrogen gas outflow portion of the fuel cell stack 100. In the lead-out guide path 18b, the gas introduction port 181b has the same cross-sectional shape as the hydrogen passage 17a, and the gas lead-out port 182b has the same cross-sectional shape as the hydrogen lead-out path 203. The flow path 183b from the gas inlet 181b to the gas outlet 182b gradually decreases in cross-sectional width, and the flow path 183a is provided with a rectifying plate 184a, while suppressing pressure loss of the gas flow. The hydrogen gas is guided.

以上のような燃料電池スタック100の構成によって、燃料電池スタック100に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ13の燃料室30へ均一に水素ガスが供給される。   With the configuration of the fuel cell stack 100 as described above, the pressure loss of the hydrogen gas flowing into the fuel cell stack 100 is suppressed, and the hydrogen gas is uniformly supplied to the fuel chamber 30 of each fuel cell separator 13.

次に、図1に示されている他の構成について説明する。空気供給系12は大気から空気を燃料電池スタック100の開口941を介して空気流路40と冷却流路41に供給し、燃料電池スタック100から排出された空気を水凝縮器51を通過させて排気する。空気供給路123には、吸気手段としての空気ファン122が備えられ、フィルタ121を介して、大気から空気を空気マニホールド54へ送る。空気はマニホールド54から燃料電池スタック100の空気流路40へ流入して空気極3へ酸素を供給する。燃料電池スタック100から排出された空気は、水凝縮器51で排気空気中の水分が凝縮・回収されて大気へ放出される。燃料電池スタック100から排出される温度は排気温度センサS1によりモニタされている。また、燃料電池スタック100には、燃料電池スタック100を構成する単位セル毎に電極の局部電位を測定する電位検出センサS2が設けられている。   Next, another configuration shown in FIG. 1 will be described. The air supply system 12 supplies air from the atmosphere to the air flow path 40 and the cooling flow path 41 through the opening 941 of the fuel cell stack 100, and passes the air discharged from the fuel cell stack 100 through the water condenser 51. Exhaust. The air supply path 123 is provided with an air fan 122 as intake means, and sends air from the atmosphere to the air manifold 54 via the filter 121. Air flows from the manifold 54 into the air flow path 40 of the fuel cell stack 100 and supplies oxygen to the air electrode 3. The air discharged from the fuel cell stack 100 is condensed and recovered by the water condenser 51 and discharged into the atmosphere. The temperature discharged from the fuel cell stack 100 is monitored by an exhaust temperature sensor S1. Further, the fuel cell stack 100 is provided with a potential detection sensor S <b> 2 that measures the local potential of the electrode for each unit cell constituting the fuel cell stack 100.

この実施形態では、空気マニホールド54にノズル55が配設されており、これより吸気中に水が液体の状態で噴射され、空気に混合される。この水の大部分は液体の状態を維持したまま、燃料電池スタック100の下側に設けられた、容器内に回収される。   In this embodiment, a nozzle 55 is disposed in the air manifold 54, and from this, water is injected in a liquid state during intake and mixed with air. Most of the water is collected in a container provided under the fuel cell stack 100 while maintaining a liquid state.

燃料供給系10は、水素導通路201、水素導入路202を介して、高圧水素タンク11から放出された水素を燃料電池スタック100の水素通路17aへ送る。水素導通路201には、高圧水素タンク11側から燃料電池スタック100側へ向けて、水素一次圧センサS3、水素一次圧調圧弁21、水素元電磁弁22、水素二次圧可変調圧弁23、水素供給電磁弁24、水素二次圧センサS4が、この順に設けられている。水素一次圧センサS3によって高圧水素タンク11側の水素圧がモニタされている。   The fuel supply system 10 sends the hydrogen released from the high-pressure hydrogen tank 11 to the hydrogen passage 17 a of the fuel cell stack 100 through the hydrogen conduction passage 201 and the hydrogen introduction passage 202. From the high-pressure hydrogen tank 11 side to the fuel cell stack 100 side, a hydrogen primary pressure sensor S3, a hydrogen primary pressure regulating valve 21, a hydrogen source solenoid valve 22, a hydrogen secondary pressure adjustable pressure valve 23, A hydrogen supply electromagnetic valve 24 and a hydrogen secondary pressure sensor S4 are provided in this order. The hydrogen pressure on the high-pressure hydrogen tank 11 side is monitored by the hydrogen primary pressure sensor S3.

水素調圧弁21によって、燃料電池スタック100へ供給するために適した圧力に調整される。また水素供給電磁弁22の開閉によって、水素の燃料電池スタック100への供給が電気的に制御され、水素ガスの供給を行わない場合には、この電磁弁22が閉じられ、水素ガスの供給が止められる。また、水素二次圧センサS4によって、燃料電池スタック100に供給される直前の水素ガス圧がモニタされる。   The pressure is adjusted to be suitable for supplying to the fuel cell stack 100 by the hydrogen pressure regulating valve 21. When the hydrogen supply electromagnetic valve 22 is opened and closed, the supply of hydrogen to the fuel cell stack 100 is electrically controlled. When the hydrogen gas is not supplied, the electromagnetic valve 22 is closed and the supply of the hydrogen gas is stopped. It can be stopped. Further, the hydrogen gas pressure immediately before being supplied to the fuel cell stack 100 is monitored by the hydrogen secondary pressure sensor S4.

水素導通路201には、水素導入路202の一端が接続され、その他端は燃料電池スタック100の水素通路17aに接続されている。   One end of a hydrogen introduction path 202 is connected to the hydrogen conduction path 201, and the other end is connected to the hydrogen path 17 a of the fuel cell stack 100.

燃料電池スタック100では、図3に示されているように、水素通路17aから水素ガスが水素流通経路84aへ流入し、さらに、水素流通経路84aから水素流路301、302へ流入する。水素流路301、302において、燃料極へ水素が供給され、残った水素ガスは、水素流通経路84bから水素通路17bへ流入する。   In the fuel cell stack 100, as shown in FIG. 3, hydrogen gas flows from the hydrogen passage 17a into the hydrogen flow path 84a, and further flows from the hydrogen flow path 84a into the hydrogen flow paths 301 and 302. In the hydrogen passages 301 and 302, hydrogen is supplied to the fuel electrode, and the remaining hydrogen gas flows into the hydrogen passage 17b from the hydrogen circulation passage 84b.

燃料供給系10において、燃料電池スタック100の水素通路17bから排出される水素ガスは水素導出路203へ排出される。水素導出路203には、酸素濃度センサS5と、水素濃度センサS6と、ポンプ25が設けられ、ポンプ25は、燃料電池スタック100から水素ガスを吸引する方向に駆動する。ポンプ25の下流側には、水素排出路204の一端と、水素返還路205の一端が接続されている。水素返還路205の他端は、水素導入路202に接続され、水素導入路202、水素導出路203、水素返還路205によって、水素循環路が形成されている。水素返還路205には、逆止弁29が設けられ、高圧水素タンク11から供給される水素ガスが、直接排出側に流出しない構成となっている。水素排出路204には、逆止弁26、水素排出電磁弁27a、消音器28aが、この順で設けられている。   In the fuel supply system 10, the hydrogen gas discharged from the hydrogen passage 17 b of the fuel cell stack 100 is discharged to the hydrogen outlet passage 203. The hydrogen lead-out path 203 is provided with an oxygen concentration sensor S5, a hydrogen concentration sensor S6, and a pump 25. The pump 25 is driven in a direction in which hydrogen gas is sucked from the fuel cell stack 100. One end of the hydrogen discharge path 204 and one end of the hydrogen return path 205 are connected to the downstream side of the pump 25. The other end of the hydrogen return path 205 is connected to the hydrogen introduction path 202, and a hydrogen circulation path is formed by the hydrogen introduction path 202, the hydrogen lead-out path 203, and the hydrogen return path 205. The hydrogen return path 205 is provided with a check valve 29 so that hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 11 does not flow directly to the discharge side. The hydrogen discharge path 204 is provided with a check valve 26, a hydrogen discharge electromagnetic valve 27a, and a silencer 28a in this order.

酸素濃度センサS5は、燃料電池スタック100から排出されたガスの酸素濃度を検出し、水素濃度センサS6は、燃料電池スタック100から排出されたガスの水素濃度を検出する。   The oxygen concentration sensor S5 detects the oxygen concentration of the gas discharged from the fuel cell stack 100, and the hydrogen concentration sensor S6 detects the hydrogen concentration of the gas discharged from the fuel cell stack 100.

タンク53の水は水供給ポンプ61により、水供給路56を介して、空気マニホールド54内に配設されたノズル55へ圧送され、ここから空気マニホールド54内で連続的若しくは間欠的に噴出される。この水は燃料電池スタック100の開口941を介して空気流路40と冷却流路41に送られる。ここにおいて優先的に水分から潜熱を奪うので、酸素極15b側の電解質膜15aからの水分の蒸発が防止される。従って、電解質膜15aはその酸素極15b側で乾燥することなく、生成水により常に均一な湿潤状態を維持する。また、酸素極15bの表面に供給された水は酸素極15b自体からも熱を奪いこれを冷却し、さらに冷却流路41に流入した水も熱を奪う。これにより燃料電池スタック100の温度を制御できる。   Water in the tank 53 is pumped by a water supply pump 61 through a water supply path 56 to a nozzle 55 disposed in the air manifold 54, and is continuously or intermittently ejected from here in the air manifold 54. . This water is sent to the air flow path 40 and the cooling flow path 41 through the opening 941 of the fuel cell stack 100. Here, since the latent heat is taken away from moisture preferentially, evaporation of moisture from the electrolyte membrane 15a on the oxygen electrode 15b side is prevented. Therefore, the electrolyte membrane 15a always maintains a uniform wet state with the generated water without being dried on the oxygen electrode 15b side. Further, the water supplied to the surface of the oxygen electrode 15b takes heat from the oxygen electrode 15b itself and cools it, and the water flowing into the cooling channel 41 also takes heat. Thereby, the temperature of the fuel cell stack 100 can be controlled.

即ち、燃料電池スタック100へ特に冷却水系を付加しなくても当該燃料電池スタック100を充分に冷却することができる。なお、排気温度センサS1で検出された排出空気の温度に対応して水供給ポンプ61の出力を制御し、燃料電池スタック100の温度を所望の温度に維持することもできる。
タンク53の水は、空気マニホールド54内に配設されたノズル55から酸素極15bの表面に供給され、この水は、水凝縮器51で回収され、容器にためられた水とともに、水回収ポンプ62により、タンク53に回収される。ポンプ62とタンク53の間には、タンク53から水回収ポンプ62への水の逆流を防止するため、逆止弁52が設けられている。タンク53の水量は、水位センサS7によって検出される。
That is, the fuel cell stack 100 can be sufficiently cooled without particularly adding a cooling water system to the fuel cell stack 100. Note that the output of the water supply pump 61 can be controlled in accordance with the temperature of the exhaust air detected by the exhaust temperature sensor S1, and the temperature of the fuel cell stack 100 can be maintained at a desired temperature.
Water in the tank 53 is supplied to the surface of the oxygen electrode 15b from a nozzle 55 disposed in the air manifold 54, and this water is recovered by the water condenser 51, and together with the water stored in the container, a water recovery pump. By 62, it is collected in the tank 53. A check valve 52 is provided between the pump 62 and the tank 53 in order to prevent the backflow of water from the tank 53 to the water recovery pump 62. The amount of water in the tank 53 is detected by a water level sensor S7.

さらに、燃料電池システム1には、図示しないが、燃料電池システムをイグニッションによる起動・停止を行うスタートスイッチが備えられている。イグニッションキーでなくても、ON/OFFスイッチでも構わない。また、燃料電池システムが、図示しない外部負荷に接続されている期間を通常運転時とする。   Further, the fuel cell system 1 is provided with a start switch (not shown) for starting and stopping the fuel cell system by ignition. An ON / OFF switch may be used instead of the ignition key. Further, a period in which the fuel cell system is connected to an external load (not shown) is assumed to be during normal operation.

以上のような構成において、燃料電池システム1により電力出力される通常運転状態では、空気ファン122から燃料電池スタック100に空気が供給され、同時に、燃料供給系10からは水素ガスが燃料電池スタック100に供給される。そして、燃料電池スタック100内では、発電反応が継続され、電力と、反応により生成された生成水が発生する。このような発電反応は、酸素極に空気を、燃料極に水素ガスを継続して供給することにより維持される。このような通常運転時においては、水素ガスの消費効率を考慮して、単位セル15において反応が可能な充分の濃度の水素ガスが供給され、通常運転時の供給圧力は、充分な反応が維持でき、無駄が生じない範囲で設定されている。通常運転時の供給圧力が必要以上に高いと、供給過剰となり、反応していない多くの水素が排出され、燃料ガスの無駄が発生する。このような観点から、通常運転時の水素ガスの供給ガス圧は、例えば、0.1メガパスカルに設定されている。一方起動時に水素ガスを供給する場合の供給ガス圧は、置換ガスの排出と、ガス偏在抑制を目的とし、上記通常運転時のガス圧に比べて高く(例えば、0.2MPa)設定され、供給時間も微小に設定されている。   In the above-described configuration, in a normal operation state where power is output from the fuel cell system 1, air is supplied from the air fan 122 to the fuel cell stack 100, and at the same time, hydrogen gas is supplied from the fuel supply system 10 to the fuel cell stack 100. To be supplied. In the fuel cell stack 100, the power generation reaction is continued, and electric power and generated water generated by the reaction are generated. Such a power generation reaction is maintained by continuously supplying air to the oxygen electrode and hydrogen gas to the fuel electrode. In such normal operation, in consideration of the consumption efficiency of hydrogen gas, hydrogen gas having a sufficient concentration capable of reacting in the unit cell 15 is supplied, and the supply pressure during normal operation maintains sufficient reaction. It can be set in a range where no waste occurs. If the supply pressure during normal operation is higher than necessary, the supply will be excessive, a large amount of unreacted hydrogen will be discharged, and fuel gas will be wasted. From such a viewpoint, the supply gas pressure of hydrogen gas during normal operation is set to 0.1 megapascals, for example. On the other hand, the supply gas pressure in the case of supplying hydrogen gas at the time of start-up is set higher (for example, 0.2 MPa) than the gas pressure during the normal operation for the purpose of discharging replacement gas and suppressing gas uneven distribution. The time is also set minutely.

本発明では、通常運転状態(通常発電状態)とは、燃料電池システム1が、外部負荷と接続され、負荷に応じて発電している状態を言う。また、燃料電池始動時とは、燃料電池システムのスタートスイッチが押され(イグニッションキーがオンされ)、燃料電池システム1が外部負荷に接続されるまでの期間が当てはまる。   In the present invention, the normal operation state (normal power generation state) refers to a state in which the fuel cell system 1 is connected to an external load and generates power according to the load. In addition, when the fuel cell is started, the period from when the start switch of the fuel cell system is pressed (the ignition key is turned on) until the fuel cell system 1 is connected to an external load is applied.

さらに燃焼電池始動時とは前回燃料電池システム1をオフした時間から、今回オンした時の時間が予め設定された設定値を越えた場合のことをいう(オフからオンの時間が短い場合、本発明の燃料電池始動時には当てはまらず通常運転に含まれる)。また、これらの時間は図示しないタイマーが備えられ、タイマーにより時間の算出が行われる。   Furthermore, when the combustion cell is started, it means that the time when the fuel cell system 1 was turned off last time exceeds the preset value (when the time from off to on is short, this time It does not apply when starting the fuel cell of the invention and is included in normal operation). Further, a timer (not shown) is provided for these times, and the time is calculated by the timer.

上記説明した燃料電池システム1は、制御部によって、各部が制御される。また、各センサS1〜S7の検出値は、制御部に供給される。具体的には、制御部によって、水供給ポンプ61による供給量が制御され、水回収ポンプ62のオン・オフと、空気ファン122のオン・オフ、水素ポンプ25のオン・オフが制御される。さらに、制御部によって、水素元電磁弁22の開閉、水素供給電磁弁24の開閉、水素排出電磁弁27aの開閉、水素二次圧可変調圧弁(可変レギュレータ)23の設定圧の調整制御がなされる。   In the fuel cell system 1 described above, each unit is controlled by the control unit. Moreover, the detection value of each sensor S1-S7 is supplied to a control part. Specifically, the supply amount by the water supply pump 61 is controlled by the control unit, and the on / off of the water recovery pump 62, the on / off of the air fan 122, and the on / off of the hydrogen pump 25 are controlled. Further, the control unit performs opening / closing of the hydrogen source solenoid valve 22, opening / closing of the hydrogen supply solenoid valve 24, opening / closing of the hydrogen discharge solenoid valve 27a, and adjustment control of the set pressure of the hydrogen secondary pressure controllable pressure valve (variable regulator) 23. The

以上のような構成を有する燃料電池システム1は、起動時において、以下のような動作を行う。図14及び図15は、第1実施形態における燃料電池システム1の起動時における燃料供給系10の制御動作を示すフローチャートである。   The fuel cell system 1 having the above-described configuration performs the following operation at startup. 14 and 15 are flowcharts showing the control operation of the fuel supply system 10 when the fuel cell system 1 according to the first embodiment is started.

イグニッションONなど、起動を始める動作が確認されると(ステップS101)、センサ類をオンする(ステップS103)。センサ類のオン動作によって、システム各部の検出値を取得することが可能となり、水素一次圧センサS3から供給された検出値に基づいて、水素一次圧が設定値より大きいか判断する(ステップS105)。設定値は、例えば1メガパスカル(MPa)に設定されている。設定値以下である場合には、高圧水素タンク11内の水素が不足していることを意味するので、起動は停止される(ステップS109)。設定値より大きい場合には、水位センサS7から供給された検出値に基づき、水タンク53の水位が一定値以上であるか判断する(ステップS107)。一定値より少ないと、燃料電池スタック100を冷却する能力が充分発揮できないので、起動は停止される(ステップS109)。   When an operation for starting activation such as ignition ON is confirmed (step S101), the sensors are turned on (step S103). The detection value of each part of the system can be acquired by the ON operation of the sensors, and it is determined whether the hydrogen primary pressure is larger than the set value based on the detection value supplied from the hydrogen primary pressure sensor S3 (step S105). . The set value is set to 1 megapascal (MPa), for example. If it is equal to or less than the set value, it means that the hydrogen in the high-pressure hydrogen tank 11 is insufficient, and the activation is stopped (step S109). If it is greater than the set value, based on the detection value supplied from the water level sensor S7, it is determined whether the water level in the water tank 53 is equal to or greater than a certain value (step S107). If it is less than a certain value, the ability to cool the fuel cell stack 100 cannot be fully exhibited, so that the activation is stopped (step S109).

水タンク53の水位が一定値以上である場合には、水回収ポンプ62をオンし、水の回収を開始する(ステップS111)。さらに、水供給ポンプ61を駆動させる(ステップS113)。これにより、空気マニホールド54のノズル55から水が噴射される。同時に、水素元電磁弁22を開放する。次に、空気供給ファン122を駆動させる(ステップS115)。これにより、燃料電池スタック100の酸素極に空気と水の供給が開始される。   If the water level in the water tank 53 is greater than or equal to a certain value, the water recovery pump 62 is turned on and water recovery is started (step S111). Further, the water supply pump 61 is driven (step S113). Thereby, water is jetted from the nozzle 55 of the air manifold 54. At the same time, the hydrogen source solenoid valve 22 is opened. Next, the air supply fan 122 is driven (step S115). Thereby, supply of air and water to the oxygen electrode of the fuel cell stack 100 is started.

次に、水素の供給を開始し、燃料電池スタック100の燃料室30に残留している酸素(空気)を排出する動作を開始する。水素排出電磁弁27aを開放する(ステップS117)。水素ポンプ25の駆動を開始する(ステップS119)。ステップS117とステップS119によって、燃料電池スタック100の燃料室30から水素を吸引する圧力が発生し、燃料室30内は負圧となる。   Next, supply of hydrogen is started, and an operation for discharging oxygen (air) remaining in the fuel chamber 30 of the fuel cell stack 100 is started. The hydrogen discharge electromagnetic valve 27a is opened (step S117). The driving of the hydrogen pump 25 is started (step S119). By step S117 and step S119, the pressure which attracts | sucks hydrogen from the fuel chamber 30 of the fuel cell stack 100 generate | occur | produces, and the inside of the fuel chamber 30 will become a negative pressure.

次に水素二次圧可変調圧弁(可変レギュレータ)23の設定圧を0.2MPaに設定し(ステップS121)、水素供給電磁弁24を開放する(ステップS123)。この動作によって、負圧になっている燃料室30内に、0.2MPaの水素ガスが供給される。同時に、起動開始前に、燃料室30内に残留していたガス(酸素)は、供給された水素ガスによって押し出され、また水素ポンプ25によって吸い出され、排出される。この状態を0.5秒間維持し(ステップS125)、0.5秒経過後に、燃料電池スタック100から排出されたガスを水素濃度センサS6で検出した検出値に基づき、排出ガスの水素濃度が95%以上であるか判断する(ステップS127)。0.5秒以内に、水素濃度が95%に達しない場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させ(ステップS133)。次のステップS135を実施する。排出ガスの水素濃度が95%以上であれば、燃料室30内は、ほぼ水素ガスで満たされ、ガスの偏在が発生していない、或いは局部電流か発生するほど酸素ガスが残っていないと推測することができる。   Next, the set pressure of the hydrogen secondary pressure controllable pressure valve (variable regulator) 23 is set to 0.2 MPa (step S121), and the hydrogen supply electromagnetic valve 24 is opened (step S123). By this operation, 0.2 MPa of hydrogen gas is supplied into the fuel chamber 30 in a negative pressure. At the same time, the gas (oxygen) remaining in the fuel chamber 30 before starting is pushed out by the supplied hydrogen gas and sucked out by the hydrogen pump 25 and discharged. This state is maintained for 0.5 seconds (step S125), and after 0.5 seconds, the hydrogen concentration of the exhaust gas is 95 based on the detection value obtained by detecting the gas discharged from the fuel cell stack 100 with the hydrogen concentration sensor S6. It is judged whether it is% or more (step S127). If the hydrogen concentration does not reach 95% within 0.5 seconds, the electrode may deteriorate, so the warning lamp is turned on (step S133). The next step S135 is performed. If the hydrogen concentration of the exhaust gas is 95% or more, the fuel chamber 30 is almost filled with hydrogen gas, and it is assumed that there is no uneven distribution of gas, or oxygen gas does not remain enough to generate local current. can do.

酸素濃度センサS5の検出値に基づき、排出ガスの酸素濃度が1%以下であるか判断する(ステップS129)。酸素濃度が1%以上である場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させ(ステップS133)。次のステップS135を実施する。排出ガスの酸素濃度が1%以下であれば、燃料室30内は、酸素ガスがほとんど残っておらず、ガスの偏在が発生していない、或いは局部電流か発生するほど酸素ガスが残っていないと推測することができる。   Based on the detection value of the oxygen concentration sensor S5, it is determined whether the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less (step S129). If the oxygen concentration is 1% or higher, the electrode may be deteriorated, so that a warning lamp is turned on (step S133). The next step S135 is performed. If the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less, there is almost no oxygen gas remaining in the fuel chamber 30, no gas is unevenly distributed, or there is no oxygen gas left to generate a local current. Can be guessed.

酸素濃度が1%以下である場合には、電位検出センサS2の検出値に基づき、全ての単位セル電極の局部電位が1.1V以下であるか判断する(ステップS131)。1つの単位セルであっても、局部電位が1.1Vより大きいものがある場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させ(ステップS133)。次のステップS135を実施する。排出ガスの水素ガス濃度を検出するだけでは、各燃料室毎のガス偏在の程度は判明しないので、各燃料室毎の局部電位を検出することで、ガス偏在の可能性を判定する。   If the oxygen concentration is 1% or less, it is determined whether the local potentials of all the unit cell electrodes are 1.1 V or less based on the detection value of the potential detection sensor S2 (step S131). Even if there is one unit cell having a local potential greater than 1.1 V, the electrode may be deteriorated, so the warning lamp is turned on (step S133). The next step S135 is performed. By detecting only the hydrogen gas concentration of the exhaust gas, the degree of gas uneven distribution for each fuel chamber cannot be determined. Therefore, the possibility of gas uneven distribution is determined by detecting the local potential for each fuel chamber.

ステップS131において、電極の局部電位が1.1V以下であると判断された場合には、排出ガスの水素濃度が95%以上であり、かつ排出ガスの酸素濃度が1%以下であり、かつ全ての電極の局部電位が1.1V以下であることを意味する。この場合には、各燃料室30内がほぼ均一に水素ガスに置換されたことを意味するので、水素二次圧可変調圧弁23の設定圧を、通常運転時の水素供給圧である0.1MPaに設定し(ステップS135)、水素排出電磁弁27aを閉じ(ステップS137)、通常の運転制御ルーチンに移行する。ステップS121及びステップS135によって、制御手段が構成され、この制御手段と、水素二次圧可変調圧弁23によって、圧力調整手段が構成される。   If it is determined in step S131 that the local potential of the electrode is 1.1 V or less, the hydrogen concentration of the exhaust gas is 95% or more, the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less, and all This means that the local potential of the electrode is 1.1V or less. In this case, it means that the inside of each fuel chamber 30 is almost uniformly replaced with hydrogen gas, so the set pressure of the hydrogen secondary pressure variable pressure control valve 23 is set to 0. 0 which is the hydrogen supply pressure during normal operation. The pressure is set to 1 MPa (step S135), the hydrogen discharge electromagnetic valve 27a is closed (step S137), and the routine shifts to a normal operation control routine. Steps S121 and S135 constitute a control means, and the control means and the hydrogen secondary pressure controllable pressure valve 23 constitute a pressure adjusting means.

図16及び図17は、第2実施形態を示すフローチャートである。起動時のイグニッションオンから水素供給電磁弁24を開放するステップまでは、動作が第1実施形態のステップS101〜ステップS123と同様であるので、説明を省略する。
水素供給電磁弁24を開放した後(ステップS223)、水素二次圧可変調圧弁23の設定圧を0.1MPaと0.2MPaとの間で0.1秒の間隔で、設定変更する。この変更により、燃料電池スタック100に供給される水素ガス圧は、短い時間で脈動する。
16 and 17 are flowcharts showing the second embodiment. Since the operation from the ignition ON at the time of startup to the step of opening the hydrogen supply electromagnetic valve 24 is the same as that in steps S101 to S123 of the first embodiment, the description is omitted.
After the hydrogen supply electromagnetic valve 24 is opened (step S223), the setting pressure of the hydrogen secondary pressure adjustable pressure valve 23 is changed between 0.1 MPa and 0.2 MPa at intervals of 0.1 seconds. With this change, the hydrogen gas pressure supplied to the fuel cell stack 100 pulsates in a short time.

この脈動によって、燃料室30やその他の流通路内に形成される水素ガスの流線に変化が生じるので、燃料室30やその他の流通路内での滞留の発生や、相対的に流速の遅くなる部分の発生が抑制され、残留ガスから水素ガスへの置換が均一かつ迅速に進行する。ステップS221及びステップS237によって、制御手段が構成され、この制御手段と、水素二次圧可変調圧弁23によって、圧力調整手段が構成される。   This pulsation changes the flow lines of hydrogen gas formed in the fuel chamber 30 and other flow passages. Therefore, the stagnation occurs in the fuel chamber 30 and other flow passages, and the flow velocity is relatively slow. The generation of this portion is suppressed, and the replacement of residual gas with hydrogen gas proceeds uniformly and rapidly. Steps S221 and S237 constitute a control means, and this control means and the hydrogen secondary pressure controllable pressure valve 23 constitute a pressure adjusting means.

このステップ以降の動作、ステップS227からステップS239の動作は、第1実施形態のステップS125からステップS137までの動作と同じであるので、説明を省略する。   Since the operation after this step, the operation from step S227 to step S239, is the same as the operation from step S125 to step S137 of the first embodiment, description thereof will be omitted.

次に、図18に示されている第3実施形態の燃料電池システムの構成について説明する。このシステムは、図1に示されている第1実施形態のシステムにおいて、水素導出路203の、水素ポンプ25の上流側に、起動時水素排出路206が接続されているものである。起動時水素排出路206の上流側から、順に、起動時水素排出電磁弁27b、起動時消音器28bが設けられている。起動時水素排出電磁弁27bについても、既述の実施形態と同様に、制御部によって開閉制御される。   Next, the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment shown in FIG. 18 will be described. This system is a system according to the first embodiment shown in FIG. 1, in which a startup hydrogen discharge path 206 is connected to the hydrogen outlet path 203 on the upstream side of the hydrogen pump 25. A startup hydrogen discharge solenoid valve 27b and a startup silencer 28b are provided in this order from the upstream side of the startup hydrogen discharge path 206. The start-up hydrogen discharge electromagnetic valve 27b is also controlled to open and close by the control unit, as in the above-described embodiment.

他の構成は、第1実施形態の構成と同様であるので、説明を省略する。この実施形態における起動時の動作は、第1実施形態の動作において、ステップS115の後、起動時水素排出電磁弁27bを開放する。その後は、ステップS121からステップS137までの動作を実行する。起動時水素排出路206は、水素導出路203よりも、横断面積が広く形成されており、排出時に、起動時水素排出路206で圧力損失が発生しにくい構成となっている。   The other configuration is the same as the configuration of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. The startup operation in this embodiment is the same as that of the first embodiment, but after startup, the startup hydrogen discharge electromagnetic valve 27b is opened. Thereafter, the operations from step S121 to step S137 are executed. The start-up hydrogen discharge path 206 has a larger cross-sectional area than the hydrogen lead-out path 203 and is configured such that pressure loss is less likely to occur in the start-up hydrogen discharge path 206 during discharge.

次に、図19に示されている第4実施形態及び第5実施形態の燃料電池システムの構成について説明する。この実施形態の構成は、第1実施形態における水素二次圧可変調圧弁23の位置に、二次圧調圧弁72a(設定値は固定)が設けられている。そして、水素二次圧調圧弁72aに対して、並列に回路が設けられている。その回路は、両端が水素二次圧調圧弁72aの上流側と下流側とに接続された流路71と、流路71において上流側から順に設けられた、起動時水素二次圧調圧弁72bと、起動時水素供給電磁弁73とを備えている。起動時水素二次圧調圧弁72bの設定値は、0.2MPaであり、二次圧調圧弁72aの設定値は、0.1MPaとなっている。即ち、二次圧調圧弁72aの設定値は、通常運転時の水素供給圧であり、起動時水素二次圧調圧弁72bの設定値は、通常運転時の水素供給圧よりも大きく設定されている。起動時水素供給電磁弁73の開閉は、制御部により制御される。他の構成は、第1実施形態の構成と同様なので、説明を省略する。   Next, the structure of the fuel cell system of 4th Embodiment and 5th Embodiment shown by FIG. 19 is demonstrated. In the configuration of this embodiment, a secondary pressure regulating valve 72a (set value is fixed) is provided at the position of the hydrogen secondary pressure adjustable pressure valve 23 in the first embodiment. A circuit is provided in parallel to the hydrogen secondary pressure regulating valve 72a. The circuit has a flow path 71 whose both ends are connected to the upstream side and the downstream side of the hydrogen secondary pressure regulating valve 72a, and a startup hydrogen secondary pressure regulating valve 72b provided in order from the upstream side in the flow path 71. And a start-up hydrogen supply electromagnetic valve 73. The set value of the start-up hydrogen secondary pressure regulating valve 72b is 0.2 MPa, and the set value of the secondary pressure regulating valve 72a is 0.1 MPa. That is, the set value of the secondary pressure regulating valve 72a is the hydrogen supply pressure during normal operation, and the set value of the startup hydrogen secondary pressure regulating valve 72b is set larger than the hydrogen supply pressure during normal operation. Yes. Opening and closing of the hydrogen supply electromagnetic valve 73 at the time of activation is controlled by the control unit. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted.

以上のような構成において、第4実施形態の起動時制御動作は、図20及び図21に示されているフローチャートに示されている。イグニッションオン(ステップS301)から水素ポンプ25をオンする(ステップS319)までの操作は、第1実施形態の動作と同様であるので、説明を省略する。水素ポンプ25をオンした後、起動時水素供給電磁弁73を開放し(ステップS321)、水素供給電磁弁24を開放する(ステップS323)。これによって、水素タンク11から送られる高圧の水素ガスは、設定値の高い起動時水素二次圧調圧弁72bへ流れ込み、水素二次圧は、0.2MPaとなる。この後の動作は、第1実施形態のステップS125〜S133と同様であるので説明を省略する。   In the configuration as described above, the startup control operation of the fourth embodiment is shown in the flowcharts shown in FIGS. The operations from ignition on (step S301) to turning on the hydrogen pump 25 (step S319) are the same as the operations of the first embodiment, and thus description thereof is omitted. After turning on the hydrogen pump 25, the startup hydrogen supply electromagnetic valve 73 is opened (step S321), and the hydrogen supply electromagnetic valve 24 is opened (step S323). As a result, the high-pressure hydrogen gas sent from the hydrogen tank 11 flows into the start-up hydrogen secondary pressure regulating valve 72b having a high set value, and the hydrogen secondary pressure becomes 0.2 MPa. Subsequent operations are the same as steps S125 to S133 of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

排出ガスの水素濃度が95%以上であり、かつ排出ガスの酸素濃度が1%以下であり、かつ全ての電極の局部電位が1.1V以下である場合には、起動時水素供給電磁弁73を閉じる(ステップS335)。これにより、起動時水素二次圧調圧弁72bへの水素ガスの流入は停止し、通常運転時の二次圧に設定されている二次圧調圧弁72aに水素ガスが流入する。その後、水素排出電磁弁27aが閉じられる(ステップS337)。起動時水素供給電磁弁73と、ステップS321及びステップS335によって、切換手段が構成される。   When the hydrogen concentration of the exhaust gas is 95% or more, the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less, and the local potentials of all the electrodes are 1.1 V or less, the hydrogen supply solenoid valve 73 at startup Is closed (step S335). As a result, the inflow of hydrogen gas to the hydrogen secondary pressure regulating valve 72b at the time of startup stops, and the hydrogen gas flows into the secondary pressure regulating valve 72a that is set to the secondary pressure during normal operation. Thereafter, the hydrogen discharge electromagnetic valve 27a is closed (step S337). The start-up hydrogen supply solenoid valve 73 and steps S321 and S335 constitute a switching means.

第5実施形態の起動時制御動作は、図22及び図23に示されているフローチャートに示されている。イグニッションオン(ステップS401)から水素ポンプ25を駆動させる(ステップS419)までの操作は、第1実施形態の動作と同様であるので、説明を省略する。水素ポンプ25のオンの後、起動時水素供給電磁弁73を開放し(ステップS321)、さらに、水素供給電磁弁24を開放する(ステップS323)。   The startup control operation of the fifth embodiment is shown in the flowcharts shown in FIGS. The operations from ignition on (step S401) to driving the hydrogen pump 25 (step S419) are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. After the hydrogen pump 25 is turned on, the startup hydrogen supply electromagnetic valve 73 is opened (step S321), and further, the hydrogen supply electromagnetic valve 24 is opened (step S323).

水素供給電磁弁24の開放の後、起動時水素供給電磁弁73を0.1秒の間隔で、開と閉とに繰り返し切り替える。開の時は、高圧の水素ガスは、設定値の高い起動時水素二次圧調圧弁72bへ流れ込み、水素二次圧は、0.2MPaとなる。閉の時は、高圧の水素ガスは、設定値の低い水素二次圧調圧弁72aへ流れ込み、水素二次圧は、通常運転時の供給圧である0.1MPaとなる。燃料室30へは、0.1秒間隔で、0.2MPaの圧力の水素ガスと、0.1MPaの圧力の水素ガスとが交互に供給されることとなる。このように、水素ガス圧が脈動することによって、燃料室30内でのガス滞留の発生が抑制され、水素ガスへの置換が一層均一かつ迅速に進行する。起動時水素供給電磁弁73と、ステップS421及びステップS437によって、切換手段が構成される。ステップS427〜ステップS439までの動作は、第4実施形態のステップS325〜ステップS337と同様であるので、説明を省略する。   After opening the hydrogen supply electromagnetic valve 24, the startup hydrogen supply electromagnetic valve 73 is repeatedly switched between open and closed at intervals of 0.1 seconds. When opened, the high-pressure hydrogen gas flows into the startup hydrogen secondary pressure regulating valve 72b having a high set value, and the hydrogen secondary pressure becomes 0.2 MPa. When closed, the high-pressure hydrogen gas flows into the hydrogen secondary pressure regulating valve 72a having a low set value, and the hydrogen secondary pressure becomes 0.1 MPa, which is the supply pressure during normal operation. Hydrogen gas having a pressure of 0.2 MPa and hydrogen gas having a pressure of 0.1 MPa are alternately supplied to the fuel chamber 30 at intervals of 0.1 seconds. As described above, the pulsation of the hydrogen gas pressure suppresses the occurrence of gas stagnation in the fuel chamber 30, and the replacement with the hydrogen gas proceeds more uniformly and rapidly. The start-up hydrogen supply solenoid valve 73 and steps S421 and S437 constitute a switching means. Since the operation from step S427 to step S439 is the same as that from step S325 to step S337 in the fourth embodiment, a description thereof will be omitted.

以上のように、燃料室30内に置換ガスが存在している起動時おいて、燃料室30へ、高圧の水素ガスを供給することによって、停止時の停滞している置換ガスに高圧の水素ガスが流入する。これにより、停滞状態から流れる状態に急激に変化することで、置換ガスと水素ガスの混合が起こり、置換ガスと水素ガスの偏在の発生が抑制される。また、高圧で水素ガスが供給されるので、直ちに置換ガスから水素ガスへの入れ替えが完了するので、偏在の発生や、偏在しているガスの間で反応が起こるという時間的な余裕もなく、これによっても局部電流の発生が抑制される。ガス偏在による局部電流の発生は、0.7秒以内、好ましくは、0.5秒以内で水素ガスへの置換が完了させることで、ほぼ抑制することができる。なお、上記のように、供給時間を短くすることによって、水素ガスの無駄も少なくすることができる。   As described above, by supplying high-pressure hydrogen gas to the fuel chamber 30 at the time of start-up when the replacement gas is present in the fuel chamber 30, high-pressure hydrogen is added to the stagnant replacement gas at the time of stoppage. Gas flows in. Thereby, by rapidly changing from the stagnant state to the flowing state, mixing of the replacement gas and hydrogen gas occurs, and the occurrence of uneven distribution of the replacement gas and hydrogen gas is suppressed. In addition, since hydrogen gas is supplied at a high pressure, the replacement from the replacement gas to the hydrogen gas is completed immediately, so there is no time allowance for occurrence of uneven distribution and reaction between the unevenly distributed gas, This also suppresses the generation of local current. Generation of local current due to uneven gas distribution can be substantially suppressed by completing the replacement with hydrogen gas within 0.7 seconds, preferably within 0.5 seconds. As described above, the waste of hydrogen gas can be reduced by shortening the supply time.

さらに、水素ガスの供給圧を変化させることによって、燃料室30内のガス流の流線に変化を生じさせ、この変化によってもガスの滞留が抑制され、より一層、ガスの偏在を発生し難くさせることができる。   Further, by changing the supply pressure of the hydrogen gas, a change occurs in the flow line of the gas flow in the fuel chamber 30. This change also suppresses the retention of the gas and makes it difficult to generate the uneven distribution of gas. Can be made.

燃料電池の起動時か否かをスタートスイッチ(イグニッションキー)のオン・オフ操作に基づき判断することができる。例えば前回スタートスイッチをオフした 時間と今回オンした時間の間隔が設定値以上の場合、燃料電池始動時とし高圧の水素ガスを供給する。他方時間の間隔が設定値以下の場合、通常発電時とするこ とができる。
本明細書は以下の事項を開示する。
(1) 燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記燃料室に対して供給する燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを
備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定することを特徴とする
燃料電池システム。この構成によって、通常運転時の圧力よりも高圧で起動時の燃料ガスが供給されるため、置換ガスとの間でガス偏在が発生することが抑制され、局 部電流の発生による電極の劣化が抑制される。また、燃料ガスの供給時間が短縮され、システム始動までの時間が短縮される。
(2) 前記圧力調整手段は、可変調圧弁と、該可変調圧弁の制御手段とを含む上記(1)に記載の燃料電池システム。この構成によって、燃料ガスの供給圧力を可変調圧弁とその制御手段によって制御し変更する構成とすることで、部品点数が少なく、システム全体の小型化を図ることができる。
(3) 前記燃料電池の起動時に前記燃料ガスを流す流路を備え、前記圧力調整手段は、供給圧が相違する二つの調圧弁と、前記流路に設けられた開閉弁と、該開閉弁を開閉操作する切換手段とを有する上記(1)に記載の燃料電池システム。この構成によって、起動時に用いられる調圧弁と、通常運転時に用いらレル調圧弁を別に設けたので、調圧弁に対する負担を軽減でき、調圧弁の寿命を延ばすことができる。
(4) 前記燃料電池の通常発電時とは、燃料電池が外部負荷と接続されている期間である上記(1)に記載の燃料電池システム。この構成によって、燃料電池が外部負荷に接続されている期間の供給圧を、起動時の供給圧よりも低い圧力としたので、燃料効率を向上させることができる。
(5) 前記燃料電池システムをオン・オフするスタートスイッチを備え、前記燃料電池の始動時とは、前記スタートスイッチがオンされてから所定期間を含む上記(1)に記載の燃料電池システム。この構成によって、燃料電池システムをオン・オフするスタートスイッチを備え、スタートスイッチがオンされてから所定期間内に、燃料ガスの供 給圧を、燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定する圧力調整手段とすることで、スタートスイッチのオンから通常運転開始までの時間を短縮することができる。
(6) 前記燃料電池の始動時とは、前記通常発電時に前記スタートスイッチがオフされてから所定期間経過後に前記スタートスイッチがオンされる場合を含む上記(5)に記載の燃料電池システム。この構成によって、スタートスイッチがオフされた直後は、燃料ガスは均一に燃料室内に存在するため、高圧で燃料ガスを供給する必要性は高くない。スタートスイッチオフから所定期間(ガス偏在が生じうる期間)経過後にスイッチオンされ場合に、供給圧を 高くする。これにより、燃料ガスを効率よく用いことができる。
(7) 燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記燃料室から排出される燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
前記検出された燃料ガス濃度に基づいて、前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定することを特徴とする燃料電池システム。この構成によって、燃料室から排出される燃料ガ スの濃度を検出する燃料ガス濃度センサにより検出された燃料ガス濃度に基づいて、燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整することにより、燃料 ガスの濃度に応じて効率よく燃料ガスを供給することができる。
(8) 前記圧力調整手段は、前記燃料ガス濃度センサにより検出された燃料ガス濃度が所定の燃料ガス濃度よりも高い場合、始動時の供給圧から通常運転時の供給圧に切り替える上記(7)に記載の燃料電池システム。この構成によって、燃料ガス濃度センサにより検出された燃料ガス濃度が所定の燃料ガス濃度よりも高い場合、始動時の供給圧から通常運転時の供給圧に切り替えることにより、燃料ガスの供給過剰を抑制することができる。
(9) 前記所定の燃料ガス濃度は、95重量%である上記(8)に記載の燃料電池システム。この構成によって、所定の燃料ガス濃度が95重量%に達したとき、通常運転時の供給圧に切り替えることにより、燃料ガス供給過剰と、燃料室内のガス偏在を抑制することができる。
(10) 前記燃料室から排出される酸素の濃度を検出する酸素ガス濃度センサをさらに備え、前記圧力調整手段は、前記燃料ガス濃度センサにより検出された 燃料ガス濃度が所定の燃料ガス濃度よりも高く前期酸素濃度センサにより検出された酸素ガス濃度が所定の酸素ガス濃度よりも低い場合、始動時の供給圧から通 常運転時の供給圧に切り替える上記(7)に記載の燃料電池システム。この構成によって、燃料室から排出される酸素の濃度を検出する酸素ガス濃度センサをさらに備え、さらに、検出された酸素ガス濃度が所定の酸 素ガス濃度よりも低い場合に通常運転時の供給圧に切り替えることにより、より一層、燃料ガス供給過剰と、燃料室内のガス偏在を抑制することができる。
(11) 前記所定の燃料ガス濃度は、95重量%であり、前記所定の酸素濃度は、1重量%である上記(10)に記載の燃料電池システム。この構成によって、さらに、酸素濃度が1重量%に下がったとき、通常運転時の供給圧に切り替えることにより、燃料ガス供給過剰と、燃料室内のガス偏在を一層抑制することができる。
(12) 前記燃料電池システムをオン・オフするスタートスイッチと、
燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記スタートスイッチがオフされてからの期間を計測するタイマと、
前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記タイマによって計測された期間が所定の期間より長く、その後前記スタートスイッチがオンされた場合、前記燃料電池セルの発電始動 時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定することを特徴とする燃料電池システム。この構成によって、スタートスイッチのオフから所定期間経過していない場合には、ガス偏在による電極の劣化は生じないと予想されるので、起動時の供給圧をせず、通常発電時の供給圧とする。これにより、燃料ガスの供給過剰を抑制できる。
Whether the fuel cell is activated or not can be determined based on an on / off operation of a start switch (ignition key). For example, if the interval between the time when the start switch was turned off last time and the time when this time the switch was turned on is greater than a set value, high-pressure hydrogen gas is supplied when starting the fuel cell. On the other hand, if the time interval is less than the set value, normal power generation can be assumed.
This specification discloses the following matters.
(1) A fuel cell comprising a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode, an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode ,
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber;
Prepared,
The pressure adjusting means sets the supply pressure of the fuel gas at the time of starting the power generation of the fuel cell higher than the supply pressure of the fuel cell at the time of normal power generation.
Fuel cell system. With this configuration, fuel gas at startup is supplied at a pressure higher than that during normal operation, so that the occurrence of uneven gas distribution with the replacement gas is suppressed, and deterioration of the electrode due to the generation of local current is prevented. It is suppressed. Further, the fuel gas supply time is shortened, and the time until the system is started is shortened.
(2) The fuel cell system according to (1), wherein the pressure adjusting unit includes a modulable pressure valve and a control unit for the tunable pressure valve. With this configuration, the supply pressure of the fuel gas is controlled and changed by the adjustable pressure valve and its control means, so that the number of parts is small and the entire system can be downsized.
(3) Provided with a flow path through which the fuel gas flows when the fuel cell is activated, the pressure adjusting means includes two pressure regulating valves having different supply pressures, an open / close valve provided in the flow path, and the open / close valve The fuel cell system according to (1), further including a switching unit that opens and closes. With this configuration, since the pressure regulating valve used at startup and the real pressure regulating valve used during normal operation are separately provided, the burden on the pressure regulating valve can be reduced and the life of the pressure regulating valve can be extended.
(4) The fuel cell system according to (1), wherein the normal power generation time of the fuel cell is a period in which the fuel cell is connected to an external load. With this configuration, since the supply pressure during the period in which the fuel cell is connected to the external load is set to a pressure lower than the supply pressure at the time of startup, fuel efficiency can be improved.
(5) The fuel cell system according to (1), further including a start switch for turning on / off the fuel cell system, wherein the start time of the fuel cell includes a predetermined period after the start switch is turned on. With this configuration, a start switch for turning on and off the fuel cell system is provided, and within a predetermined period after the start switch is turned on, the supply pressure of the fuel gas is set higher than the supply pressure during normal power generation of the fuel cell. By setting the pressure adjusting means to be set, the time from when the start switch is turned on to the start of normal operation can be shortened.
(6) The fuel cell system according to (5), wherein the time when the fuel cell is started includes a case where the start switch is turned on after a lapse of a predetermined period after the start switch is turned off during the normal power generation. With this configuration, immediately after the start switch is turned off, the fuel gas is uniformly present in the fuel chamber, so that it is not necessary to supply the fuel gas at a high pressure. The supply pressure is increased when the switch is turned on after a lapse of a predetermined period (period in which gas can be unevenly distributed) from the start switch off. Thereby, fuel gas can be used efficiently.
(7) A fuel cell including a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode, an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode ,
A fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber;
Pressure adjusting means for adjusting a supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber based on the detected fuel gas concentration;
The fuel cell system, wherein the pressure adjusting means sets a supply pressure of the fuel gas at the start of power generation of the fuel cell higher than a supply pressure of the fuel cell at the time of normal power generation. With this configuration, the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber is adjusted based on the fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration sensor that detects the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber. Thus, the fuel gas can be efficiently supplied according to the concentration of the fuel gas.
(8) When the fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration sensor is higher than a predetermined fuel gas concentration, the pressure adjusting means switches from the supply pressure at the start to the supply pressure at the normal operation (7) The fuel cell system described in 1. With this configuration, when the fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration sensor is higher than the predetermined fuel gas concentration, the supply pressure during startup is switched to the supply pressure during normal operation, thereby suppressing excessive fuel gas supply. can do.
(9) The fuel cell system according to (8), wherein the predetermined fuel gas concentration is 95% by weight. With this configuration, when the predetermined fuel gas concentration reaches 95% by weight, switching to the supply pressure during normal operation can suppress excessive fuel gas supply and uneven gas distribution in the fuel chamber.
(10) The apparatus further includes an oxygen gas concentration sensor that detects a concentration of oxygen discharged from the fuel chamber, and the pressure adjusting means has a fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration sensor that is higher than a predetermined fuel gas concentration. The fuel cell system according to (7), wherein when the oxygen gas concentration detected by the oxygen concentration sensor is low and lower than a predetermined oxygen gas concentration, the supply pressure at the start is switched to the supply pressure at the normal operation. With this configuration, an oxygen gas concentration sensor for detecting the concentration of oxygen discharged from the fuel chamber is further provided, and further, when the detected oxygen gas concentration is lower than a predetermined oxygen gas concentration, the supply pressure during normal operation is provided. By switching to, excessive fuel gas supply and uneven gas distribution in the fuel chamber can be further suppressed.
(11) The fuel cell system according to (10), wherein the predetermined fuel gas concentration is 95% by weight, and the predetermined oxygen concentration is 1% by weight. With this configuration, when the oxygen concentration falls to 1% by weight, switching to the supply pressure during normal operation can further suppress excessive fuel gas supply and uneven gas distribution in the fuel chamber.
(12) a start switch for turning on and off the fuel cell system;
A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode;
A timer for measuring a period after the start switch is turned off;
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber,
When the period measured by the timer is longer than a predetermined period and the start switch is turned on after that, the pressure adjusting means determines the fuel gas supply pressure at the start of power generation of the fuel battery cell. The fuel cell system is characterized by being set higher than the supply pressure during normal power generation. With this configuration, if a predetermined period has not elapsed since the start switch was turned off, it is expected that the electrode will not deteriorate due to the uneven gas distribution. To do. Thereby, excessive supply of fuel gas can be suppressed.

この発明の燃料電池システム1を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell system 1 of the present invention. 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。It is a whole front view which shows the separator for fuel cells. 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図(A‐A断面図)である。It is a fragmentary sectional top view (AA sectional view) of the fuel cell stack comprised with the fuel cell separator. 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図(B‐B断面図)でである。It is a partial section side view (BB sectional view) of a fuel cell stack constituted with a fuel cell separator. 燃料電池セパレータの部分断面側面図(C‐C断面図)である。It is a partial cross section side view (CC sectional view) of a fuel cell separator. 燃料電池用セパレータの全体背面図である。1 is an overall rear view of a fuel cell separator. 単位セルの断面図である。It is sectional drawing of a unit cell. 燃料電池スタックの部分平面図である。It is a partial top view of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの全体平面図である。1 is an overall plan view of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの部分断面側面図である。It is a partial cross section side view of a fuel cell stack. 水素通路の縦断面を示す燃料電池スタックの部分断面図(D-D断面図)である。It is a fragmentary sectional view (DD sectional view) of a fuel cell stack which shows a longitudinal section of a hydrogen passage. 燃料電池スタックの全体正面図である。1 is an overall front view of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの全体背面図である。1 is an overall rear view of a fuel cell stack. 第1実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control operation at the time of start in 1st Embodiment. 第1実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control operation at the time of start in 1st Embodiment. 第2実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control operation at the time of start in 2nd Embodiment. 第2実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control operation at the time of start in 2nd Embodiment. 第3実施形態の構成を示すシステム図である。It is a system diagram which shows the structure of 3rd Embodiment. 第4、第5実施形態の構成を示すシステム図である。It is a system diagram which shows the structure of 4th, 5th embodiment. 第4実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control operation at the time of starting in 4th Embodiment. 第4実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control operation at the time of starting in 4th Embodiment. 第5実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the starting control action in 5th Embodiment. 第5実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the starting control action in 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
100 燃料電池スタック
13 燃料電池セパレータ
130 ユニット
15 単位セル
17a、17b 水素通路
3 集電部材
30 燃料室
32 柱状凸部
301 水素流路
302 水素流路
4 集電部材
40 空気流路
41 冷却流路
42 凸状部
43 導入口
44 導出口
45 流入開放口
46 流出開放口
8 枠体
9 枠体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 100 Fuel cell stack 13 Fuel cell separator 130 Unit 15 Unit cell 17a, 17b Hydrogen passage 3 Current collection member 30 Fuel chamber 32 Columnar convex part 301 Hydrogen flow path 302 Hydrogen flow path 4 Current collection member 40 Air flow path 41 Cooling channel 42 Convex portion 43 Inlet port 44 Outlet port 45 Inflow opening port 46 Outflow opening port 8 Frame body 9 Frame body

Claims (5)

燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記燃料室に対して供給する燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段と、
前記燃料室から排出される燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
前記燃料室に充填されていた置換ガスと、前記燃料室に供給される燃料ガスとの間で、前記燃料室内での偏在によって電気化学反応が生じる所定時間が経過する以前に、燃料室内の燃料ガス濃度が所定値に達したかを判断する判断手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定し、
前記判断手段が、所定時間以内に所定値に達したと判断した場合には、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode;
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber;
A fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber;
The fuel in the fuel chamber is passed before a predetermined time during which an electrochemical reaction occurs due to the uneven distribution in the fuel chamber between the replacement gas filled in the fuel chamber and the fuel gas supplied to the fuel chamber. Determining means for determining whether the gas concentration has reached a predetermined value ;
The pressure adjusting means sets the supply pressure of the fuel gas at the start of power generation of the fuel battery cell to be higher than the supply pressure at the time of normal power generation of the fuel battery cell ,
The fuel cell system according to claim 1, wherein when the determination unit determines that the predetermined value is reached within a predetermined time, the fuel gas supply pressure is changed to a supply pressure during normal operation .
燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記燃料室から排出される燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
前記燃料室に充填されていた置換ガスと、前記燃料室に供給される燃料ガスとの間で、前記燃料室内での偏在によって電気化学反応が生じる所定時間が経過する以前に、燃料室内の燃料ガス濃度が所定値に達したかを判断する判断手段と、
前記検出された燃料ガス濃度に基づいて、前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定し、
前記判断手段が、所定時間以内に所定値に達したと判断した場合には、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode;
A fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber;
The fuel in the fuel chamber is passed before a predetermined time during which an electrochemical reaction occurs due to the uneven distribution in the fuel chamber between the replacement gas filled in the fuel chamber and the fuel gas supplied to the fuel chamber. A determination means for determining whether the gas concentration has reached a predetermined value;
Pressure adjusting means for adjusting a supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber based on the detected fuel gas concentration;
The pressure adjusting means sets the supply pressure of the fuel gas at the start of power generation of the fuel battery cell to be higher than the supply pressure at the time of normal power generation of the fuel battery cell ,
The fuel cell system according to claim 1, wherein when the determination unit determines that the predetermined value is reached within a predetermined time, the fuel gas supply pressure is changed to a supply pressure during normal operation .
前記燃料室から排出される酸素の濃度を検出する酸素ガス濃度センサをさらに備え、前記圧力調整手段は、前記燃料ガス濃度センサにより検出された燃料ガス濃度 が所定の燃料ガス濃度よりも高く前記酸素濃度センサにより検出された酸素ガス濃度が所定の酸素ガス濃度よりも低い場合、始動時の供給圧から通常運転時の供給圧に切り替える請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 An oxygen gas concentration sensor for detecting the concentration of oxygen discharged from the fuel chamber is further provided, and the pressure adjusting means is configured such that the fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration sensor is higher than a predetermined fuel gas concentration. 3. The fuel cell system according to claim 1 , wherein when the oxygen gas concentration detected by the concentration sensor is lower than a predetermined oxygen gas concentration, the supply pressure at the time of starting is switched to the supply pressure at the time of normal operation. 電極の局部電位を測定する電位検出センサを有し、
前記圧力調整手段は、更に単位セル電極の局部電位が電極が劣化する恐れがある電位よりも小さい場合に、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更する請求項1〜3のいずれか1に記載の燃料電池システム。
Having a potential detection sensor for measuring the local potential of the electrode;
The pressure adjusting means further changes the supply pressure of the fuel gas to a supply pressure during normal operation when the local potential of the unit cell electrode is smaller than a potential at which the electrode may deteriorate. the fuel cell system according to one.
前記燃料電池システムをオン・オフするスタートスイッチと、
燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記スタートスイッチがオフされてからの期間を計測するタイマと、
前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記タイマによって計測された期間が所定の期間より長く、その後前記スタートスイッチがオンされた場合、前記燃料電池セルの発電始動 時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定することを特徴とする燃料電池システム。
A start switch for turning on and off the fuel cell system;
A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode;
A timer for measuring a period after the start switch is turned off;
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber,
When the period measured by the timer is longer than a predetermined period and the start switch is turned on after that, the pressure adjusting means determines the fuel gas supply pressure at the start of power generation of the fuel battery cell. The fuel cell system is characterized by being set higher than the supply pressure during normal power generation.
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