JP2007323993A - Fuel cell system - Google Patents

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Nobuaki Miki
修昭 三木
Kenji Kato
憲二 加藤
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Equos Research Co Ltd
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Equos Research Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To promptly uniformalize temperature of a fuel cell stack without making the whole system large in size and simplifying the system structure by using a plurality of cooling means which correspond to each of a plurality of portions of the fuel cell stack and can adjust cooling capacity mutually independently and controlling the cooling capacity of the cooling means corresponding to the portions where the temperature of the fuel cell stack deviates partially. <P>SOLUTION: The fuel cell system comprises a fuel cell stack in which a fuel cell interposing an electrolyte layer by a fuel electrode and an oxygen electrode is laminated interposing a separator in which a fuel gas passage is formed along the fuel electrode and an air passage is formed along the oxygen electrode, a temperature detector which detects temperature of a plurality of portions of the fuel cell stack, a plurality of cooling means which correspond respectively to the plurality of portions of the fuel cell stack and can adjust cooling capacity mutually independently, and a control means which controls the cooling capacity of the cooling means corresponding to the portions where the temperature of the fuel cell stack deviates partially and uniformalizes the temperature of the fuel cell stack. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、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.

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)が一般的である。   Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. The fuel cell may be of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. Although good, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is common.

この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

ところで、燃料電池の電気化学反応には発熱を伴うため、例えば、燃料電池を多数積層して燃料電池スタックを構成した場合、各部分において温度のばらつきが発生することがある。温度のばらつきが発生すると、温度の上昇した部分の性能が低下し、燃料電池全体の性能が低下したり、寿命が短くなったりしてしまう。そこで、燃料電池から漏れ出た水素ガスを換気するために燃料電池の周囲をケースで覆った燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度に応じて、前記ケースに導入される換気用の空気の流量を調整する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2004−192889号公報
By the way, since the electrochemical reaction of the fuel cell is accompanied by heat generation, for example, when a fuel cell stack is configured by stacking a large number of fuel cells, temperature variations may occur in each part. When temperature variation occurs, the performance of the portion where the temperature has risen is degraded, and the performance of the entire fuel cell is degraded or the life is shortened. Therefore, in a fuel cell system in which the periphery of the fuel cell is covered with a case in order to ventilate the hydrogen gas leaked from the fuel cell, the flow rate of the ventilation air introduced into the case is set according to the temperature of the fuel cell. A technique for adjustment has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
JP 2004-192889 A

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の周囲をケースで覆い、該ケース内に換気用の空気を供給する必要があるので、システム全体が大型化かつ複雑化してしまう。また、前記ケース内全域を流れる換気用の空気の流量を調整するので、燃料電池の局所的な温度の変化に迅速かつ適切に対応することが困難である。   However, in the conventional fuel cell system, since it is necessary to cover the periphery of the fuel cell with a case and supply air for ventilation into the case, the entire system becomes large and complicated. In addition, since the flow rate of the ventilation air flowing through the entire area of the case is adjusted, it is difficult to quickly and appropriately respond to the local temperature change of the fuel cell.

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段を使用し、燃料電池スタックの温度が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整するようにして、システム全体が大型化することなく、システム構造を簡素化することができ、燃料電池スタックの温度を迅速に均一化させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention solves the problems of the conventional fuel cell system, uses a plurality of cooling means respectively corresponding to a plurality of portions of the fuel cell stack and independently adjusting the cooling capacity, and By adjusting the cooling capacity of the cooling means corresponding to the part where the temperature is unevenly distributed, the system structure can be simplified without increasing the size of the entire system, and the temperature of the fuel cell stack can be made uniform quickly. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be used.

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器と、前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、前記燃料電池スタックの温度が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整して前記燃料電池スタックの温度を均一化させる制御手段とを有する。   Therefore, in the fuel cell system of the present invention, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode has a fuel gas flow path formed along the fuel electrode, and an air flow along the oxygen electrode. A fuel cell stack that is stacked with a separator having a path formed therebetween, a temperature detector that detects temperatures of a plurality of portions of the fuel cell stack, and each of the plurality of portions of the fuel cell stack, each independently A plurality of cooling means capable of adjusting the cooling capacity and control means for adjusting the cooling capacity of the cooling means corresponding to the portion where the temperature of the fuel cell stack is unevenly distributed to equalize the temperature of the fuel cell stack. .

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却手段は前記空気流路に空気を供給するファンである。   In another fuel cell system of the present invention, the cooling means is a fan for supplying air to the air flow path.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却手段は前記空気流路に水を供給するノズルであり、前記制御手段は前記燃料電池スタックの温度が高い部分に対応するノズルの給水量を増加させ、温度が低い部分に対応するノズルの給水量を減少させる。   In still another fuel cell system of the present invention, the cooling means is a nozzle for supplying water to the air flow path, and the control means is a water supply for a nozzle corresponding to a portion where the temperature of the fuel cell stack is high. Increase the volume and decrease the water supply of the nozzle corresponding to the low temperature part.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの複数部分の端子電圧を検出する電圧検出器と、前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、前記燃料電池スタックの出力が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整する制御手段とを有する。   In still another fuel cell system of the present invention, a fuel cell having an electrolyte layer sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode has a fuel gas flow path formed along the fuel electrode, and an air flow along the oxygen electrode. A fuel cell stack stacked with a separator having a path formed therein, a voltage detector for detecting a terminal voltage of a plurality of portions of the fuel cell stack, and each of the plurality of portions of the fuel cell stack, and independent of each other A plurality of cooling means capable of adjusting the cooling capacity, and a control means for adjusting the cooling capacity of the cooling means corresponding to the portion where the output of the fuel cell stack is unevenly distributed.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力変化の履歴に応じて、冷却手段の冷却能力を調整する。   In still another fuel cell system of the present invention, the control means further adjusts the cooling capacity of the cooling means in accordance with a history of changes in the output of the fuel cell stack.

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器を有し、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力変化の履歴と温度とから、出力が低い部分の出力低下原因を特定し、冷却手段の冷却能力を調整する。   In still another fuel cell system of the present invention, the fuel cell system further includes a temperature detector that detects temperatures of a plurality of portions of the fuel cell stack, and the control means includes: From the above, the cause of the output decrease in the low output portion is specified, and the cooling capacity of the cooling means is adjusted.

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器と、前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、前記燃料電池スタックの温度が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整して前記燃料電池スタックの温度を均一化させる制御手段とを有する。   According to the present invention, in the fuel cell system, the fuel cell in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode has a fuel gas flow path formed along the fuel electrode, and an air flow along the oxygen electrode. A fuel cell stack that is stacked with a separator having a path formed therebetween, a temperature detector that detects temperatures of a plurality of portions of the fuel cell stack, and each of the plurality of portions of the fuel cell stack, each independently A plurality of cooling means capable of adjusting the cooling capacity and control means for adjusting the cooling capacity of the cooling means corresponding to the portion where the temperature of the fuel cell stack is unevenly distributed to equalize the temperature of the fuel cell stack. .

この場合、燃料電池スタックの温度を迅速に均一化させることができ、水詰まりの発生を防止することができ、燃料電池スタック全体の出力を増加させることができる。   In this case, the temperature of the fuel cell stack can be made uniform quickly, occurrence of water clogging can be prevented, and the output of the entire fuel cell stack can be increased.

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却手段は前記空気流路に空気を供給するファンである。   In another fuel cell system, the cooling means is a fan for supplying air to the air flow path.

この場合、燃料電池スタックの温度の高い部分により多くの空気が供給されるので、空気によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が低下する。また、湿度も上昇して、当該部分の出力が増加する。   In this case, since a large amount of air is supplied to the high temperature portion of the fuel cell stack, the amount of heat taken away by the air increases, and the temperature of the portion decreases. In addition, the humidity increases and the output of the portion increases.

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却手段は前記空気流路に水を供給するノズルであり、前記制御手段は前記燃料電池スタックの温度が高い部分に対応するノズルの給水量を増加させ、温度が低い部分に対応するノズルの給水量を減少させる。   In still another fuel cell system, the cooling means is a nozzle for supplying water to the air flow path, and the control means increases the amount of water supplied to the nozzle corresponding to a portion where the temperature of the fuel cell stack is high. To reduce the amount of water supplied to the nozzle corresponding to the low temperature portion.

この場合、燃料電池スタックの温度の高い部分により多くの水が供給されるので、水によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が低下する。また、湿度も速やかに上昇して、当該部分の出力が増加する。   In this case, since a large amount of water is supplied to the high temperature portion of the fuel cell stack, the amount of heat taken away by the water increases, and the temperature of the portion decreases. Also, the humidity rises quickly and the output of the part increases.

更に他の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの複数部分の端子電圧を検出する電圧検出器と、前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、前記燃料電池スタックの出力が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整する制御手段とを有する。   In still another fuel cell system, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode has a fuel gas flow path formed along the fuel electrode and an air flow path formed along the oxygen electrode. The fuel cell stacks stacked with the separators interposed therebetween, the voltage detector for detecting the terminal voltage of the plurality of portions of the fuel cell stack, and the plurality of portions of the fuel cell stack, respectively, are cooled independently of each other A plurality of cooling means capable of adjusting the capacity, and a control means for adjusting the cooling capacity of the cooling means corresponding to the portion where the output of the fuel cell stack is unevenly distributed.

この場合、温度検出器を使用することなく、燃料電池スタックの温度の偏在を把握することができる。そして、燃料電池スタックの温度を迅速に均一化させることができ、水詰まりの発生を防止することができ、燃料電池スタック全体の出力を増加させることができる。   In this case, the uneven distribution of the temperature of the fuel cell stack can be grasped without using a temperature detector. And the temperature of a fuel cell stack can be equalized rapidly, generation | occurrence | production of water clogging can be prevented, and the output of the whole fuel cell stack can be increased.

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力変化の履歴に応じて、冷却手段の冷却能力を調整する。   In still another fuel cell system, the control means further adjusts the cooling capacity of the cooling means in accordance with the history of changes in the output of the fuel cell stack.

この場合、燃料電池スタックにおいて温度が高く乾燥している部分を適確に把握して、当該部分の温度を低下させ、湿度を上昇させて、当該部分の出力を増加させることができる。   In this case, it is possible to accurately grasp a portion where the temperature is high and dry in the fuel cell stack, lower the temperature of the portion, increase the humidity, and increase the output of the portion.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す三面図である。なお、図1(a)は側面図、図1(b)は上面図、図1(c)は正面図である。   FIG. 1 is a three-side view showing the configuration of a fuel cell system in an embodiment of the present invention. 1A is a side view, FIG. 1B is a top view, and FIG. 1C is a front view.

図において、11は複数の燃料電池セル(FC)から構成される燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック11と、バッテリ、キャパシタ等から成る蓄電手段とを併用して使用することが望ましい。   In the figure, reference numeral 11 denotes a fuel cell stack composed of a plurality of fuel battery cells (FC), which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. Here, the vehicle is equipped with a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as lighting devices, radios, and power windows, which are used even when the vehicle is stopped. Since the output range is extremely wide, it is desirable to use the fuel cell stack 11 as a power source in combination with the power storage means including a battery, a capacitor and the like.

そして、燃料電池スタック11は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。   The fuel cell stack 11 may be of an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but is preferably a solid polymer type fuel cell. .

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。   More preferably, PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) using hydrogen gas as fuel gas, that is, anode gas, and oxygen or air as oxidant, that is, cathode gas. ) Type fuel cell. Here, the PEM fuel cell is generally a fuel cell in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer that transmits ions such as protons. Are composed of a plurality of stacks connected in series.

本実施の形態において、燃料電池スタック11は、燃料電池としての単位セル(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路とカソードガスとしての空気の流路とを分離するセパレータとを1セットとして、板厚方向に複数のセットを積層して構成されている。   In the present embodiment, the fuel cell stack 11 is a unit cell (MEA: MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY) as a fuel cell and the unit cells are electrically connected to each other and introduced into the unit cell as an anode gas. The separator for separating the hydrogen gas flow path and the air flow path as the cathode gas is set as one set, and a plurality of sets are stacked in the thickness direction.

そして、単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜の一側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極及び燃料極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流が透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、水素ガスが透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。   The unit cell includes an air electrode as an oxygen electrode provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer and a fuel electrode provided on the other side. The air electrode and the fuel electrode include an electrode diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and a catalyst layer formed on the electrode diffusion layer and supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane. Consists of. In addition, the current collector in contact with the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell and the air electrode side collector as a net-like current collector formed with a large number of openings through which a mixed flow of air and water is transmitted; And a current collector in contact with the electrode diffusion layer on the fuel electrode side of the unit cell, and a fuel electrode side collector as a net-like current collector having a large number of openings through which hydrogen gas permeates.

前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、セパレータの燃料極側に形成された水素ガス流路としての燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。   In the unit cell, water moves. In this case, when fuel gas, that is, hydrogen gas as anode gas, is supplied into a fuel chamber as a hydrogen gas flow path formed on the fuel electrode side of the separator, hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons, Permeates the solid polymer electrolyte membrane with proton-entrained water. Further, when the air electrode is used as a cathode electrode and an oxidant, that is, air as a cathode gas, is supplied into an oxygen chamber as an air flow path, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to form water. Is generated. Moisture permeates through the solid polymer electrolyte membrane as reverse diffusion water and moves into the fuel chamber. Here, the reverse diffusion water means that water generated in the oxygen chamber diffuses into the solid polymer electrolyte membrane and permeates into the fuel chamber through the solid polymer electrolyte membrane in the direction opposite to the hydrogen ions. It is a thing.

そして、燃料電池スタック11には、図示されない燃料供給システムによって、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック11に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック11は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。   The fuel cell stack 11 is supplied with hydrogen gas as a fuel gas by a fuel supply system (not shown). Although hydrogen gas, which is fuel taken out by reforming methanol, gasoline, or the like by the reformer, can be directly supplied to the fuel cell stack 11, a sufficient amount can be stably provided even during high-load operation of the vehicle. In order to be able to supply hydrogen gas, it is desirable to supply hydrogen gas stored in the fuel storage means. Thereby, the hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell stack 11 can follow the fluctuation of the load of the vehicle and supply a necessary current. .

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段から、燃料供給管路を通って、燃料電池スタック11の燃料ガス流路の入口に供給される。この場合、前記燃料貯蔵手段は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。そして、前記燃料供給管路には、燃料供給開閉弁、圧力センサ、燃料圧力調整弁等が配設される。   Hydrogen gas is supplied from a fuel storage means such as a container containing a hydrogen storage alloy, a container containing a hydrogen storage liquid such as decalin, a hydrogen gas cylinder, etc., through a fuel supply line, and a fuel gas flow path of the fuel cell stack 11. Supplied to the entrance. In this case, the fuel storage means has a sufficiently large capacity and always has a capability of supplying hydrogen gas at a sufficiently high pressure. A fuel supply on / off valve, a pressure sensor, a fuel pressure adjustment valve, and the like are disposed in the fuel supply line.

また、燃料電池スタック11の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路を通って燃料電池スタック11外に排出される。前記燃料排出管路には、回収容器としての水回収ドレインタンクが配設されている。そして、該水回収ドレインタンクには水と分離された水素ガスを排出する燃料排出管路が接続され、該燃料排出管路における水回収ドレインタンクと反対側の端部が燃料供給管路に接続されていることが望ましい。これにより、燃料電池スタック11外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック11の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。   Further, hydrogen gas discharged as an unreacted component from the outlet of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11 is discharged out of the fuel cell stack 11 through the fuel discharge pipe. A water recovery drain tank as a recovery container is disposed in the fuel discharge pipe. The water recovery drain tank is connected to a fuel discharge pipe for discharging hydrogen gas separated from water, and the end of the fuel discharge pipe opposite to the water recovery drain tank is connected to the fuel supply pipe. It is desirable that Thereby, the hydrogen gas discharged out of the fuel cell stack 11 can be recovered, supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11 and reused.

また、前記水回収ドレインタンクには、起動用燃料排出管路が接続され、燃料電池スタック11の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、前記燃料排出管路及び起動用燃料排出管路には電磁開閉弁等が配設され、燃料電池スタック11外に排出された水素ガスの流れを制御することができるようになっている。また、前記燃料排出管路の途中には、必要に応じて吸引循環ポンプ等を配設し、燃料電池スタック11の燃料ガス流路の出口から排出される水素ガスを強制的に吸引して燃料ガス流路内を負圧の状態にしたり、排出された水素ガスを循環させたりするようにしてもよい。   The water recovery drain tank is connected to a starting fuel discharge pipe, and hydrogen gas discharged from the fuel gas flow path when the fuel cell stack 11 is started can be discharged into the atmosphere. Yes. In addition, an electromagnetic on-off valve or the like is provided in the fuel discharge line and the start fuel discharge line so that the flow of hydrogen gas discharged out of the fuel cell stack 11 can be controlled. In addition, a suction circulation pump or the like is provided in the middle of the fuel discharge pipe, and the hydrogen gas discharged from the outlet of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11 is forcibly sucked into the fuel. The inside of the gas flow path may be in a negative pressure state or the discharged hydrogen gas may be circulated.

一方、酸化剤としての空気は、図示されないエアフィルタを通って、酸化剤供給源としてのファン22に吸引され、燃料電池スタック11の上側、すなわち、酸化剤入口側としての空気入口側に取り付けられた空気供給室12内に供給される。該空気供給室12は、図示される例においては矩(く)形の断面形状を備える筒状体であるが、燃料電池スタック11の空気入口側面と同等の形状及び面積の断面を備えるものであれば、いかなる形状のものであってもよい。   On the other hand, the air as the oxidant passes through an air filter (not shown) and is sucked into the fan 22 as the oxidant supply source, and is attached to the upper side of the fuel cell stack 11, that is, the air inlet side as the oxidant inlet side. The air is supplied into the air supply chamber 12. The air supply chamber 12 is a cylindrical body having a rectangular cross section in the illustrated example, but has a cross section having the same shape and area as the air inlet side surface of the fuel cell stack 11. Any shape can be used.

本実施の形態において、前記ファン22は複数であり、燃料電池スタック11の空気入口側面に対向するように配設され、各ファン22は、対向する燃料電池スタック11の各部分に空気を供給するようになっている。図示される例において、ファン22は15個であり、等間隔に配置され、燃料電池スタック11における各ファン22に対応する部分に、それぞれ、空気を供給する。そして、前記ファン22によって供給された空気は、燃料電池スタック11の酸素室、すなわち、空気流路に供給され、酸化剤として機能する。また、前記ファン22によって供給された空気は、燃料電池スタック11を冷却する機能も備える。すなわち、前記ファン22の各々は、空気を供給することによって、燃料電池スタック11の対応する部分を冷却する冷却手段としても機能する。   In the present embodiment, there are a plurality of the fans 22, which are arranged so as to face the air inlet side surface of the fuel cell stack 11, and each fan 22 supplies air to each part of the opposed fuel cell stack 11. It is like that. In the illustrated example, there are fifteen fans 22, which are arranged at equal intervals, and supply air to portions corresponding to each fan 22 in the fuel cell stack 11, respectively. The air supplied by the fan 22 is supplied to the oxygen chamber of the fuel cell stack 11, that is, the air flow path, and functions as an oxidant. The air supplied by the fan 22 also has a function of cooling the fuel cell stack 11. That is, each of the fans 22 also functions as a cooling unit that cools a corresponding portion of the fuel cell stack 11 by supplying air.

また、前記空気供給室12には、複数のノズル23が燃料電池スタック11の空気入口側面に対向するように配設され、各ノズル23は、対向する燃料電池スタック11の各部分に水を供給するようになっている。なお、前記ノズル23には、図示されない水供給ポンプによって、水タンクに貯留された水が供給される。燃料電池スタック11の空気流路に供給される空気中に前記ノズル23から水をスプレーして供給することによって、燃料電池スタック11の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持することができる。図示される例において、ノズル23は、8個であってファン22の間に等間隔に配置され、燃料電池スタック11における各ノズル23に対応する部分に、それぞれ、水を供給する。また、前記ノズル23によって供給された水は、燃料電池スタック11を冷却する機能も備える。すなわち、前記ノズル23の各々は、水を供給することによって、燃料電池スタック11の対応する部分を冷却する冷却手段としても機能する。   A plurality of nozzles 23 are disposed in the air supply chamber 12 so as to face the air inlet side surface of the fuel cell stack 11, and each nozzle 23 supplies water to each part of the opposed fuel cell stack 11. It is supposed to be. The nozzle 23 is supplied with water stored in a water tank by a water supply pump (not shown). By spraying and supplying water from the nozzle 23 into the air supplied to the air flow path of the fuel cell stack 11, the air electrode as the oxygen electrode of the fuel cell stack 11 can be maintained in a wet state. . In the illustrated example, eight nozzles 23 are arranged at equal intervals between the fans 22, and water is supplied to portions corresponding to the respective nozzles 23 in the fuel cell stack 11. The water supplied by the nozzle 23 also has a function of cooling the fuel cell stack 11. That is, each of the nozzles 23 also functions as a cooling unit that cools a corresponding portion of the fuel cell stack 11 by supplying water.

そして、燃料電池スタック11の空気流路から排出される空気は、燃料電池スタック11の下側、すなわち、酸化剤出口側としての空気出口側に取り付けられた空気排出室13内に排出され、さらに、該空気排出室13に接続された接続ダクト14及び排気ダクト15を通って、大気中に排出される。なお、排気ダクト15に凝縮器を配設し、燃料電池スタック11から排出された空気を冷却して凝縮した水分を分離、回収することが望ましい。回収された水分を水タンクに戻し、該水タンクに接続された水供給管路を介して、再度、ノズル23から水をスプレーすることによって、水分を有効に再利用することができ、水タンクを小型化することができる。   The air discharged from the air flow path of the fuel cell stack 11 is discharged into the air discharge chamber 13 attached to the lower side of the fuel cell stack 11, that is, the air outlet side as the oxidant outlet side. The air is discharged into the atmosphere through the connection duct 14 and the exhaust duct 15 connected to the air discharge chamber 13. It is desirable that a condenser is provided in the exhaust duct 15 to cool and separate the recovered moisture by cooling the air discharged from the fuel cell stack 11. The recovered water is returned to the water tank, and the water can be effectively reused by spraying water from the nozzle 23 again through the water supply pipe connected to the water tank. Can be miniaturized.

前記空気排出室13は、図示される例においては矩形の断面形状を備える筒状体であるが、燃料電池スタック11の空気出口側面と同等の形状及び面積の断面を備えるものであることが望まし。そして、前記空気排出室13には、複数の温度検出器21が燃料電池スタック11の空気出口側面に対向するように配設され、各温度検出器21は、対向する燃料電池スタック11の空気流路から排出される空気の温度を検出する。図示される例において、温度検出器21は、15個であって等間隔に前記ファン22と同様に配置され、燃料電池スタック11における各ファン22に対応する部分から排出される空気の温度を検出する。これにより、各温度検出器21は、燃料電池スタック11の対応する各部分の温度を検出することができる。   The air discharge chamber 13 is a cylindrical body having a rectangular cross-sectional shape in the illustrated example, but is preferably provided with a cross-section having the same shape and area as the air outlet side surface of the fuel cell stack 11. Better. In the air discharge chamber 13, a plurality of temperature detectors 21 are disposed so as to face the air outlet side surface of the fuel cell stack 11, and each temperature detector 21 has an air flow of the opposed fuel cell stack 11. The temperature of the air exhausted from the road is detected. In the illustrated example, there are 15 temperature detectors 21 arranged at equal intervals in the same manner as the fans 22, and detect the temperature of the air discharged from the portion corresponding to each fan 22 in the fuel cell stack 11. To do. Thereby, each temperature detector 21 can detect the temperature of each corresponding part of the fuel cell stack 11.

なお、前記ファン22、ノズル23及び温度検出器21の数及び配置の態様は、任意に設定することができる。   In addition, the number of the said fan 22, the nozzle 23, and the temperature detector 21 and the aspect of arrangement | positioning can be set arbitrarily.

本実施の形態において、各ファン22の動作は各々独立して制御することができ、各ファン22の風量を独立して調整し、燃料電池スタック11の対応する部分を冷却する能力を調整することができる。これにより、燃料電池スタック11の所望の部分の温度を調整することができる。同様に、各ノズル23の動作も各々独立して制御することができ、各ノズル23の給水量を独立して調整し、燃料電池スタック11の対応する部分を冷却する能力を調整することができる。これにより、燃料電池スタック11の所望の部分の温度を調整することができる。さらに、燃料電池スタック11の燃料ガス流路に供給される水素ガスの量を調整することによって、燃料電池スタック11を冷却する能力を調整することができる。この場合、燃料供給管路に配設された燃料供給開閉弁や燃料圧力調整弁、燃料排出管路及び起動用燃料排出管路に配設された電磁開閉弁、吸引循環ポンプ等が燃料ガス供給量調整手段として機能する。   In the present embodiment, the operation of each fan 22 can be controlled independently, the air volume of each fan 22 can be adjusted independently, and the ability to cool the corresponding part of the fuel cell stack 11 can be adjusted. Can do. Thereby, the temperature of the desired part of the fuel cell stack 11 can be adjusted. Similarly, the operation of each nozzle 23 can also be controlled independently, the water supply amount of each nozzle 23 can be adjusted independently, and the ability to cool the corresponding part of the fuel cell stack 11 can be adjusted. . Thereby, the temperature of the desired part of the fuel cell stack 11 can be adjusted. Furthermore, the ability to cool the fuel cell stack 11 can be adjusted by adjusting the amount of hydrogen gas supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11. In this case, a fuel gas supply / opening valve, a fuel pressure regulating valve, an electromagnetic on / off valve, a suction circulation pump, etc. provided in the fuel discharge line and the starting fuel discharge line are supplied with the fuel gas. It functions as a quantity adjusting means.

また、燃料電池スタック11の複数の単位セルに、図示されない電圧検出器を取り付けることによって、燃料電池スタック11の各部分における端子電圧、すなわち、単位セルの起電力である単セル電圧を検出することができる。通常、単位セルの温度が上昇するとセル電圧が低下するので、前記電圧検出器によって検出された電圧により、燃料電池スタック11の各部分における温度の変化を把握することができる。   Further, by attaching a voltage detector (not shown) to a plurality of unit cells of the fuel cell stack 11, a terminal voltage in each part of the fuel cell stack 11, that is, a single cell voltage that is an electromotive force of the unit cell is detected. Can do. Usually, when the temperature of the unit cell rises, the cell voltage decreases. Therefore, the temperature change in each part of the fuel cell stack 11 can be grasped by the voltage detected by the voltage detector.

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、CPU、MPU等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、温度検出器21、圧力センサ、電圧検出器、その他のセンサから燃料電池スタック11に供給される水素、空気、水等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記ファン22、ノズル23、燃料供給開閉弁、燃料圧力調整弁、電磁開閉弁、吸引循環ポンプ、水供給ポンプ等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御手段と連携して、燃料電池システムの動作を統括的に制御する。   In the present embodiment, the fuel cell system has control means (not shown). The control means includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and is supplied to the fuel cell stack 11 from a temperature detector 21, a pressure sensor, a voltage detector, and other sensors. Detecting the flow rate, temperature, output voltage, etc. of hydrogen, air, water, etc., such as the fan 22, nozzle 23, fuel supply on / off valve, fuel pressure regulating valve, electromagnetic on / off valve, suction circulation pump, water supply pump, etc. Control the behavior. Furthermore, the control means controls the operation of the fuel cell system in an integrated manner in cooperation with other sensors and other control means.

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described.

図2は本発明の実施の形態における燃料電池の性能と温度及び湿度との関係を示すグラフ、図3は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの一部分の性能が低下した場合の単セル電圧の変化を示すグラフである。   FIG. 2 is a graph showing the relationship between fuel cell performance and temperature and humidity in the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a single cell voltage when the performance of a part of the fuel cell stack in the embodiment of the present invention is degraded. It is a graph which shows the change of.

固体高分子型燃料電池の出力は、温度及び湿度に影響される。図2は、本発明の発明者が実験を行い、燃料電池の性能と温度及び湿度との関係をプロットして得られたグラフであり、曲面Aが前記燃料電池の性能が温度及び湿度によって変化する様子を示している。なお、図2において、縦軸は単位面積当たりの電流が1.0〔A〕である場合の電圧〔V〕を示す軸、横軸は温度〔℃〕及び湿度〔%RH〕を各々示す軸である。   The output of the polymer electrolyte fuel cell is affected by temperature and humidity. FIG. 2 is a graph obtained by plotting the relationship between fuel cell performance and temperature and humidity through experiments conducted by the inventor of the present invention. Curved surface A shows the performance of the fuel cell varying with temperature and humidity. It shows how to do. In FIG. 2, the vertical axis represents the voltage [V] when the current per unit area is 1.0 [A], and the horizontal axis represents the temperature [° C.] and the humidity [% RH]. It is.

そして、図2から、温度が上昇し、かつ、湿度が低下すると燃料電池の性能が最も低下することが分かる。一般的な燃料電池の運転状況では、温度が上昇すると固体高分子電解質膜の空気極及び燃料極の水分が蒸発して湿度が低下する。そこで、本実施の形態においては、温度検出器21によって検出した燃料電池の温度のみに着目して燃料電池の性能の低下を把握する場合についてのみ説明する。   FIG. 2 shows that the performance of the fuel cell is most deteriorated when the temperature rises and the humidity decreases. In general fuel cell operating conditions, when the temperature rises, the moisture in the air electrode and the fuel electrode of the solid polymer electrolyte membrane evaporates and the humidity decreases. Therefore, in the present embodiment, only the case where the decrease in the performance of the fuel cell is grasped by focusing only on the temperature of the fuel cell detected by the temperature detector 21 will be described.

また、微細に観ると、固体高分子電解質膜の空気極側と燃料極側とでは温度が相違する可能性があるが、燃料電池における電池反応は、空気極側において起きるので、空気極側の温度に着目して空気極側の温度を調節するほうが望ましい。そこで、本実施の形態においては、固体高分子電解質膜の空気極側に形成されている空気流路から排出された空気の温度を温度検出器21によって検出することにより、燃料電池スタック11の各部分の温度として把握する。また、各ファン22の風量及び各ノズル23の給水量を調整することによって、主として、燃料電池スタック11の各部分における固体高分子電解質膜の空気極側の温度を調整する。   Also, when viewed in detail, the temperature may be different between the air electrode side and the fuel electrode side of the solid polymer electrolyte membrane, but since the cell reaction in the fuel cell occurs on the air electrode side, It is desirable to adjust the temperature on the air electrode side by paying attention to the temperature. Therefore, in the present embodiment, each temperature of the fuel cell stack 11 is detected by detecting the temperature of the air discharged from the air flow path formed on the air electrode side of the solid polymer electrolyte membrane with the temperature detector 21. Grasp as the temperature of the part. Further, by adjusting the air volume of each fan 22 and the water supply amount of each nozzle 23, the temperature on the air electrode side of the solid polymer electrolyte membrane in each part of the fuel cell stack 11 is mainly adjusted.

まず、燃料電池システムにおける定常運転時には、制御手段は、各温度検出器21からの出力信号に基づいて、検出された燃料電池スタック11の各部分の温度を監視する。そして、温度が偏在していることを把握すると、すなわち、燃料電池スタック11のいずれかの部分の温度が他の部分よりも高くなっているか、又は、低くなっていることを把握すると、当該部分に対応するファン22及び/又はノズル23の動作を制御して、その冷却能力を調整し、当該部分の温度を他の部分の温度と同等にさせる。すなわち、燃料電池スタック11の温度を均一化させる。   First, at the time of steady operation in the fuel cell system, the control means monitors the detected temperature of each part of the fuel cell stack 11 based on the output signal from each temperature detector 21. Then, when grasping that the temperature is unevenly distributed, that is, grasping that the temperature of any part of the fuel cell stack 11 is higher or lower than the other part, the relevant part The operation of the fan 22 and / or the nozzle 23 corresponding to the above is controlled to adjust the cooling capacity, and the temperature of the part is made equal to the temperature of the other part. That is, the temperature of the fuel cell stack 11 is made uniform.

なお、前述のように、燃料電池の温度が低い場合の性能低下よりも温度が高い場合の性能低下の方が大きいので、ここでは、燃料電池スタック11のいずれかの部分の温度が他の部分よりも高い場合の動作についてのみ説明する。   As described above, since the performance degradation when the temperature is high is larger than the performance degradation when the temperature of the fuel cell is low, the temperature of any part of the fuel cell stack 11 is the other part here. Only the operation in the case of higher than that will be described.

そして、燃料電池スタック11のいずれかの部分の温度が他の部分よりも高くなっていると、制御手段は、当該部分に対応するファン22の風量を増加させる。これにより、燃料電池スタック11の温度の高い部分における空気流路により多くの空気が供給されるので、空気によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も上昇して、当該部分の出力が増加する。そして、当該部分に対応する温度検出器21によって検出された温度が他の部分の温度と同等になると、前記ファン22の風量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック11の温度を均一化させ、燃料電池スタック11全体の出力を増加させることができる。   When the temperature of any part of the fuel cell stack 11 is higher than the other part, the control means increases the air volume of the fan 22 corresponding to the part. Thereby, since more air is supplied to the air flow path in the high temperature part of the fuel cell stack 11, the amount of heat taken away by the air increases, and the temperature of the part decreases. Further, the humidity of the solid polymer electrolyte membrane also increases, and the output of the portion increases. When the temperature detected by the temperature detector 21 corresponding to the part becomes equal to the temperature of the other part, the air volume of the fan 22 is returned to normal. In this way, the temperature of the fuel cell stack 11 can be made uniform, and the output of the entire fuel cell stack 11 can be increased.

同様に、燃料電池スタック11のいずれかの部分の温度が他の部分よりも高くなっている場合、制御手段は、当該部分に対応するノズル23の給水量を増加させることもできる。これにより、燃料電池スタック11の温度の高い部分における空気流路により多くの水が供給されるので、水によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も速やかに上昇して、当該部分の出力が増加する。そして、当該部分に対応する温度検出器21によって検出された温度が他の部分の温度と同等になると、前記ノズル23の給水量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック11の温度を均一化させ、燃料電池スタック11全体の出力を増加させることができる。   Similarly, when the temperature of any part of the fuel cell stack 11 is higher than the other part, the control means can also increase the amount of water supplied to the nozzle 23 corresponding to that part. As a result, a large amount of water is supplied to the air flow path in the portion where the temperature of the fuel cell stack 11 is high, so that the amount of heat taken away by the water increases and the temperature of the portion decreases. In addition, the humidity of the solid polymer electrolyte membrane also rises quickly, and the output of the portion increases. And if the temperature detected by the temperature detector 21 corresponding to the said part becomes equivalent to the temperature of another part, the water supply amount of the said nozzle 23 will be returned to normal. In this way, the temperature of the fuel cell stack 11 can be made uniform, and the output of the entire fuel cell stack 11 can be increased.

さらに、燃料電池スタック11のいずれかの部分の温度が他の部分よりも高くなっている場合、制御手段は、当該部分に対応するファン22の風量を増加させるとともに、ノズル23の給水量も増加させることもできる。これにより、燃料電池スタック11の温度の高い部分における空気流路により多くの空気及び水が供給されるので、該空気及び水によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が速やかに低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も速やかに上昇して、当該部分の出力が増加する。そして、当該部分に対応する温度検出器21によって検出された温度が他の部分の温度と同等になると、前記ファン22の風量及びノズル23の給水量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック11の温度を速やかに均一化させ、燃料電池スタック11全体の出力を増加させることができる。   Furthermore, when the temperature of any part of the fuel cell stack 11 is higher than the other parts, the control unit increases the air volume of the fan 22 corresponding to the part and also increases the water supply amount of the nozzle 23. It can also be made. Thereby, since more air and water are supplied to the air flow path in the high temperature part of the fuel cell stack 11, the amount of heat taken away by the air and water increases, and the temperature of the part rapidly decreases. In addition, the humidity of the solid polymer electrolyte membrane also rises quickly, and the output of the portion increases. When the temperature detected by the temperature detector 21 corresponding to the part becomes equal to the temperature of the other part, the air volume of the fan 22 and the water supply amount of the nozzle 23 are returned to normal. In this way, the temperature of the fuel cell stack 11 can be made uniform quickly, and the output of the entire fuel cell stack 11 can be increased.

なお、燃料電池スタック11の温度の低い部分においては、空気流路において生成された水、すなわち、生成水が凝縮していることが考えられる。そこで、ノズル23の給水量を調整して燃料電池スタック11の温度を均一化させる場合には、温度が他の部分よりも低くなっている部分に対応するノズル23の給水量を減少させることが望ましい。これにより、温度の低い部分における水詰まりの発生を防止することができる。   In addition, in the part with the low temperature of the fuel cell stack 11, it is possible that the water produced | generated in the air flow path, ie, produced water, has condensed. Therefore, when the water supply amount of the nozzle 23 is adjusted to make the temperature of the fuel cell stack 11 uniform, the water supply amount of the nozzle 23 corresponding to the portion where the temperature is lower than the other portions may be reduced. desirable. Thereby, the occurrence of water clogging at a low temperature portion can be prevented.

前述のように、温度が上昇すると燃料電池の性能が低下するのであるから、電圧検出器によって検出された電圧により、燃料電池スタック11の温度が偏在していることに起因して出力が偏在していることを把握することができる。この場合、温度検出器21を省略して、コストを低減することができる。   As described above, when the temperature rises, the performance of the fuel cell deteriorates. Therefore, the output is unevenly distributed due to the uneven distribution of the temperature of the fuel cell stack 11 due to the voltage detected by the voltage detector. I can grasp that. In this case, the cost can be reduced by omitting the temperature detector 21.

図3は、本発明の発明者が実験を行い、燃料電池の一部分の温度が上昇した場合の各単セル電圧の変化をプロットして得られたグラフである。温度が上昇した部分の単セル電圧が他の部分の単セル電圧よりも低下していることが分かる。なお、燃料電池の出力が低下する原因として、温度が高くなり、電解質膜が乾燥したこと、もしくは、生成水がガス流露を塞いだことが考えられるが、ここでは、燃料電池スタック11のいずれかの部分で温度が上昇したことを原因として出力が低下した場合の動作についてのみ説明する。   FIG. 3 is a graph obtained by plotting the change of each single cell voltage when the inventor of the present invention conducts an experiment and the temperature of a part of the fuel cell rises. It can be seen that the single cell voltage at the portion where the temperature has increased is lower than the single cell voltage at the other portion. In addition, it is considered that the output of the fuel cell is decreased because the temperature is increased and the electrolyte membrane is dried, or the generated water blocks the gas dew. Only the operation in the case where the output is reduced due to the temperature rise in the part will be described.

この場合、燃料電池スタック11のいずれかの部分の端子電圧が低下すると、制御手段は、当該部分に対応するファン22の風量を増加させる。これにより、燃料電池スタック11の温度の高い部分における空気流路により多くの空気が供給されるので、空気によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も上昇して、当該部分の出力が増加し、端子電圧が上昇する。そして、当該部分に対応する電圧検出器によって端子電圧が他の部分の端子電圧と同等になると、前記ファン22の風量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック11の温度を均一化させ、燃料電池スタック11全体の出力を増加させることができる。   In this case, when the terminal voltage of any part of the fuel cell stack 11 decreases, the control means increases the air volume of the fan 22 corresponding to the part. Thereby, since more air is supplied to the air flow path in the high temperature part of the fuel cell stack 11, the amount of heat taken away by the air increases, and the temperature of the part decreases. In addition, the humidity of the solid polymer electrolyte membrane also increases, the output of the portion increases, and the terminal voltage increases. When the terminal voltage becomes equal to the terminal voltage of the other part by the voltage detector corresponding to the part, the air volume of the fan 22 is returned to normal. In this way, the temperature of the fuel cell stack 11 can be made uniform, and the output of the entire fuel cell stack 11 can be increased.

同様に、燃料電池スタック11のいずれかの部分の端子電圧が低くなっている場合、制御手段は、当該部分に対応するノズル23の給水量を増加させることもできる。これにより、燃料電池スタック11の温度の高い部分における空気流路により多くの水が供給されるので、水によって奪われる熱量が増加して当該部分の温度が低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も上昇して、当該部分の出力が増加し、端子電圧が上昇する。そして、当該部分に対応する電圧検出器によって端子電圧が他の部分の端子電圧と同等になると、前記ノズル23の給水量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック11の温度を均一化させ、燃料電池スタック11全体の出力を増加させることができる。   Similarly, when the terminal voltage of any part of the fuel cell stack 11 is low, the control means can also increase the water supply amount of the nozzle 23 corresponding to the part. As a result, a large amount of water is supplied to the air flow path in the portion where the temperature of the fuel cell stack 11 is high, so the amount of heat taken away by the water increases and the temperature of the portion decreases. In addition, the humidity of the solid polymer electrolyte membrane also increases, the output of the portion increases, and the terminal voltage increases. And if the terminal voltage becomes equivalent to the terminal voltage of another part by the voltage detector corresponding to the said part, the water supply amount of the said nozzle 23 will be returned to normal. In this way, the temperature of the fuel cell stack 11 can be made uniform, and the output of the entire fuel cell stack 11 can be increased.

さらに、燃料電池スタック11のいずれかの部分の端子電圧が低くなっている場合、制御手段は、当該部分に対応するファン22の風量を増加させるとともに、ノズル23の給水量も増加させることもできる。これにより、燃料電池スタック11の温度の高い部分における空気流路により多くの空気及び水が供給されるので、該空気及び水によって奪われる熱量が増加し、当該部分の温度が速やかに低下する。また、固体高分子電解質膜の湿度も上昇して、当該部分の出力が増加し、端子電圧が速やかに上昇する。そして、当該部分に対応する電圧検出器によって端子電圧が他の部分の端子電圧と同等になると、前記ファン22の風量及びノズル23の給水量を通常に戻す。このようにして、燃料電池スタック11の温度を速やかに均一化させ、燃料電池スタック11全体の出力を増加させることができる。   Furthermore, when the terminal voltage of any part of the fuel cell stack 11 is low, the control unit can increase the air volume of the fan 22 corresponding to the part and also increase the water supply amount of the nozzle 23. . Thereby, since more air and water are supplied to the air flow path in the high temperature part of the fuel cell stack 11, the amount of heat taken away by the air and water increases, and the temperature of the part rapidly decreases. In addition, the humidity of the solid polymer electrolyte membrane also increases, the output of the portion increases, and the terminal voltage rises quickly. Then, when the terminal voltage becomes equal to the terminal voltage of the other part by the voltage detector corresponding to the part, the air volume of the fan 22 and the water supply amount of the nozzle 23 are returned to normal. In this way, the temperature of the fuel cell stack 11 can be made uniform quickly, and the output of the entire fuel cell stack 11 can be increased.

また、燃料電池スタック11の燃料ガス流路に供給される水素ガスの量を調整することによって、燃料電池スタック11を冷却する能力を調整することもできる。一般的な燃料電池の運転状況では、燃料ガス流路内の水素ガスは、ほとんど流動することなく、実質的に燃料ガス流路内で停滞した状態にある。そこで、燃料ガス供給量調整手段として機能する燃料供給開閉弁、燃料圧力調整弁、電磁開閉弁、吸引循環ポンプ等を作動させて、燃料ガス流路に供給される水素ガスの量を増加させ、燃料ガス流路内の水素ガスを流動させると、該水素ガスによって奪われる熱量が増加して燃料ガス流路内の温度が低下する。   In addition, the ability to cool the fuel cell stack 11 can be adjusted by adjusting the amount of hydrogen gas supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11. In a general fuel cell operation situation, the hydrogen gas in the fuel gas channel hardly flows and is substantially stagnant in the fuel gas channel. Therefore, the amount of hydrogen gas supplied to the fuel gas flow path is increased by operating a fuel supply on / off valve, a fuel pressure adjusting valve, an electromagnetic on / off valve, a suction circulation pump, etc. that function as fuel gas supply amount adjusting means, When the hydrogen gas in the fuel gas channel is caused to flow, the amount of heat taken away by the hydrogen gas increases and the temperature in the fuel gas channel decreases.

この場合、端子電圧が低下して燃料電池スタック11の出力が低下していると判断すると、制御手段は、前記燃料供給開閉弁、燃料圧力調整弁、電磁開閉弁、吸引循環ポンプ等を作動させて、燃料ガス流路に供給される水素ガスの量を増加させる。これにより、燃料電池スタック11の燃料ガス流路により多くの水素ガスが供給されるので、該水素ガスによって奪われる熱量が増加して燃料電池スタック11の温度が低下し、燃料電池スタック11の出力が増加して端子電圧が上昇する。そして、電圧検出器によって検出された端子電圧に基づいて、燃料電池スタック11の出力が復帰したと判断すると、水素ガスの量を通常に戻す。   In this case, if it is determined that the terminal voltage is decreased and the output of the fuel cell stack 11 is decreased, the control means operates the fuel supply on / off valve, the fuel pressure adjusting valve, the electromagnetic on / off valve, the suction circulation pump, and the like. Thus, the amount of hydrogen gas supplied to the fuel gas passage is increased. As a result, a large amount of hydrogen gas is supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11, so that the amount of heat taken away by the hydrogen gas increases, the temperature of the fuel cell stack 11 decreases, and the output of the fuel cell stack 11 decreases. Increases and the terminal voltage rises. When it is determined that the output of the fuel cell stack 11 has been restored based on the terminal voltage detected by the voltage detector, the amount of hydrogen gas is returned to normal.

また、燃料電池スタック11の出力変化の履歴とから、出力が低い部分の出力低下原因を特定し、燃料電池スタック11の温度を調整することもできる。なお、前記履歴は、過去から現時点までの所定期間に亘(わた)る燃料電池スタック11の各部分における端子電圧の変化を記録したものであり、制御手段が備える記憶手段に格納されている。   In addition, it is possible to specify the cause of the output decrease in the low output part from the output change history of the fuel cell stack 11 and adjust the temperature of the fuel cell stack 11. The history is a record of changes in terminal voltage in each part of the fuel cell stack 11 over a predetermined period from the past to the present time, and is stored in a storage means provided in the control means.

そして、燃料電池スタック11のいずれかの部分の端子電圧が低いと、制御手段は、当該部分の端子電圧の記録をチェックし、端子電圧が緩やかに下降しているとき、すなわち、出力が緩やかに下降しているときは、当該部分の温度が高く、かつ、固体高分子電解質膜が乾燥していると判断する。そして、当該部分に対応するファン22の風量を増加させ、及び/又は、ノズル23の給水量も増加させる。これにより、当該部分の温度が速やかに低下し、固体高分子電解質膜の湿度が上昇するので、当該部分の出力が増加し、端子電圧が上昇する。   When the terminal voltage of any part of the fuel cell stack 11 is low, the control unit checks the recording of the terminal voltage of the part, and when the terminal voltage is gradually decreasing, that is, the output is moderately When it is lowered, it is determined that the temperature of the portion is high and the solid polymer electrolyte membrane is dry. And the air volume of the fan 22 corresponding to the said part is increased, and / or the water supply amount of the nozzle 23 is also increased. Thereby, since the temperature of the said part falls rapidly and the humidity of a solid polymer electrolyte membrane rises, the output of the said part increases and a terminal voltage rises.

また、前記端子電圧が低いところで変動しているとき、制御手段は、当該部分の温度が低く、かつ、生成水が凝縮しているものと判断し、当該部分に対応するファン22の風量を減少させ、及び/又は、ノズル23の給水量も減少させる。これにより、凝縮した生成水が蒸発し、水詰まりが解消するので、当該部分の出力が増加し、端子電圧が上昇する。なお、当該部分の温度が低く、かつ、生成水が凝縮しているものと判断した場合、ファン22の風量を増加させ、及び/又は、ノズル23の給水量も増加させ、又は、オンオフを繰り返し、当該部分に衝撃を与えることによって、凝縮した生成水を排除することもできる。これにより、水詰まりが解消するので、当該部分の出力が増加し、端子電圧が上昇する。   When the terminal voltage fluctuates at a low position, the control means determines that the temperature of the portion is low and the generated water is condensed, and reduces the air volume of the fan 22 corresponding to the portion. And / or the water supply amount of the nozzle 23 is also reduced. As a result, the condensed product water evaporates and the clogging is eliminated, so that the output of the portion increases and the terminal voltage rises. When it is determined that the temperature of the portion is low and the generated water is condensed, the air volume of the fan 22 is increased and / or the water supply amount of the nozzle 23 is increased, or ON / OFF is repeated. The condensed product water can be eliminated by giving an impact to the part. As a result, water clogging is eliminated, so that the output of the part increases and the terminal voltage rises.

このように、本実施の形態においては、燃料電池スタック11の複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段としてのファン22及びノズル23を使用し、燃料電池スタック11の温度が偏在する部分に対応するファン22及び/又はノズル23の冷却能力を調整するようになっている。これにより、燃料電池スタック11の温度を迅速に均一化させることができ、出力を増加させることができる。また、システム全体が大型化することなく、システム構造が複雑化することもない。   As described above, in the present embodiment, a plurality of fans 22 and nozzles 23 are used as cooling means that respectively correspond to a plurality of portions of the fuel cell stack 11 and whose cooling capacity can be adjusted independently of each other. The cooling capacity of the fan 22 and / or the nozzle 23 corresponding to the portion where the temperature of the stack 11 is unevenly distributed is adjusted. Thereby, the temperature of the fuel cell stack 11 can be quickly made uniform, and the output can be increased. Further, the entire system is not enlarged and the system structure is not complicated.

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す三面図である。It is a three-plane figure which shows the structure of the fuel cell system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における燃料電池の性能と温度及び湿度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the performance of a fuel cell in embodiment of this invention, temperature, and humidity. 本発明の実施の形態における燃料電池スタックの一部分の性能が低下した場合の単セル電圧の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the single cell voltage when the performance of the part of fuel cell stack in embodiment of this invention falls.

符号の説明Explanation of symbols

11 燃料電池スタック
21 温度検出器
22 ファン
23 ノズル
11 Fuel Cell Stack 21 Temperature Detector 22 Fan 23 Nozzle

Claims (6)

電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器と、
前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、
前記燃料電池スタックの温度が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整して前記燃料電池スタックの温度を均一化させる制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is laminated with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode and an air flow path formed along the oxygen electrode. A fuel cell stack,
A temperature detector for detecting temperatures of a plurality of portions of the fuel cell stack;
A plurality of cooling means respectively corresponding to a plurality of portions of the fuel cell stack and capable of adjusting the cooling capacity independently of each other;
A fuel cell system comprising: control means for adjusting the cooling capacity of the cooling means corresponding to a portion where the temperature of the fuel cell stack is unevenly distributed to equalize the temperature of the fuel cell stack.
前記冷却手段は前記空気流路に空気を供給するファンである請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the cooling means is a fan that supplies air to the air flow path. 前記冷却手段は前記空気流路に水を供給するノズルであり、
前記制御手段は前記燃料電池スタックの温度が高い部分に対応するノズルの給水量を増加させ、温度が低い部分に対応するノズルの給水量を減少させる請求項1に記載の燃料電池システム。
The cooling means is a nozzle for supplying water to the air flow path;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit increases a water supply amount of a nozzle corresponding to a portion where the temperature of the fuel cell stack is high, and decreases a water supply amount of a nozzle corresponding to a portion where the temperature is low.
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの複数部分の端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記燃料電池スタックの複数部分に各々対応し、互いに独立して冷却能力を調整可能な複数の冷却手段と、
前記燃料電池スタックの出力が偏在する部分に対応する冷却手段の冷却能力を調整する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is laminated with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode and an air flow path formed along the oxygen electrode. A fuel cell stack,
A voltage detector for detecting terminal voltages of a plurality of portions of the fuel cell stack;
A plurality of cooling means respectively corresponding to a plurality of portions of the fuel cell stack and capable of adjusting the cooling capacity independently of each other;
And a control means for adjusting the cooling capacity of the cooling means corresponding to the portion where the output of the fuel cell stack is unevenly distributed.
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力変化の履歴に応じて、冷却手段の冷却能力を調整する請求項4に記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the control unit adjusts a cooling capacity of the cooling unit according to a history of an output change of the fuel cell stack. 前記燃料電池スタックの複数部分の温度を検出する温度検出器を有し、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力変化の履歴と温度とから、出力が低い部分の出力低下原因を特定し、冷却手段の冷却能力を調整する請求項5に記載の燃料電池システム。
A temperature detector for detecting the temperature of a plurality of portions of the fuel cell stack;
6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the control unit specifies a cause of output decrease in a portion where the output is low from the history of change in output of the fuel cell stack and the temperature, and adjusts the cooling capacity of the cooling unit.
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