JP2008300057A

JP2008300057A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2008300057A
Application number: JP2007141755A
Authority: JP
Inventors: Sho Usami; 祥宇佐美; Tomohiro Ogawa; 朋宏小川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】燃料電池システムに関し、燃料ガスのオフガスを燃料電池外部の貯蔵容器に導くことで燃料電池内に不純物が蓄積することを防止しつつ、貯蔵容器内に溜まる水を有効に利用できるようにする。
【解決手段】燃料電池２の外部に貯蔵容器２０を設け、燃料電池２の内部に形成されたアノードガス流路の出口と貯蔵容器２０とを連通管１２によって連通させる。燃料電池２の内部を加湿する必要があるときには、バルブＶ２を閉じて連通管１２を遮断した状態で、バルブＶ３を開いて貯蔵容器２０と燃料ガスの一次側供給通路１０ｂとを連通させる。こそしてバルブＶ４を開くことで、一次側供給通路１０ｂ内の燃料ガスの圧力を利用して貯蔵容器２０内に溜まった水を燃料電池２に接続された燃料ガスの二次側供給通路１０ａ内に供給する。
【選択図】図１The present invention relates to a fuel cell system in which water accumulated in a storage container can be effectively used while preventing accumulation of impurities in the fuel cell by guiding off-gas of the fuel gas to the storage container outside the fuel cell. To do.
A storage container is provided outside the fuel cell, and an outlet of an anode gas passage formed inside the fuel cell is connected to the storage container via a communication pipe. When the inside of the fuel cell 2 needs to be humidified, the valve V3 is opened and the storage container 20 and the primary supply passage 10b of the fuel gas are communicated with the valve V2 closed and the communication pipe 12 closed. Then, by opening the valve V4, the water accumulated in the storage container 20 using the pressure of the fuel gas in the primary side supply passage 10b is brought into the fuel gas secondary supply passage 10a connected to the fuel cell 2. To supply.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池の内部に燃料ガスを実質的に止めた状態で運転する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that operates with fuel gas substantially stopped inside the fuel cell.

従来、例えば下記の各特許文献に開示されるように、燃料電池内に燃料ガスを止めて運転し、発電によって消費された分の燃料ガスを燃料電池に供給するようにした燃料電池システムが知られている。このような運転方式の燃料電池システムでは、運転時間の経過と共に燃料電池を構成する各単位電池のアノードガス流路内に窒素を主とした不純物が蓄積されていく。これら不純物がＭＥＡの表面を覆ってしまうと電極触媒における起電反応が阻害されて電圧の低下を招いてしまう。また、発生した異常電位がＭＥＡを劣化させてしまうおそれもある。このような不具合を防止して燃料電池性能を維持するためには、適宜のタイミングにてアノードガス流路内に蓄積された不純物を燃料電池の外部に排気してやる必要が有る。 2. Description of the Related Art Conventionally, as disclosed in, for example, the following patent documents, a fuel cell system is known in which fuel gas is stopped in a fuel cell and operated, and fuel gas consumed by power generation is supplied to the fuel cell. It has been. In the fuel cell system of such an operation method, as the operation time elapses, impurities mainly including nitrogen are accumulated in the anode gas flow path of each unit cell constituting the fuel cell. If these impurities cover the surface of the MEA, the electromotive reaction in the electrode catalyst is hindered and the voltage is lowered. In addition, the abnormal potential that is generated may cause the MEA to deteriorate. In order to prevent such problems and maintain the fuel cell performance, it is necessary to exhaust the impurities accumulated in the anode gas flow path to the outside of the fuel cell at an appropriate timing.

しかし、アノードガス流路内の不純物を排気する際には、不純物だけでなくアノードガス流路内の燃料ガスも一緒に排気されてしまう。このため、頻繁な排気の実行は燃費の悪化を招くことになり好ましくない。また、不純物を十分に蓄積した状態で排気を実行すれば、その分、無駄に排気される燃料ガスの量は抑えることができる。つまり、燃料電池性能の維持という観点からは不純物質の蓄積は好ましくはないが、燃費の向上という観点からは排気の実行頻度は出来る限り抑えたい。 However, when the impurities in the anode gas channel are exhausted, not only the impurities but also the fuel gas in the anode gas channel is exhausted together. For this reason, frequent exhausting is not preferable because it causes deterioration of fuel consumption. Further, if exhaust is performed in a state where impurities are sufficiently accumulated, the amount of fuel gas exhausted wastefully can be reduced. In other words, the accumulation of impurities is not preferable from the viewpoint of maintaining fuel cell performance, but from the viewpoint of improving fuel efficiency, it is desirable to suppress the frequency of exhaust emission as much as possible.

このような背反する二つの要求、すなわち、不純物質の蓄積に起因する燃料電池性能の低下の防止と、燃料ガスの排気量の抑制による燃費の向上とを両立させることができるシステムが特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたシステムでは、燃料電池から燃料ガスのオフガスを排出する排出管に不純物を蓄積する貯蔵容器（バッファ）を設け、この貯蔵容器の下流に遮断弁を配置している。燃料ガス中の不純物を燃料電池の外部に設けた貯蔵容器に導くことで、アノードガス流路内の不純物濃度の上昇を抑えることができ、遮断弁を開くことによる排気の実行頻度を抑えることができる。
特開２００５−２４３４７７号公報特開２００５−３５３５６９号公報特開２００５−３５３３０３号公報特開平９−３１２１６７号公報 Patent Document 1 discloses a system that can satisfy both of these contradictory requirements, that is, prevention of fuel cell performance deterioration due to accumulation of impurities and improvement of fuel consumption by suppressing the amount of exhaust of fuel gas. Is disclosed. In the system disclosed in Patent Document 1, a storage container (buffer) for accumulating impurities is provided in a discharge pipe for discharging fuel gas off-gas from a fuel cell, and a shutoff valve is disposed downstream of the storage container. By guiding the impurities in the fuel gas to a storage container provided outside the fuel cell, it is possible to suppress an increase in the impurity concentration in the anode gas flow path, and to suppress the frequency of exhaust by opening the shut-off valve. it can.
JP 2005-243477 A JP-A-2005-353569 JP 2005-353303 A JP 9-31167 A

ところで、燃料電池の電解質膜は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、導電率の低下に伴い燃料電池の発電性能は大きく低下してしまう。したがって、燃料電池の発電性能を維持する上では、燃料電池内の湿潤状態を管理することが極めて重要である。 By the way, the electrolyte membrane of a fuel cell requires water molecules for the movement of hydrogen ions therein, and exhibits high hydrogen ion conductivity only when it contains moisture. For this reason, if the water in the fuel cell is insufficient and the electrolyte membrane is dried, the power generation performance of the fuel cell is greatly reduced as the conductivity decreases. Therefore, in order to maintain the power generation performance of the fuel cell, it is extremely important to manage the wet state in the fuel cell.

特許文献１に開示されたシステムでは、燃料ガスのオフガスが排出管によって燃料電池外部の貯蔵容器に導いている。燃料ガスのオフガスには、不純物である窒素のほかに多くの水分（水蒸気）が含まれている。発電時の燃料電池内は高温であるのに対し、外部に配置された貯蔵容器内の温度はそれよりも低い。このため、燃料ガスのオフガスに含まれる水分は貯蔵容器内で結露し、水となって貯蔵容器内に溜まっていく。貯蔵容器内に水が溜まる分、燃料電池内では水分が失われることになる。しかし、特許文献１には、失われた燃料電池内の水分をどのように補填するのか、また、貯蔵容器内に溜まった水をどのように処理するのかに関しては記載されていない。 In the system disclosed in Patent Document 1, off-gas of fuel gas is led to a storage container outside the fuel cell by a discharge pipe. The off-gas of the fuel gas contains a large amount of moisture (water vapor) in addition to nitrogen as an impurity. While the temperature in the fuel cell during power generation is high, the temperature in the storage container disposed outside is lower than that. For this reason, the water | moisture content contained in the off gas of fuel gas dew condensation in a storage container, and it becomes water and accumulates in a storage container. As water accumulates in the storage container, water is lost in the fuel cell. However, Patent Document 1 does not describe how to compensate for the lost water in the fuel cell and how to treat the water accumulated in the storage container.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料ガスのオフガスを燃料電池外部の貯蔵容器に導くことで燃料電池内に不純物が蓄積することを防止しつつ、貯蔵容器内に溜まる水を有効に利用できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and by introducing the off-gas of the fuel gas to the storage container outside the fuel cell, it is possible to prevent the accumulation of impurities in the fuel cell and to store the storage container. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can effectively use water accumulated therein.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の内部に燃料ガスを実質的に止めた状態で運転する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の外部に設けられた貯蔵容器と、
前記燃料電池の内部に形成されたアノードガス流路の出口と前記貯蔵容器とを連通させる連通管と、
前記貯蔵容器内に溜まった水を用いて前記燃料電池の内部を加湿する加湿手段と、
を備えたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system that operates with fuel gas substantially stopped inside the fuel cell.
A storage container provided outside the fuel cell;
A communication pipe for communicating the outlet of the anode gas flow path formed inside the fuel cell and the storage container;
Humidifying means for humidifying the inside of the fuel cell using water accumulated in the storage container;
It is characterized by having.

第２の発明は、第１の発明において、
前記貯蔵容器を系外に連通させる連通機構を備えたことを特徴としている。 According to a second invention, in the first invention,
A communication mechanism for communicating the storage container outside the system is provided.

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記加湿手段は、前記連通管を遮断した状態で前記貯蔵容器と燃料ガスの一次側供給通路とを連通させ、前記一次側供給通路内の燃料ガスの圧力を利用して前記貯蔵容器内に溜まった水を前記燃料電池に接続された燃料ガスの二次側供給通路内に供給することを特徴としている。 According to a third invention, in the first or second invention,
The humidifying means communicates the storage container with the primary supply passage of the fuel gas in a state where the communication pipe is shut off, and accumulates in the storage container using the pressure of the fuel gas in the primary supply passage. Water is supplied into a secondary supply passage for fuel gas connected to the fuel cell.

第４の発明は、第１又は第２の発明において、
前記加湿手段は、前記貯蔵容器内に作用する燃料ガスのオフガスの圧力を利用して前記貯蔵容器内に溜まった水を前記燃料電池に接続された空気の供給通路内に供給することを特徴としている。 4th invention is 1st or 2nd invention,
The humidifying means supplies water accumulated in the storage container into an air supply passage connected to the fuel cell by using an off-gas pressure of fuel gas acting in the storage container. Yes.

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記連通管を遮断した状態で前記貯蔵容器と前記燃料電池に接続された空気の供給通路とを連通させ、前記空気供給通路から導入される空気を利用して前記貯蔵容器内を掃気する掃気手段をさらに備えたことを特徴としている。 According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions,
A scavenging means for connecting the storage container and an air supply passage connected to the fuel cell in a state where the communication pipe is shut off, and scavenging the inside of the storage container using air introduced from the air supply passage Is further provided.

第１の発明によれば、燃料ガス中の不純物を燃料電池の外部に設けた貯蔵容器に導くことで、アノードガス流路内の不純物濃度の上昇を抑えることができる。したがって、燃料ガスのオフガスを系外に排気する頻度は少なくて済み、燃料ガスの無駄を抑制することができる。また、燃料ガスのオフガスに含まれる水分が結露することで貯蔵容器内には水が溜まるが、この水を燃料電池の加湿に利用することで水分をシステム内で循環させることができる。これによれば、システム内からの水分の消失量を抑えることができ、燃料電池内の湿潤状態の管理も容易になる。 According to the first invention, an increase in the impurity concentration in the anode gas flow path can be suppressed by introducing impurities in the fuel gas to the storage container provided outside the fuel cell. Therefore, the frequency of exhausting off-gas of the fuel gas to the outside of the system can be reduced, and waste of the fuel gas can be suppressed. Further, although water is accumulated in the storage container due to condensation of moisture contained in the off-gas of the fuel gas, moisture can be circulated in the system by using this water for humidification of the fuel cell. According to this, the loss | disappearance amount of the water | moisture content from the inside of a system can be suppressed, and management of the wet state in a fuel cell becomes easy.

第２の発明によれば、貯蔵容器を系外に連通させることで、貯蔵容器に蓄積された不純物を系外に排出することができる。また、水分は貯蔵容器内で結露して水となるので、水分の系外への排出は抑えられる。 According to the second invention, the impurities accumulated in the storage container can be discharged out of the system by communicating the storage container outside the system. Moreover, since moisture condenses in the storage container to become water, the discharge of moisture to the outside of the system can be suppressed.

第３の発明によれば、燃料電池に供給される燃料ガスに水分を含ませ、それにより燃料電池の内部を加湿することができる。また、貯蔵容器から燃料電池へ水を供給するための駆動力として、燃料ガスの一次側供給通路内の圧力と二次側供給通路内の圧力との圧力差を利用するので、ポンプ等の駆動装置を別途設ける必要はない。 According to the third aspect of the invention, moisture can be included in the fuel gas supplied to the fuel cell, whereby the inside of the fuel cell can be humidified. In addition, as a driving force for supplying water from the storage container to the fuel cell, the pressure difference between the pressure in the primary supply passage of the fuel gas and the pressure in the secondary supply passage is used, so that the drive of a pump or the like There is no need to provide a separate device.

第４の発明によれば、燃料電池に供給される空気に水分を含ませ、それにより燃料電池の内部を加湿することができる。また、貯蔵容器から燃料電池へ水を供給するための駆動力として、貯蔵容器内に作用する燃料ガスのオフガスの圧力と空気供給通路内の圧力との圧力差を利用するので、ポンプ等の駆動装置を別途設ける必要はない。 According to the fourth aspect of the invention, the air supplied to the fuel cell is allowed to contain moisture, whereby the inside of the fuel cell can be humidified. In addition, as the driving force for supplying water from the storage container to the fuel cell, the pressure difference between the pressure of the off-gas of the fuel gas acting in the storage container and the pressure in the air supply passage is used, so that driving of a pump or the like There is no need to provide a separate device.

第５の発明によれば、必要に応じて貯蔵容器内を掃気することができる、また、空気供給通路から導入される空気を利用して貯蔵容器内を掃気することで、コンプレッサ等の掃気のための送風装置を別途設ける必要はない。 According to the fifth aspect of the present invention, the inside of the storage container can be scavenged as necessary, and the inside of the storage container is scavenged using the air introduced from the air supply passage, thereby There is no need to provide a separate air blower.

実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。 Embodiment 1 FIG.
The first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

［実施の形態１の燃料電池システムの構成］
図１は、本実施の形態の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。燃料電池システムは、燃料電池２によって発電してその電力をモータ等の負荷に供給するシステムである。燃料電池２は、複数の単位電池４を積層してなる燃料電池スタックとして使用される。単位電池４は、図示は省略するが、膜電極接合体を一対の集電板で挟んだ構成になっている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒が一体化されたものであり、さらにその各面にはカーボンシート等で作られたガス拡散層が一体化されている。集電板は、隣接する２枚の膜電極接合体の間を仕切るセパレータとしても機能している。各単位電池４は、アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。燃料電池２には、各単位電池４の電圧を測定する電圧モニタ４６と、燃料電池２を通過した冷媒の温度を測定する温度計４４とが取り付けられている。 [Configuration of Fuel Cell System of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system of the present embodiment. The fuel cell system is a system that generates power by the fuel cell 2 and supplies the power to a load such as a motor. The fuel cell 2 is used as a fuel cell stack formed by stacking a plurality of unit cells 4. Although not shown, the unit battery 4 has a structure in which a membrane electrode assembly is sandwiched between a pair of current collector plates. In the membrane / electrode assembly, a catalyst is integrated on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer made of a carbon sheet or the like is further integrated on each side. The current collector plate also functions as a separator that partitions between two adjacent membrane electrode assemblies. Each unit cell 4 is supplied with fuel gas at the anode and supplied with air at the cathode to generate power. A voltage monitor 46 that measures the voltage of each unit cell 4 and a thermometer 44 that measures the temperature of the refrigerant that has passed through the fuel cell 2 are attached to the fuel cell 2.

燃料電池２には、燃料電池２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管１０ａ，１０ｂと、燃料電池２から燃料ガスのオフガスを抜き出すためのアノードオフガス排気管１２とが接続されている。本実施の形態の燃料電池システムは、燃料ガスとして高濃度水素若しくは純水素を使用し、燃料ガスの供給源として高圧水素タンク６を備える。高濃度水素若しくは純水素の使用により、供給する燃料ガスのほとんどを燃料電池２に消費させることができる。したがって、燃料電池２からは内部で生じた不純物だけをオフガスとして抜き出させばよく、オフガスの排気量は少なくて済む。 Connected to the fuel cell 2 are fuel gas supply pipes 10 a and 10 b for supplying fuel gas to the fuel cell 2 and an anode offgas exhaust pipe 12 for extracting offgas of the fuel gas from the fuel cell 2. The fuel cell system of the present embodiment uses high-concentration hydrogen or pure hydrogen as a fuel gas, and includes a high-pressure hydrogen tank 6 as a fuel gas supply source. By using high-concentration hydrogen or pure hydrogen, most of the supplied fuel gas can be consumed by the fuel cell 2. Therefore, only the impurities generated inside may be extracted from the fuel cell 2 as off-gas, and the amount of off-gas exhausted may be small.

燃料ガス供給管１０ａ，１０ｂは、高圧水素タンク６から調圧弁８までの一次側供給管１０ｂと、調圧弁８から燃料電池２までの二次側供給管１０ｂとに分けられる。燃料ガスは調圧弁８で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された燃料ガスは、燃料電池２内に形成されたアノード入口マニホールド（図示略）によって各単位電池４のアノードに分配される。アノードオフガス排気管１２は、燃料電池２内に形成されたアノード出口マニホールド（図示略）を介して、各単位電池４のアノードガス流路（発電面内に形成されたアノードに接するガス流路）の出口に接続されている。アノードガス流路の形状や構成には限定はない。例えば、セパレータの表面に溝を形成し、その溝をアノードガス流路としてもよい。また、導電性材料からなる多孔体層を設け、多孔体層内の連続する気孔によってアノードガス流路を形成してもよい。アノードガス流路内のガス（アノードガス）は、アノード出口マニホールドに集められてアノードオフガス排気管１２に排出される。 The fuel gas supply pipes 10 a and 10 b are divided into a primary side supply pipe 10 b from the high pressure hydrogen tank 6 to the pressure regulating valve 8 and a secondary side supply pipe 10 b from the pressure regulating valve 8 to the fuel cell 2. The fuel gas is depressurized by the pressure regulating valve 8 and adjusted to a desired pressure before being supplied to the fuel cell 2. The fuel gas supplied to the fuel cell 2 is distributed to the anode of each unit cell 4 by an anode inlet manifold (not shown) formed in the fuel cell 2. The anode off-gas exhaust pipe 12 is connected to an anode gas passage (gas passage in contact with the anode formed in the power generation surface) of each unit cell 4 via an anode outlet manifold (not shown) formed in the fuel cell 2. Connected to the exit. There is no limitation on the shape and configuration of the anode gas flow path. For example, a groove may be formed on the surface of the separator, and the groove may be used as an anode gas flow path. Alternatively, a porous layer made of a conductive material may be provided, and the anode gas flow path may be formed by continuous pores in the porous layer. Gas in the anode gas flow path (anode gas) is collected in the anode outlet manifold and discharged to the anode off-gas exhaust pipe 12.

アノードオフガス排気管１２の途中にはバッファタンク（貯蔵容器）２０が設けられている。バッファタンク２０は、その容積が排気管１２の流路容積や燃料電池２内のアノード出口マニホールドの容積よりも各段に大きくなるように形成されている。バッファタンク２０には、その内部の水素濃度を測定するための水素濃度センサ４２と、底部に溜まった水の水位を測定するための水位計４８とが取り付けられている。 A buffer tank (storage container) 20 is provided in the middle of the anode off gas exhaust pipe 12. The buffer tank 20 is formed so that its volume is larger in each stage than the flow path volume of the exhaust pipe 12 and the volume of the anode outlet manifold in the fuel cell 2. A hydrogen concentration sensor 42 for measuring the hydrogen concentration inside the buffer tank 20 and a water level gauge 48 for measuring the water level accumulated in the bottom are attached to the buffer tank 20.

アノードオフガス排気管１２の先端は直接に系外に開放されているか、若しくは、図示しない希釈器を介して系外に開放されている。アノードオフガス排気管１２におけるバッファタンク２０よりも下流には、バッファタンク２０内と系外との連通を遮断／許容するバルブＶ１が設けられている。このバルブＶ１は、バッファタンク２０内を系外に連通させる連通機構として機能する。また、アノードオフガス排気管１２は、各単位電池４のアノードガス流路の出口とバッファタンク２０とを連通させる連通管として機能する。アノードオフガス排気管１２におけるバッファタンク２０の上流には、燃料電池２内とバッファタンク２０内との連通を遮断／許容するバルブＶ２が設けられている。 The tip of the anode off-gas exhaust pipe 12 is directly opened to the outside of the system, or opened to the outside of the system through a diluter (not shown). A valve V <b> 1 that blocks / allows communication between the inside of the buffer tank 20 and the outside of the system is provided downstream of the buffer tank 20 in the anode offgas exhaust pipe 12. The valve V1 functions as a communication mechanism that allows the buffer tank 20 to communicate with the outside of the system. The anode off gas exhaust pipe 12 functions as a communication pipe that connects the outlet of the anode gas flow path of each unit cell 4 and the buffer tank 20. A valve V <b> 2 that blocks / allows communication between the fuel cell 2 and the buffer tank 20 is provided upstream of the buffer tank 20 in the anode off-gas exhaust pipe 12.

アノードオフガス排気管１２におけるバルブＶ２の下流であってバッファタンク２０の上流には、燃料ガス供給管（一次側）１０ｂに繋がるバイパス管１６が接続されている。このバイパス管１６の途中には、燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとアノードオフガス排気管１２との連通を遮断／許容するバルブＶ３が設けられている。また、バッファタンク２０の底部には、燃料ガス供給管（二次側）１０ａに繋がるバイパス管１８が接続されている。このバイパス管１８の途中には、バッファタンク２０内と燃料ガス供給管（二次側）１０ａとの連通を遮断／許容するバルブＶ４が設けられている。 A bypass pipe 16 connected to the fuel gas supply pipe (primary side) 10 b is connected to the anode off-gas exhaust pipe 12 downstream of the valve V 2 and upstream of the buffer tank 20. In the middle of the bypass pipe 16, a valve V3 for blocking / allowing communication between the fuel gas supply pipe (primary side) 10b and the anode off-gas exhaust pipe 12 is provided. A bypass pipe 18 connected to the fuel gas supply pipe (secondary side) 10 a is connected to the bottom of the buffer tank 20. In the middle of the bypass pipe 18, there is provided a valve V4 for blocking / allowing communication between the buffer tank 20 and the fuel gas supply pipe (secondary side) 10a.

また、燃料電池２には、空気を供給するための空気供給管２４と、燃料電池２内から空気のオフガスを抜き出すためのカソードオフガス排気管２６とが接続されている。空気供給管２４にはコンプレッサ２２が配置されている。コンプレッサ２２の作動によって空気供給管２４に空気が取り込まれ燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された空気は、燃料電池２内に形成されたカソード入口マニホールドによって各単位電池４のカソードに分配される。各単位電池４のカソードを通過した空気は、燃料電池２内に形成されたカソード出口マニホールドに集められてカソードオフガス排気管２６に排出される。空気供給管２４とカソードオフガス排気管２６との間には、オフガス中の水分を回収して供給空気に付与するための加湿モジュール２８が設けられている。 In addition, an air supply pipe 24 for supplying air and a cathode offgas exhaust pipe 26 for extracting air offgas from the fuel cell 2 are connected to the fuel cell 2. A compressor 22 is disposed in the air supply pipe 24. By the operation of the compressor 22, air is taken into the air supply pipe 24 and supplied to the fuel cell 2. Air supplied to the fuel cell 2 is distributed to the cathode of each unit cell 4 by a cathode inlet manifold formed in the fuel cell 2. The air that has passed through the cathode of each unit cell 4 is collected in a cathode outlet manifold formed in the fuel cell 2 and discharged to the cathode offgas exhaust pipe 26. A humidification module 28 is provided between the air supply pipe 24 and the cathode offgas exhaust pipe 26 to collect moisture in the offgas and apply it to the supply air.

［実施の形態１の燃料電池システムの動作］
本実施の形態の燃料電池システムは、その動作を制御装置４０によって制御される。制御装置４０の入力部には、水素濃度センサ４２、温度計４４、電圧モニタ４６及び水位計４８等の各種の計測機器や検出機器が接続されている。制御装置４０の出力部には、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４等の各種のアクチュエータが接続されている。以下では、制御装置４０による燃料電池システムの動作の制御、特に、各バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の開閉制御について、図２に示す制御フローを参照して説明する。 [Operation of Fuel Cell System of Embodiment 1]
The operation of the fuel cell system of the present embodiment is controlled by the control device 40. Various measuring devices and detection devices such as a hydrogen concentration sensor 42, a thermometer 44, a voltage monitor 46, and a water level meter 48 are connected to the input unit of the control device 40. Various actuators such as valves V1, V2, V3, and V4 are connected to the output unit of the control device 40. Hereinafter, control of the operation of the fuel cell system by the control device 40, in particular, opening / closing control of the valves V1, V2, V3, and V4 will be described with reference to the control flow shown in FIG.

図２に示す制御フローに従えば、制御の開始後は、まず、通常運転が行われる（ステップＳ２）。通常運転では、バルブＶ２は常時開かれてバルブＶ３，Ｖ４は常時閉じられる。バルブＶ２が開かれて燃料電池２内とバッファタンク２０内とが連通することで、アノードガス流路内の不純物（カソード側から固体高分子電解質膜を透過してきた窒素）は、アノード出口マニホールドと排気管１２とを経由してバッファタンク２０内に蓄積されていく。バルブＶ１は閉状態を基本状態とし、所定のパージ条件が成立した場合のみ、極短時間だけ開かれる。 According to the control flow shown in FIG. 2, after starting the control, first, normal operation is performed (step S2). In normal operation, the valve V2 is always open and the valves V3 and V4 are always closed. When the valve V2 is opened and the fuel cell 2 and the buffer tank 20 communicate with each other, impurities in the anode gas flow path (nitrogen that has permeated the solid polymer electrolyte membrane from the cathode side) are separated from the anode outlet manifold. It accumulates in the buffer tank 20 via the exhaust pipe 12. The valve V1 is basically in a closed state, and is opened for a very short time only when a predetermined purge condition is satisfied.

本実施の形態では、水素濃度センサ１２によって測定されるバッファタンク２０内の水素濃度が所定の基準値を下回ることがパージ条件とされている。バッファタンク２０内の水素濃度が低下は、アノードガス流路内の不純物濃度の上昇を意味するからである。また、本実施の形態では、水素濃度センサ１２のバックアップとして電圧モニタ４６によるパージ判定も実施される。何れかの単位電池４の電圧が大きく低下したとき、その単位電池４では水素不足に起因して異常発電が起きている可能性が高い。そのような状況では、水素濃度センサ１２の出力値とは関係無く、バルブＶ１を開いてパージを実施することとしている。 In the present embodiment, the purge condition is that the hydrogen concentration in the buffer tank 20 measured by the hydrogen concentration sensor 12 is below a predetermined reference value. This is because a decrease in the hydrogen concentration in the buffer tank 20 means an increase in the impurity concentration in the anode gas flow path. In the present embodiment, purge determination by the voltage monitor 46 is also performed as a backup of the hydrogen concentration sensor 12. When the voltage of any unit battery 4 is greatly reduced, there is a high possibility that abnormal power generation has occurred in the unit battery 4 due to lack of hydrogen. In such a situation, regardless of the output value of the hydrogen concentration sensor 12, the valve V1 is opened to perform the purge.

ステップＳ４では、燃料電池２の運転温度が所定の基準温度Ｔ_０よりも高いか否か判定される。運転温度は温度計４４で測定される冷媒の温度で代表することができる。運転温度は燃料電池２内の水収支に影響することが分かっており、図３はその相関を示す図である。図３に示すように、運転温度が高くなるにつれて水収支が減少し、ある温度において水収支はゼロとなる。上記の基準温度Ｔ_０は、水収支がゼロとなる温度よりも僅かに水不足域側に設定されている。 In step S4, the operating temperature of the fuel cell 2 is determined whether or not higher than the predetermined reference temperature T _0. The operating temperature can be represented by the temperature of the refrigerant measured by the thermometer 44. It is known that the operating temperature affects the water balance in the fuel cell 2, and FIG. 3 is a diagram showing the correlation. As shown in FIG. 3, the water balance decreases as the operating temperature increases, and the water balance becomes zero at a certain temperature. It said reference temperature T _0, the water balance is set slightly water shortages frequency side than the temperature at which zero.

ステップＳ４の判定の結果、運転温度が基準温度Ｔ_０以下の場合には、前述の通常運転が継続して行われる。この場合、水収支がプラスであれば、余った水はオフガスに含まれて各排気管１２，２６に排出される。このうち、カソードオフガス排気管２６に排出された水分は加湿モジュール２８にて回収され、空気供給管２４を流れる供給空気に付与される。一方、アノードオフガス排気管１２に排出された水分はバッファタンク２０内にて結露し、水となってバッファタンク２０内に溜まっていく。発電時の燃料電池２内は高温であるのに対し、外部に配置されたバッファタンク２０内の温度はそれよりも低いからである。 Result of the determination in step S4, when the operating temperature is below the reference temperature T ₀ is continuously performed the normal operation described above. In this case, if the water balance is positive, the excess water is included in the off-gas and discharged to the exhaust pipes 12 and 26. Among these, the moisture discharged to the cathode offgas exhaust pipe 26 is collected by the humidification module 28 and applied to the supply air flowing through the air supply pipe 24. On the other hand, the moisture discharged to the anode off-gas exhaust pipe 12 is condensed in the buffer tank 20 and accumulates in the buffer tank 20 as water. This is because the temperature in the fuel cell 2 during power generation is high, while the temperature in the buffer tank 20 arranged outside is lower than that.

一方、運転温度が基準温度Ｔ_０を超える場合には、燃料電池２内が水不足になっていると判断することができる。燃料電池２内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、導電率の低下に伴い燃料電池２の発電性能は大きく低下してしまう。したがって、その場合には、外部から水分を供給して燃料電池２の内部を加湿してやる必要が有る。 On the other hand, when the operating temperature exceeds the reference temperature T ₀ , it can be determined that the fuel cell 2 is short of water. If the water in the fuel cell 2 is insufficient and the electrolyte membrane is dried, the power generation performance of the fuel cell 2 is greatly reduced as the conductivity decreases. Therefore, in this case, it is necessary to humidify the inside of the fuel cell 2 by supplying moisture from the outside.

本実施の形態の燃料電池システムによれば、バッファタンク２０内に溜まった水を燃料電池２の加湿に用いることができる。ただし、それはバッファタンク２０内に水が十分にある場合であり、水が足りない場合には十分な加湿を行うことができない。そこで、ステップＳ６では、燃料電池２の運転温度と負荷電流とから加湿に必要な水の量が計算され、水位計４８により測定した水位が必要水位を超えているか否か判定される。測定水位が必要水位を超えているか否かによって、加湿に用いるのに必要な量の水が溜まっているか否か判定することができる。 According to the fuel cell system of the present embodiment, the water accumulated in the buffer tank 20 can be used for humidifying the fuel cell 2. However, this is a case where there is sufficient water in the buffer tank 20, and when the water is insufficient, sufficient humidification cannot be performed. Therefore, in step S6, the amount of water required for humidification is calculated from the operating temperature of the fuel cell 2 and the load current, and it is determined whether or not the water level measured by the water level gauge 48 exceeds the required water level. Whether or not the amount of water necessary for humidification is accumulated can be determined depending on whether or not the measured water level exceeds the necessary water level.

ステップＳ６の判定の結果、測定水位が必要水位を超えていない場合には、バッファタンク２０内の水を用いたとしても十分な加湿を行うことができない。したがって、その場合には燃料電池２の出力制限が行われる（ステップＳ１０）。出力制限によって燃料電池２の運転温度を低下させ、また、燃料電池２内からの水の消失を抑制するようにする。ステップ１０の出力制限は、運転温度が基準温度Ｔ_０以下となるか、若しくは、測定水位が必要水位を超えるまで継続して実施される。 As a result of the determination in step S6, if the measured water level does not exceed the required water level, sufficient humidification cannot be performed even if the water in the buffer tank 20 is used. Therefore, in that case, output restriction of the fuel cell 2 is performed (step S10). The operating temperature of the fuel cell 2 is lowered by the output restriction, and the disappearance of water from the fuel cell 2 is suppressed. The output restriction in step 10 is continuously performed until the operating temperature becomes equal to or lower than the reference temperature T ₀ or the measured water level exceeds the required water level.

測定水位が必要水位を超えている場合には、バッファタンク２０内の水分を用いて燃料電池２の加湿が行われる（ステップＳ８）。加湿が実行される間、バルブＶ１，Ｖ２は閉じられてバルブＶ３，Ｖ４が開かれる。バルブＶ１，Ｖ２の閉弁によりバッファタンク２０内と燃料電池２との連通は遮断され、また、系外との連通も遮断される。一方、バルブＶ３，Ｖ４の開弁によりバッファタンク２０内と燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとが連通し、また、バッファタンク２０の底部と燃料ガス供給管（二次側）１０ａとが連通する。その結果、燃料ガス供給管（二次側）１０ａと燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとの圧力差を駆動力として、バッファタンク２０の底部に溜まった水はバイパス管１８を経て燃料ガス供給管１０に導入されることになる。これにより、燃料電池２に供給される燃料ガスに水分が付与され、それにより燃料電池２の内部が加湿される。ステップＳ８の加湿加湿は、運転温度が基準温度Ｔ_０以下となるか、若しくは、測定水位が必要水位以下になるまで継続して実施される。 If the measured water level exceeds the required water level, the fuel cell 2 is humidified using the water in the buffer tank 20 (step S8). During humidification, the valves V1 and V2 are closed and the valves V3 and V4 are opened. By closing the valves V1 and V2, communication between the buffer tank 20 and the fuel cell 2 is blocked, and communication with the outside of the system is also blocked. On the other hand, when the valves V3 and V4 are opened, the buffer tank 20 communicates with the fuel gas supply pipe (primary side) 10b, and the bottom of the buffer tank 20 communicates with the fuel gas supply pipe (secondary side) 10a. To do. As a result, water accumulated at the bottom of the buffer tank 20 is supplied to the fuel gas via the bypass pipe 18 using the pressure difference between the fuel gas supply pipe (secondary side) 10a and the fuel gas supply pipe (primary side) 10b as a driving force. It will be introduced into the tube 10. As a result, moisture is imparted to the fuel gas supplied to the fuel cell 2, thereby humidifying the inside of the fuel cell 2. Humidification humidification step S8, whether the operating temperature is a reference temperature T ₀ or less, or, the measuring water level is continuously carried out until the following required water level.

［実施の形態１の燃料電池システムの効果］
本実施の形態の燃料電池システムによれば、燃料ガス中の不純物を燃料電池２の外部に設けたバッファタンク２０に導くことで、アノードガス流路内の不純物濃度の上昇を抑えることができる。したがって、バルブＶ１を開いて燃料ガスのオフガスを系外に排気する頻度は少なくて済み、燃料ガスの無駄を抑制することができる。また、オフガスに含まれる水分が結露することでバッファタンク２０内には水が溜まるが、この水を燃料電池２の加湿に利用することで水分をシステム内で循環させることができる。これによれば、システム内からの水分の消失量を抑えることができ、燃料電池２内の湿潤状態の管理も容易になる。また、バッファタンク２０から燃料電池２へ水を供給するための駆動力として、燃料ガス供給管（二次側）１０ａと燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとの圧力差を利用するので、ポンプ等の駆動装置を別途設ける必要はないという利点もある。 [Effect of Fuel Cell System of Embodiment 1]
According to the fuel cell system of the present embodiment, an increase in the impurity concentration in the anode gas flow path can be suppressed by introducing impurities in the fuel gas to the buffer tank 20 provided outside the fuel cell 2. Therefore, the frequency of exhausting the fuel gas off-gas outside the system by opening the valve V1 can be reduced, and waste of fuel gas can be suppressed. Further, water is accumulated in the buffer tank 20 due to the condensation of moisture contained in the off gas. By using this water for humidification of the fuel cell 2, the moisture can be circulated in the system. According to this, the loss | disappearance amount of the water | moisture content from the inside of a system can be suppressed, and management of the wet state in the fuel cell 2 becomes easy. Further, as a driving force for supplying water from the buffer tank 20 to the fuel cell 2, a pressure difference between the fuel gas supply pipe (secondary side) 10a and the fuel gas supply pipe (primary side) 10b is used. There is also an advantage that it is not necessary to provide a separate drive device.

実施の形態２．
以下、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。 Embodiment 2. FIG.
Hereinafter, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.

［実施の形態２の燃料電池システムの構成］
図４は、本実施の形態の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。図４において、実施の形態１の燃料電池システムと同一の要素については同一の符号を付している。本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムの構成を基本とした上で、以下に説明するようにバッファタンク２０内を掃気する手段をさらに備えたことに特徴がある。 [Configuration of Fuel Cell System of Embodiment 2]
FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system of the present embodiment. In FIG. 4, the same elements as those of the fuel cell system of Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals. The fuel cell system according to the present embodiment is characterized by further comprising means for scavenging the inside of the buffer tank 20 as described below, based on the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. .

本実施の形態の燃料電池システムでは、空気供給管２４における加湿モジュール２８の上流とバッファタンク２０の底部とがバイパス管３６によって接続されている。このバイパス管３６の途中には、バッファタンク２０内と空気供給管２４との連通を遮断／許容するバルブＶ５が設けられている。また、バッファタンク２０の底部には、バッファタンク２０に溜まった水を系外に排出するための排水管３８が接続されている。この排水管３８には、バッファタンク２０内と系外との連通を遮断／許容するバルブＶ６が設けられている。これらの要素により、バッファタンク２０内の掃気手段が構成されている。 In the fuel cell system of the present embodiment, the upstream of the humidification module 28 in the air supply pipe 24 and the bottom of the buffer tank 20 are connected by a bypass pipe 36. In the middle of the bypass pipe 36, a valve V5 for blocking / allowing communication between the buffer tank 20 and the air supply pipe 24 is provided. In addition, a drain pipe 38 is connected to the bottom of the buffer tank 20 for discharging water accumulated in the buffer tank 20 out of the system. The drain pipe 38 is provided with a valve V6 that blocks / allows communication between the buffer tank 20 and the outside of the system. These elements constitute a scavenging means in the buffer tank 20.

［実施の形態２の燃料電池システムの動作］
本実施の形態の燃料電池システムは、その動作を制御装置４０によって制御される。掃気手段を構成するバルブＶ５，Ｖ６の開閉制御は、他のバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４とともに制御装置４０によって行われる。バッファタンク２０内の掃気を行う場合、制御装置４０はバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は閉じて、バルブＶ５，Ｖ６を開く。バルブＶ５，Ｖ６の開弁によりバッファタンク２０内と空気供給管２４とが連通し、また、バッファタンク２０の底部と系外とが連通する。その結果、コンプレッサ２２によって圧送される空気が空気供給管２４からバイパス管３６を経てバッファタンク２０内に導入され、バッファタンク２０の底部に溜まった水は空気の圧力によって排水管３８から系外へ押し出されることになる。 [Operation of Fuel Cell System of Embodiment 2]
The operation of the fuel cell system of the present embodiment is controlled by the control device 40. The opening / closing control of the valves V5 and V6 constituting the scavenging means is performed by the control device 40 together with the other valves V1, V2, V3 and V4. When scavenging the buffer tank 20, the control device 40 closes the valves V1, V2, V3, and V4 and opens the valves V5 and V6. By opening the valves V5 and V6, the inside of the buffer tank 20 and the air supply pipe 24 communicate with each other, and the bottom of the buffer tank 20 and the outside of the system communicate with each other. As a result, the air pumped by the compressor 22 is introduced from the air supply pipe 24 through the bypass pipe 36 into the buffer tank 20, and the water accumulated at the bottom of the buffer tank 20 is discharged from the drain pipe 38 to the outside of the system by the air pressure. It will be pushed out.

燃料電池２を加湿する場合、本実施の形態では、アノード側からの加湿とカソード側からの加湿とを選択することができる。燃料電池２をアノード側から加湿する場合は、制御装置４０はバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６を閉じてバルブＶ３，Ｖ４を開く。これにより、バッファタンク２０の底部に溜まった水はバイパス管１８を経て燃料ガス供給管（二次側）１０ａに導入されることになる。燃料電池２に供給される燃料ガスに水分が付与され、それにより燃料電池２の内部が加湿される。 In the case where the fuel cell 2 is humidified, in the present embodiment, humidification from the anode side and humidification from the cathode side can be selected. When the fuel cell 2 is humidified from the anode side, the control device 40 closes the valves V1, V2, V5, V6 and opens the valves V3, V4. As a result, the water accumulated at the bottom of the buffer tank 20 is introduced into the fuel gas supply pipe (secondary side) 10a through the bypass pipe 18. Moisture is given to the fuel gas supplied to the fuel cell 2, thereby humidifying the inside of the fuel cell 2.

燃料電池２をカソード側から加湿する場合は、制御装置４０はバルブＶ１，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ６を閉じてバルブＶ２，Ｖ５を開く。バルブＶ１，Ｖ６の閉弁によりバッファタンク２０内と系外との連通は遮断される。また、バルブＶ３，Ｖ４の閉弁によりバッファタンク２０内と燃料ガス供給管（二次側）１０ａ及び燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとの連通も遮断される。一方、バルブＶ２，Ｖ５の開弁によりバッファタンク２０内と燃料電池２とが連通し、また、バッファタンク２０内と空気供給管２４とが連通する。その結果、バッファタンク２０内の燃料ガスと空気供給管２４内の空気との圧力差を駆動力として、バッファタンク２０の底部に溜まった水はバイパス管３６を経て空気供給管２４に導入されることになる。これにより、燃料電池２に供給される空気に水分が付与されて燃料電池２の内部が加湿されることになる。 When the fuel cell 2 is humidified from the cathode side, the control device 40 closes the valves V1, V3, V4, V6 and opens the valves V2, V5. The communication between the buffer tank 20 and the outside of the system is blocked by closing the valves V1 and V6. Further, by closing the valves V3 and V4, communication between the buffer tank 20 and the fuel gas supply pipe (secondary side) 10a and the fuel gas supply pipe (primary side) 10b is cut off. On the other hand, when the valves V2 and V5 are opened, the buffer tank 20 and the fuel cell 2 communicate with each other, and the buffer tank 20 and the air supply pipe 24 communicate with each other. As a result, water accumulated at the bottom of the buffer tank 20 is introduced into the air supply pipe 24 through the bypass pipe 36 using the pressure difference between the fuel gas in the buffer tank 20 and the air in the air supply pipe 24 as a driving force. It will be. Thereby, moisture is given to the air supplied to the fuel cell 2 and the inside of the fuel cell 2 is humidified.

［実施の形態２の燃料電池システムの効果］
本実施の形態の燃料電池システムによれば、実施の形態１の燃料電池システムで得られる効果は勿論のこと、必要に応じてバッファタンク２０内を掃気することも可能になる。システム停止時や低温でのシステム起動時にバッファタンク２０内を掃気すれば、バッファタンク２０内で水が凍結するのを防止することができる。運転時に水位計４８によりバッファタンク２０の満水が検知されたら掃気を行うようにしてもよい。また、コンプレッサ２２を送風装置として利用することができるので、専用の送風装置を別途設ける必要はないという利点もある。 [Effect of Fuel Cell System of Embodiment 2]
According to the fuel cell system of the present embodiment, not only the effects obtained by the fuel cell system of Embodiment 1 but also the inside of the buffer tank 20 can be scavenged as necessary. If the inside of the buffer tank 20 is scavenged when the system is stopped or the system is started at a low temperature, it is possible to prevent water from freezing in the buffer tank 20. When the water level gauge 48 detects that the buffer tank 20 is full during operation, scavenging may be performed. Further, since the compressor 22 can be used as a blower, there is an advantage that it is not necessary to separately provide a dedicated blower.

さらに、本実施の形態の燃料電池システムによれば、バッファタンク２０内に溜まった水を利用して燃料電池２をアノード側から加湿することもカソード側から加湿することもできる。アノード側から加湿する場合には、バッファタンク２０から燃料ガス供給管１０へ水を供給するための駆動力として、燃料ガス供給管（二次側）１０ａと燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとの圧力差を利用することができる。カソード側から加湿する場合には、バッファタンク２０から空気供給管２４へ水を供給するための駆動力として、バッファタンク２０内に作用する燃料ガスのオフガスの圧力と空気供給管１０内の圧力との圧力差を利用することができる。したがって、ポンプ等の駆動装置を別途設ける必要はない。 Furthermore, according to the fuel cell system of the present embodiment, the fuel cell 2 can be humidified from the anode side or humidified from the cathode side using the water accumulated in the buffer tank 20. When humidifying from the anode side, as a driving force for supplying water from the buffer tank 20 to the fuel gas supply pipe 10, a fuel gas supply pipe (secondary side) 10a, a fuel gas supply pipe (primary side) 10b, The pressure difference can be used. When humidifying from the cathode side, as a driving force for supplying water from the buffer tank 20 to the air supply pipe 24, the pressure of the off-gas of the fuel gas acting in the buffer tank 20 and the pressure in the air supply pipe 10 The pressure difference can be used. Therefore, it is not necessary to separately provide a driving device such as a pump.

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。 Others.
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications may be made.

実施の形態２において、バイパス管１６，１８とバルブＶ３，Ｖ４を省略した構成を採ることもできる。これらの要素を省略した場合でも、バルブＶ２，Ｖ５を開くことでバッファタンク２０の底部に溜まった水を空気供給管２４に導入することができ、それにより燃料電池２をカソード側から加湿することができる。 In the second embodiment, a configuration in which the bypass pipes 16 and 18 and the valves V3 and V4 are omitted may be employed. Even when these elements are omitted, the water accumulated in the bottom of the buffer tank 20 can be introduced into the air supply pipe 24 by opening the valves V2 and V5, thereby humidifying the fuel cell 2 from the cathode side. Can do.

また、実施の形態１，２では通常はバルブＶ１を完全に閉じておき、所定のパージ条件の成立時に極短時間だけバルブＶ１を開く運転（間欠排気運転）を行っているが、バルブＶ１を僅かに開いた連続少量排気運転を行ってもよい。連続少量排気運転では、系外へ排気されるオフガスの流量が燃料電池２内での燃料ガスの消費量に比較して極微小な値になるようにバルブＶ１の開度を調整する。より詳しくは、電解質膜をカソード側からアノード側に透過してくる不純物（主として窒素）の短時間当たりの透過量と略同じ量か、それに応じた量のオフガスを連続排気するようにバルブＶ１の開度を調整する。不純物の透過量は圧力、温度、電解質膜の劣化度合い等の条件によって変化するが、それらの条件を勘案した上で予め実験的に求めることは可能である。 In the first and second embodiments, normally, the valve V1 is completely closed and the valve V1 is opened (intermittent exhaust operation) for a very short time when a predetermined purge condition is satisfied. A slightly open continuous small exhaust operation may be performed. In the continuous small exhaust operation, the opening degree of the valve V1 is adjusted so that the flow rate of the off gas exhausted outside the system becomes a very small value compared to the consumption amount of the fuel gas in the fuel cell 2. More specifically, the valve V1 is configured so as to continuously exhaust offgas of an amount substantially equal to the permeation amount of impurities (mainly nitrogen) permeating the electrolyte membrane from the cathode side to the anode side per short time. Adjust the opening. The amount of permeation of impurities varies depending on conditions such as pressure, temperature, and the degree of deterioration of the electrolyte membrane, but can be experimentally obtained in advance in consideration of these conditions.

連続少量排気運転は、実質的には、実施の形態１，２のような間欠排気運転と同様に燃料ガスを燃料電池２の内部に止めた状態での運転と言える。したがって、燃料電池の内部に燃料ガスを実質的に止めた状態で運転する燃料電池システムとは、間欠排気運転を行うシステムと、連続少量排気運転を行うシステムとを指す。連続少量排気運転によれば、バッファタンク２０に溜まる不純物を系外に少しずつ排気してアノードガス流路からバッファタンク２０への不純物の移動を持続させることができるので、アノードガス流路内の不純物濃度を低い状態に維持することが可能になる。また、排気されるオフガスの水素濃度は極低く抑えられるので、そのまま大気中に放出することができる。ただし、希釈器や燃焼器等の水素濃度を低減する装置を介して放出するようにしてもよい。 The continuous small amount exhaust operation can be said to be an operation in a state where the fuel gas is stopped inside the fuel cell 2 as in the intermittent exhaust operation as in the first and second embodiments. Therefore, the fuel cell system that operates with the fuel gas substantially stopped inside the fuel cell refers to a system that performs intermittent exhaust operation and a system that performs continuous small amount exhaust operation. According to the continuous small-scale exhaust operation, the impurities accumulated in the buffer tank 20 can be exhausted little by little outside the system, and the movement of the impurities from the anode gas flow path to the buffer tank 20 can be continued. The impurity concentration can be kept low. Further, since the hydrogen concentration of the off-gas exhausted can be suppressed to an extremely low level, it can be released into the atmosphere as it is. However, you may make it discharge | release through apparatuses which reduce hydrogen concentration, such as a diluter and a combustor.

なお、連続少量排気運転を採るシステムでは、バルブＶ１としてはデューティ制御が可能なインジェクタが好ましい。燃料ガスの供給源としては高圧水素タンクや水素吸蔵材のような高濃度の水素、或いは純水素を供給できるものが好ましい。また、連続少量排気を行うのはあくまでも発電時であり、始動時にはバルブＶ１の開度を大きくして大量排気を行ってもよい。システムの停止時にはアノードガス流路内の不純物濃度が上昇した状態になっているが、大量排気を行うことでアノードガス流路内に溜まっている不純物を一気に排気することができ、システムを速やかに始動させることができる。 In a system that employs a continuous small amount of exhaust operation, the valve V1 is preferably an injector capable of duty control. The fuel gas supply source is preferably a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage material that can supply high-concentration hydrogen or pure hydrogen. Further, the continuous small amount of exhaust is performed only during power generation, and the large amount of exhaust may be performed by increasing the opening of the valve V1 at the time of starting. When the system is shut down, the concentration of impurities in the anode gas flow path is in an increased state. However, the impurities accumulated in the anode gas flow path can be exhausted at once by performing a large amount of exhaust, and the system can be quickly Can be started.

本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the fuel cell system of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１の燃料電池システムの動作を説明するためのフローチャートである。3 is a flowchart for explaining the operation of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 燃料電池の運転温度と燃料電池内部の水収支との関係について示す図である。It is a figure shown about the relationship between the operating temperature of a fuel cell, and the water balance inside a fuel cell. 本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the fuel cell system of Embodiment 2 of this invention.

Explanation of symbols

２燃料電池
４単位電池
６水素供給管
８調圧弁
１０ａ燃料ガス供給管（二次側）
１０ｂ燃料ガス供給管（一次側）
１２アノードオフガス排気管
１６，１８，３６バイパス管
２０バッファタンク
２２コンプレッサ
２４空気供給管
２６カソードオフガス排気管
２８加湿モジュール
３８排水管
４０制御装置
４２水素濃度センサ
４４温度計
４８水位計
４６電圧モニタ
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６バルブ 2 Fuel cell 4 Unit cell 6 Hydrogen supply pipe 8 Pressure regulating valve 10a Fuel gas supply pipe (secondary side)
10b Fuel gas supply pipe (primary side)
12 Anode off-gas exhaust pipe 16, 18, 36 Bypass pipe 20 Buffer tank 22 Compressor 24 Air supply pipe 26 Cathode off-gas exhaust pipe 28 Humidification module 38 Drain pipe 40 Controller 42 Hydrogen concentration sensor 44 Thermometer 48 Water level gauge 46 Voltage monitor V1, V2, V3, V4, V5, V6 valve

Claims

In a fuel cell system that operates with fuel gas substantially stopped inside the fuel cell,
A storage container provided outside the fuel cell;
A communication pipe for communicating the outlet of the anode gas flow path formed inside the fuel cell and the storage container;
Humidifying means for humidifying the inside of the fuel cell using water accumulated in the storage container;
A fuel cell system comprising:

The fuel cell system according to claim 1, further comprising a communication mechanism for communicating the storage container outside the system.

The humidifying means communicates the storage container with the primary supply passage of the fuel gas in a state where the communication pipe is shut off, and accumulates in the storage container using the pressure of the fuel gas in the primary supply passage. 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein water is supplied into a secondary supply passage of fuel gas connected to the fuel cell.

The humidifying means supplies water accumulated in the storage container into an air supply passage connected to the fuel cell using an off-gas pressure of fuel gas acting in the storage container. The fuel cell system according to claim 1 or 2.

A scavenging means for connecting the storage container and an air supply passage connected to the fuel cell in a state where the communication pipe is shut off, and scavenging the inside of the storage container using air introduced from the air supply passage The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising: