JP2009032512A

JP2009032512A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2009032512A
Application number: JP2007194935A
Authority: JP
Inventors: Junro Nonoyama; 順朗野々山; Toshihiko Yoshida; 利彦吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-02-12

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent drying up of a fuel cell by humidifying an oxidant in accordance with its operating state. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with fuel cells with a plurality of power generating parts each consisting of an electrolyte and a pair of electrodes arranged on either side of the electrolyte laminated through a separator. The fuel cell system is provided with: an oxidant supply channel for supplying an oxidant inside the fuel cells by circulating the oxidant used for electrochemical reaction of the fuel cells; and a fuel supply tube connected at one part of the oxidant supply channel for supplying fuel to be used in the electrochemical reaction of the fuel cells or used fuel into the oxidant supply channel. On a downstream side of the oxidant flow than the one part connected with the fuel supply tube in the oxidant supply channel, a catalyst is arranged having a catalytic function of reacting the oxidant in the oxidant supply channel and fuel supplied from the fuel supply tube or used fuel. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は燃料電池システムに関する。更に具体的には、発電部の電極のそれぞれに燃料と酸化剤とを供給して、電気化学反応を起こすことで電気エネルギーを得る燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system. More specifically, the present invention relates to a fuel cell system that obtains electric energy by supplying a fuel and an oxidant to each of the electrodes of the power generation unit and causing an electrochemical reaction.

一般に複数の発電部がセパレータを介して積層されたスタック構造の燃料電池において、発電部それぞれは、酸素極であるカソード極と燃料極であるアノード極とが電解質膜の両側に配置されて構成されている。このような燃料電池の運転時には、例えば、アノード極には燃料として水素が供給され、カソード極には酸素含有ガスである大気が供給される。その結果、アノード極触媒で発生したプロトンが電解質膜を透過し、カソード極触媒上においてプロトンと大気中の酸素とが反応して水が生成される。 In general, in a fuel cell having a stack structure in which a plurality of power generation units are stacked via separators, each power generation unit is configured such that a cathode electrode that is an oxygen electrode and an anode electrode that is a fuel electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane. ing. During operation of such a fuel cell, for example, hydrogen is supplied to the anode electrode as fuel, and the atmosphere that is an oxygen-containing gas is supplied to the cathode electrode. As a result, protons generated in the anode electrode catalyst permeate the electrolyte membrane, and protons react with oxygen in the atmosphere on the cathode electrode catalyst to generate water.

ここで、各電極への反応ガスの供給量は要求発電量に応じて設定され、通常、要求発電量が大きい場合にはガス流量も多くなる。このようにガス流量が多くなると、ガスの流通により電極や電解質膜が乾燥し（ドライアップ）、発電効率が低下することが考えられる。また、燃料電池運転中のカソード極での反応は発熱を伴うものである。従って、特に燃料電池が高負荷で運転されるような場合にはカソード極の温度上昇が大きく、カソード極側の乾燥が激しくなることが考えられる。このような乾燥を抑えるため、例えば、大気供給経路の途中に加湿器を配置して、燃料電池に供給される大気を加湿することが考えられる。しかしこのように加湿器を設置する構造とした場合、燃料電池システム全体の大型化につながることが考えられる。 Here, the supply amount of the reaction gas to each electrode is set according to the required power generation amount, and usually the gas flow rate increases when the required power generation amount is large. When the gas flow rate is increased in this way, it is conceivable that the electrode and the electrolyte membrane are dried (dry-up) due to the gas flow, and the power generation efficiency is lowered. Further, the reaction at the cathode electrode during operation of the fuel cell is accompanied by heat generation. Therefore, especially when the fuel cell is operated at a high load, the temperature rise of the cathode electrode is large, and it is considered that drying of the cathode electrode side becomes severe. In order to suppress such drying, for example, a humidifier may be disposed in the middle of the air supply path to humidify the air supplied to the fuel cell. However, when the humidifier is installed in this way, it can be considered that the entire fuel cell system is increased in size.

また、例えば特表２００４−５１９０７４号公報には、使用済み燃料を排出する燃料排出マニホールドと、カソード極に大気を供給する大気供給マニホールドとが、共に配置されていない構造とした燃料電池が開示されている。この燃料電池においては、使用済み燃料が燃料電池のケース内に溜められることとなり、カソード極の触媒上に、供給された大気中の酸素と、使用済み燃料中に残った水素とが混在することとなる。従ってカソード極触媒上で水素と酸素とが反応して水が生成される。これによってカソード極での水の生成量が多くなるため、カソード極の乾燥が防止されることが考えられる。 Also, for example, Japanese translations of PCT publication No. 2004-519074 discloses a fuel cell having a structure in which a fuel discharge manifold for discharging spent fuel and an air supply manifold for supplying air to the cathode electrode are not arranged. ing. In this fuel cell, spent fuel is stored in the case of the fuel cell, and oxygen in the atmosphere supplied and hydrogen remaining in the spent fuel are mixed on the cathode electrode catalyst. It becomes. Accordingly, hydrogen and oxygen react with each other on the cathode catalyst to produce water. As a result, the amount of water generated at the cathode electrode increases, and it is considered that drying of the cathode electrode is prevented.

特表２００４−５１９０７４号公報Special table 2004-519074 gazette 特開２００３−１４２１３４号公報JP 2003-142134 A

しかし、上記従来技術のようにカソード極上で水素と酸素とを直接反応させる構造とした場合、カソード極の温度上昇はより大きなものとなり、また、カソード極には反応中間体が多く存在する状態となる。このためカソード極の触媒周辺の炭素が劣化し、更には触媒粒子の凝集による触媒表面積の低下が起こり、燃料電池の耐久性が低下することが考えられる。従って、加湿器設置などによる燃料電池システムの大型化を避けつつ、乾燥を抑えて電極や電解質膜を湿潤状態に維持して高い発電効率を確保できる燃料電池が望まれている。 However, when a structure in which hydrogen and oxygen are directly reacted on the cathode electrode as in the above prior art, the temperature rise of the cathode electrode is larger, and there are many reaction intermediates in the cathode electrode. Become. For this reason, the carbon around the catalyst of the cathode electrode is deteriorated, and further, the catalyst surface area is reduced due to the aggregation of the catalyst particles, and the durability of the fuel cell is considered to be lowered. Accordingly, there is a demand for a fuel cell capable of ensuring high power generation efficiency by preventing the increase in size of the fuel cell system due to installation of a humidifier or the like and suppressing drying to maintain the electrodes and the electrolyte membrane in a wet state.

この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、システムの大型化を抑えつつ、発電部の乾燥を抑えられるよう改良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 such a problem, and an object of the present invention is to provide an improved fuel cell system that can suppress drying of the power generation unit while suppressing an increase in size of the system.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
電解質と、前記電解質の両側に配置された一対の電極と、からなる複数の発電部が、セパレータを介して積層された燃料電池と、
前記燃料電池の電気化学反応に使用される酸化剤を流通させて、燃料電池内に酸化剤を供給するための酸化剤供給経路と、
前記酸化剤供給経路の一箇所に接続し、かつ、前記燃料電池の電気化学反応に使用される燃料又は使用済み燃料を、前記酸化剤供給経路内に供給するための燃料供給管と、
前記酸化剤供給経路内の、前記一箇所よりも酸化剤の流れの下流側に配置され、かつ、前記酸化剤供給経路内の酸化剤と、前記燃料供給管から供給された燃料又は使用済み燃料と、を反応させる触媒機能を有する触媒と、
を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A fuel cell in which a plurality of power generation units composed of an electrolyte and a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte are stacked via a separator;
An oxidant supply path for supplying an oxidant into the fuel cell by circulating an oxidant used in the electrochemical reaction of the fuel cell;
A fuel supply pipe connected to one place of the oxidant supply path and for supplying fuel or used fuel used in the electrochemical reaction of the fuel cell into the oxidant supply path;
The oxidant in the oxidant supply path is arranged on the downstream side of the oxidant flow with respect to the one location, and the oxidant in the oxidant supply path and the fuel or spent fuel supplied from the fuel supply pipe And a catalyst having a catalytic function of reacting,
It is characterized by providing.

第２の発明は、第１の発明において、前記酸化剤供給経路は、
前記燃料電池外部から、前記燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、
前記燃料電池内に前記セパレータを積層方向に貫通して配置され、前記酸化剤導入管に接続する、酸化剤供給マニホールドと、を備え、
前記触媒は、前記酸化剤供給マニホールド内に配置されていることを特徴とする。 In a second aspect based on the first aspect, the oxidant supply path comprises:
An oxidant introduction pipe for introducing an oxidant into the fuel cell from the outside of the fuel cell;
An oxidant supply manifold that is disposed through the fuel cell in the stacking direction and is connected to the oxidant introduction pipe.
The catalyst is arranged in the oxidant supply manifold.

第３の発明は、第１の発明において、前記酸化剤供給経路は、
前記燃料電池の外部から、前記燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、
前記燃料電池内に前記セパレータを積層方向に貫通して配置され、前記酸化剤導入管に接続する、酸化剤供給マニホールドと、を備え、
前記触媒は、前記酸化剤導入管内に配置されていることを特徴とする。 In a third aspect based on the first aspect, the oxidant supply path is
An oxidant introduction pipe for introducing an oxidant into the fuel cell from the outside of the fuel cell;
An oxidant supply manifold that is disposed through the fuel cell in the stacking direction and is connected to the oxidant introduction pipe.
The catalyst is arranged in the oxidant introduction pipe.

第４の発明は、第１から３のいずれか１の発明において、前記燃料電池に接続し、前記燃料電池から排出される使用済み燃料が流入する燃料排出経路を備え、
前記燃料供給管は、前記燃料排出経路に接続し、前記燃料排出経路内の使用済み燃料を、前記酸化剤供給経路に供給することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the fuel cell includes a fuel discharge path that is connected to the fuel cell and into which spent fuel discharged from the fuel cell flows.
The fuel supply pipe is connected to the fuel discharge path and supplies spent fuel in the fuel discharge path to the oxidant supply path.

第５の発明は、第１から４のいずれか１の発明において、
燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧が基準電圧以上となっているか否かを判定する電圧判定手段と、
前記電圧が前記基準電圧以上であることが認められた場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする。 A fifth invention is any one of the first to fourth inventions,
Voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell;
Voltage determining means for determining whether or not the voltage is equal to or higher than a reference voltage;
Control means for supplying fuel or spent fuel to the oxidant supply path when the voltage is found to be greater than or equal to the reference voltage;
It is characterized by providing.

第６の発明は、第１から５のいずれか１の発明において、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度が基準温度以上となっているか否かを判定する温度判定手段と、
前記温度が前記基準温度以上であることが認められた場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする。 A sixth invention is any one of the first to fifth inventions,
Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
Temperature determining means for determining whether the temperature is equal to or higher than a reference temperature;
Control means for supplying fuel or spent fuel to the oxidant supply path when the temperature is found to be equal to or higher than the reference temperature;
It is characterized by providing.

第７の発明は、第１から６のいずれか１の発明において、前記燃料電池が停止している状態から起動させる際の起動モード制御中であることを検出する起動モード検出手段と、
前記起動モードが検出された場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする。 A seventh aspect of the invention relates to any one of the first to sixth aspects of the invention, a startup mode detecting means for detecting that the fuel cell is in a startup mode control when starting from a stopped state;
Control means for supplying fuel or spent fuel to the oxidant supply path when the activation mode is detected;
It is characterized by providing.

第１の発明によれば、燃料電池システムは、発電部に酸化剤を供給する酸化剤供給経路に、燃料又は使用済み燃料を供給する燃料供給管を有している。また、酸化剤供給経路内の、燃料供給管との接続部より下流側には、酸化剤供給経路内の酸化剤と、燃料供給管から供給された燃料又は使用済み燃料とを反応させる触媒機能を有する触媒が配置されている。これにより、酸化剤供給経路内で酸化剤と燃料とを反応させることで、水を生成することができ、この生成水によって酸化剤供給経路内の酸化剤を加湿することができる。これによって燃料電池システムの大型化を抑えつつ酸化剤を十分に加湿することができ、発電部の乾燥を抑えることができる。 According to the first invention, the fuel cell system has the fuel supply pipe for supplying the fuel or the spent fuel to the oxidant supply path for supplying the oxidant to the power generation unit. Further, on the downstream side of the connecting portion with the fuel supply pipe in the oxidant supply path, a catalytic function for reacting the oxidant in the oxidant supply path with the fuel supplied from the fuel supply pipe or the spent fuel. A catalyst is disposed. Thereby, water can be produced | generated by making an oxidant and a fuel react in an oxidant supply path | route, and the oxidant in an oxidant supply path | route can be humidified with this produced | generated water. Accordingly, the oxidant can be sufficiently humidified while suppressing an increase in size of the fuel cell system, and drying of the power generation unit can be suppressed.

第２の発明によれば、酸化剤供給経路は、燃料電池外部から燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、燃料電池のセパレータを貫通して配置される燃料電池内の酸化剤供給マニホールドとにより構成され、触媒は酸化剤供給マニホールド内に配置される。これにより、燃料電池を大型化することなく、酸化剤供給マニホールド内の、発電部への供給直前の酸化剤を十分に加湿することができる。 According to the second invention, the oxidant supply path is provided in the fuel cell disposed through the oxidant introduction pipe for introducing the oxidant into the fuel cell from the outside of the fuel cell and the separator of the fuel cell. The catalyst is disposed in the oxidant supply manifold. Thereby, it is possible to sufficiently humidify the oxidant in the oxidant supply manifold just before the supply to the power generation unit without increasing the size of the fuel cell.

第３の発明によれば、酸化剤供給経路は、燃料電池外部から燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、燃料電池のセパレータを貫通して配置される燃料電池内の酸化剤供給マニホールドとにより構成され、触媒は酸化剤導入管内に配置される。これにより、発電部のカソード極に共有される前に、十分に酸化剤を加湿することができ、燃料電池システムの大型化を抑えつつ、発電部の乾燥を抑えることができる。 According to the third invention, the oxidant supply path is provided in the fuel cell disposed through the oxidant introduction pipe for introducing the oxidant into the fuel cell from the outside of the fuel cell and the separator of the fuel cell. The catalyst is arranged in the oxidant introduction pipe. As a result, the oxidant can be sufficiently humidified before being shared by the cathode of the power generation unit, and drying of the power generation unit can be suppressed while suppressing an increase in the size of the fuel cell system.

第４の発明によれば、燃料供給管は燃料排出経路に接続し、燃料電池から排出された燃料排出経路内の使用済み燃料を酸化剤供給経路に供給する。従って、使用済み燃料内に含まれる未反応の燃料を有効に利用することができると共に、使用済み燃料内に含まれる水分によっても酸化剤を加湿することができるため、酸化剤をより効果的に加湿することができる。 According to the fourth invention, the fuel supply pipe is connected to the fuel discharge path, and supplies spent fuel in the fuel discharge path discharged from the fuel cell to the oxidant supply path. Therefore, the unreacted fuel contained in the spent fuel can be used effectively, and the oxidant can be humidified by the moisture contained in the spent fuel. Can be humidified.

第５の発明によれば、燃料電池の電圧が基準電圧以上となっている場合に、酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給が行なわれるように制御される。これにより、乾燥を起こしやすい状態において、酸化剤を十分に加湿することができると共に、燃料電池の発電量が小さく、水分が滞留しやすい状態において酸化剤が過度に加湿される事態を防ぐことができる。 According to the fifth aspect of the invention, when the voltage of the fuel cell is equal to or higher than the reference voltage, the fuel or the spent fuel is controlled to be supplied to the oxidant supply path. As a result, the oxidant can be sufficiently humidified in a state where drying tends to occur, and the situation where the oxidant is excessively humidified in a state where the amount of power generation of the fuel cell is small and moisture tends to stay can be prevented. it can.

第６の発明によれば、燃料電池の温度が基準温度以上となっている場合に、酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給が行なわれるように制御される。これにより、乾燥を起こしやすい状態において、酸化剤を十分に加湿することができると共に、燃料電池内の温度が低く、水分が多く滞留しやすい状態において、酸化剤が過度に加湿されるのを防ぐことができる。 According to the sixth invention, when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than the reference temperature, the fuel or the spent fuel is controlled to be supplied to the oxidant supply path. As a result, the oxidant can be sufficiently humidified in a state where drying tends to occur, and the oxidant can be prevented from being excessively humidified in a state where the temperature in the fuel cell is low and water tends to stay. be able to.

ところで、燃料電池停止中の水分凍結防止のため、燃料電池の停止モードにおいてカソード極に滞留する水分を一旦排出する制御を行なう場合がある。この場合、燃料電池の次回起動時には、カソード極側が乾燥状態となっている場合が多い。この点、第７の発明によれば、起動モードにおいて燃料等を酸化剤供給経路側に供給することで、起動時において酸化剤を加湿することができ、起動時の発電部の乾燥を早い段階で解消することができる。 By the way, in order to prevent moisture freezing while the fuel cell is stopped, there is a case where control is performed to temporarily discharge the water staying at the cathode electrode in the stop mode of the fuel cell. In this case, the cathode electrode side is often in a dry state at the next start-up of the fuel cell. In this regard, according to the seventh aspect, by supplying fuel or the like to the oxidant supply path side in the start-up mode, the oxidant can be humidified at the start-up, and the power generation unit at the start-up can be quickly dried. Can be solved.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.

実施の形態．
[実施の形態のシステムの構成について]
図１は、この発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成について説明するための模式図である。図２はこの発明の実施の形態における燃料電池システムの燃料電池について説明するための模式図である。図１に示すシステムは燃料電池１０を有している。燃料電池１０の両側にはエンドプレート１２が配置されている。エンドプレート１２に挟まれた燃料電池１０の内部には複数のセル１４が積層されている。セル１４それぞれは、電解質膜（図示せず）と、その両側に配置された一対の電極であるカソード極とアノード極とからなる膜−電極接合体（発電部）を有している。また膜−電極接合体の両側にはセパレータが配置されている。セパレータのカソード極に接する面には酸化剤としての大気を流通させるための大気流路が形成され、アノード極に接する面には燃料としての水素を流通させるための水素流路が形成されている。 Embodiment.
[System configuration of the embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the fuel cell of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. The system shown in FIG. 1 has a fuel cell 10. End plates 12 are disposed on both sides of the fuel cell 10. A plurality of cells 14 are stacked inside the fuel cell 10 sandwiched between the end plates 12. Each cell 14 has an electrolyte membrane (not shown) and a membrane-electrode assembly (power generation unit) composed of a cathode electrode and an anode electrode, which are a pair of electrodes arranged on both sides thereof. In addition, separators are disposed on both sides of the membrane-electrode assembly. An air passage for circulating the air as an oxidant is formed on the surface in contact with the cathode electrode of the separator, and a hydrogen channel for flowing hydrogen as a fuel is formed on the surface in contact with the anode electrode. .

図２は、燃料電池１０内に形成された水素又は大気の給・排気用のマニホールドのみを透視して表したものである。図２の燃料電池１０の上方が図１の右側となり、図２の下方が図１の左側に対応する配置となっている。図２を参照して、燃料電池１０内には、各セル１４のセパレータを積層方向に貫通して、大気流路に大気を供給するための大気供給マニホールド２０（酸化剤供給マニホールド）及び、大気流路から排出される大気オフガス（使用済みの大気）を排出するための大気排出マニホールド２２が形成されている。各セパレータに形成された大気流路はその上流と下流とにおいて、それぞれ大気供給マニホールド２０及び大気排出マニホールド２２に接続している。 FIG. 2 is a perspective view showing only the hydrogen or atmospheric supply / exhaust manifold formed in the fuel cell 10. The upper side of the fuel cell 10 in FIG. 2 is the right side in FIG. 1, and the lower side in FIG. 2 is an arrangement corresponding to the left side in FIG. Referring to FIG. 2, in fuel cell 10, an air supply manifold 20 (oxidant supply manifold) for supplying air to the air flow path through the separator of each cell 14 in the stacking direction, An atmospheric discharge manifold 22 is formed for discharging atmospheric off gas (used air) discharged from the air flow path. The atmospheric flow path formed in each separator is connected to the atmospheric supply manifold 20 and the atmospheric discharge manifold 22 on the upstream side and the downstream side, respectively.

同様に、燃料電池１０内には各セル１４のセパレータを貫通し、水素流路に水素を供給するための水素供給マニホールド２４及び、水素流路から排出された水素オフガス（使用済み燃料）を排出させるための水素排出マニホールド２６が形成されている。各セパレータに形成された水素流路はその上流と下流とにおいて、それぞれ水素供給マニホールド２４及び水素排出マニホールド２６に接続している。 Similarly, the fuel cell 10 passes through the separator of each cell 14 and discharges a hydrogen supply manifold 24 for supplying hydrogen to the hydrogen flow path and hydrogen off-gas (spent fuel) discharged from the hydrogen flow path. A hydrogen discharge manifold 26 is formed. The hydrogen flow path formed in each separator is connected to the hydrogen supply manifold 24 and the hydrogen discharge manifold 26 at the upstream and downstream, respectively.

ここで大気供給マニホールド２０内には、触媒２８が配置されている。触媒２８は、中空の網状の部材表面を、触媒粒子である白金（Ｐｔ）で覆うようにして構成されている。大気供給マニホールド２０内に導入されるガスは、触媒２８の網の孔内や、触媒２８が配置されていない空間を通過することができる。 Here, a catalyst 28 is disposed in the air supply manifold 20. The catalyst 28 is configured such that the surface of a hollow net-like member is covered with platinum (Pt) that is catalyst particles. The gas introduced into the atmosphere supply manifold 20 can pass through the holes of the mesh of the catalyst 28 and the space where the catalyst 28 is not disposed.

図１では説明のため、大気供給マニホールド２０と大気排出マニホールド２２とが模式的に透視した状態で表されている。図１を参照して、大気供給マニホールド２０は、燃料電池１０の大気導入口（図示せず）において、外部の大気導入管３０（酸化剤導入管）と連通している。大気排出マニホールド２２は、燃料電池１０の大気排出口（図示せず）において外部の大気排出管３２と連通している。これによって外部の大気導入管３０から大気供給マニホールド２０内に大気が供給され、各セル１４から排出される大気オフガスは、大気排出マニホールド２２を通り、大気排出管３２から外部に排出される。 In FIG. 1, the air supply manifold 20 and the air discharge manifold 22 are schematically shown in a transparent manner for the sake of explanation. Referring to FIG. 1, the air supply manifold 20 communicates with an external air introduction pipe 30 (oxidant introduction pipe) at an air introduction port (not shown) of the fuel cell 10. The air discharge manifold 22 communicates with an external air discharge pipe 32 at an air discharge port (not shown) of the fuel cell 10. As a result, the atmosphere is supplied from the outside atmosphere introduction pipe 30 into the atmosphere supply manifold 20, and the atmosphere off gas discharged from each cell 14 passes through the atmosphere discharge manifold 22 and is discharged to the outside from the atmosphere discharge pipe 32.

一方、水素供給マニホールド２４は燃料電池１０の水素導入口（図示せず）において、外部の水素導入管３４と連通している。水素導入管３４は、その上流側の端部において、図示しない水素タンクに接続している。水素排出マニホールド２６は水素排出口（図示せず）において外部の水素排出管３６（燃料排出経路）と連通している。水素排出管３６はその下流側で、循環管４０、排出管４２、水素オフガス供給管４４（燃料供給管）の３方向に分岐している。 On the other hand, the hydrogen supply manifold 24 communicates with an external hydrogen introduction pipe 34 at a hydrogen introduction port (not shown) of the fuel cell 10. The hydrogen introduction pipe 34 is connected to a hydrogen tank (not shown) at its upstream end. The hydrogen discharge manifold 26 communicates with an external hydrogen discharge pipe 36 (fuel discharge path) at a hydrogen discharge port (not shown). The hydrogen discharge pipe 36 is branched downstream in three directions: a circulation pipe 40, a discharge pipe 42, and a hydrogen offgas supply pipe 44 (fuel supply pipe).

循環管４０は、水素排出管３６からの分岐部（つまり、循環管４０と水素排出管３６との接合部）とは反対側の端部において水素導入管３４に接続している。循環管４０には第１バルブ５０が取り付けられている。排出管４２は、水素排出管３６からの分岐部とは反対側の端部において、希釈器（図示せず）に接続している。排出管４２には第２バルブ５２が取り付けられている。水素オフガス供給管４４は、水素排出管３６からの分岐部とは反対側の端部において大気導入管３０に接続している。水素オフガス供給管４４には第３バルブ５４が取り付けられている。 The circulation pipe 40 is connected to the hydrogen introduction pipe 34 at the end opposite to the branch portion from the hydrogen discharge pipe 36 (that is, the junction between the circulation pipe 40 and the hydrogen discharge pipe 36). A first valve 50 is attached to the circulation pipe 40. The discharge pipe 42 is connected to a diluter (not shown) at the end opposite to the branch from the hydrogen discharge pipe 36. A second valve 52 is attached to the discharge pipe 42. The hydrogen off-gas supply pipe 44 is connected to the atmosphere introduction pipe 30 at the end opposite to the branch portion from the hydrogen discharge pipe 36. A third valve 54 is attached to the hydrogen off gas supply pipe 44.

燃料電池１０には各セル１４のセル電圧に応じた出力を発するセルモニタ５８が取り付けられている。この燃料電池システムは制御装置としてのＥＣＵ６０を有している。ＥＣＵ６０は、セルモニタ５８や、燃料電池１０の水素又は大気の入口圧又は出口圧を検出する圧力センサ（図示せず）や冷却水の温度を検出する水温センサ（図示せず）等に接続され、これらセンサからの出力信号を受けて燃料電池１０の運転状態に関する情報を検出する。また、このように検出された運転状態の情報に応じて、燃料電池１０の運転に関する種々の制御信号を発し、運転に必要な制御を行なう。具体的には例えば、ＥＣＵ６０は第１バルブ５０、第２バルブ５２、第３バルブ５４に制御信号を発することで、各バルブの開閉を制御する。 A cell monitor 58 is attached to the fuel cell 10 to generate an output corresponding to the cell voltage of each cell 14. This fuel cell system has an ECU 60 as a control device. The ECU 60 is connected to a cell monitor 58, a pressure sensor (not shown) that detects the hydrogen or atmospheric inlet pressure or outlet pressure of the fuel cell 10, a water temperature sensor (not shown) that detects the temperature of the cooling water, and the like. Information relating to the operating state of the fuel cell 10 is detected in response to output signals from these sensors. Further, various control signals relating to the operation of the fuel cell 10 are issued according to the information on the operation state detected in this manner, and the control necessary for the operation is performed. Specifically, for example, the ECU 60 controls the opening and closing of each valve by issuing control signals to the first valve 50, the second valve 52, and the third valve 54.

以上のように構成された燃料電池システムが運転している間、大気導入管３０からは所定の圧力に制御された大気が外部から導入され、大気供給マニホールド２０を介して、各セル１４のカソード極に供給される。カソード極から排出される大気オフガスは、大気排出マニホールド２２から大気排出管３２側に排出される。一方、水素供給源（図示せず）から供給される水素は、水素導入管３４及び水素供給マニホールド２４を通過して各セル１４のアノード極に供給される。アノード極から排出される水素オフガスは、水素排出マニホールド２６から水素排出管３６側に排出される。 During the operation of the fuel cell system configured as described above, the atmosphere controlled to a predetermined pressure is introduced from the atmosphere introduction pipe 30 from the outside, and the cathode of each cell 14 is connected via the atmosphere supply manifold 20. Supplied to the pole. The atmospheric off gas discharged from the cathode electrode is discharged from the atmospheric discharge manifold 22 to the atmospheric discharge pipe 32 side. On the other hand, hydrogen supplied from a hydrogen supply source (not shown) passes through the hydrogen introduction pipe 34 and the hydrogen supply manifold 24 and is supplied to the anode electrode of each cell 14. The hydrogen off gas discharged from the anode electrode is discharged from the hydrogen discharge manifold 26 to the hydrogen discharge pipe 36 side.

上記したように水素排出管３６は、その下流において循環管４０、排出管４２、水素オフガス供給管４４に分岐している。ここで循環管４０に設置された第１バルブ５０が開いている状態では、燃料電池１０から排出された水素オフガスは、再び水素導入管３４内に流入し燃料電池１０の水素供給マニホールド２４から各セル１４のアノード極に供給されることとなる。燃料電池１０の発電効率を向上させるため、通常、アノード極には反応に必要な水素量よりも多くの水素を流通させている。従って、水素オフガス中には未反応の水素が含まれている。このため水素オフガスを上流側、即ち水素供給マニホールド２４側に再び流入させることで、水素オフガス中に含まれる未反応の水素を循環させてアノード極に供給するようにする。これにより水素の有効利用率を向上させている。 As described above, the hydrogen discharge pipe 36 is branched downstream into the circulation pipe 40, the discharge pipe 42, and the hydrogen off-gas supply pipe 44. Here, in a state where the first valve 50 installed in the circulation pipe 40 is open, the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 10 flows again into the hydrogen introduction pipe 34 and is supplied from the hydrogen supply manifold 24 of the fuel cell 10. This is supplied to the anode electrode of the cell 14. In order to improve the power generation efficiency of the fuel cell 10, more hydrogen than the amount of hydrogen necessary for the reaction is normally circulated through the anode electrode. Therefore, unreacted hydrogen is contained in the hydrogen off gas. For this reason, the hydrogen off-gas is again introduced into the upstream side, that is, the hydrogen supply manifold 24 side, whereby unreacted hydrogen contained in the hydrogen off-gas is circulated and supplied to the anode electrode. This improves the effective utilization rate of hydrogen.

一方、排出管４２に取り付けられた第２バルブ５２が開弁状態とされている場合、燃料電池１０から排出された水素オフガスは、希釈器側に排出されることとなる。例えば、燃料電池１０の起動時のように水素流路内をパージする必要がある場合や、水素がある程度繰り返し循環利用されて、水素オフガス中の水素濃度が低くなった場合などには、水素オフガスの循環を停止して、水素流路内の水素濃度を高くする必要がある。従って、第１バルブ５０を閉弁して水素オフガスの循環を停止すると共に、第２バルブ５２を開弁して、水素オフガスを外部に排出する。これにより水素の有効利用を図りつつ、水素流路内の水素濃度低下による発電量の低下を防止する。 On the other hand, when the second valve 52 attached to the discharge pipe 42 is in an open state, the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 10 is discharged to the diluter side. For example, when it is necessary to purge the hydrogen flow path as when the fuel cell 10 is started up, or when hydrogen is repeatedly circulated to some extent and the hydrogen concentration in the hydrogen off gas becomes low, the hydrogen off gas It is necessary to stop the circulation and increase the hydrogen concentration in the hydrogen flow path. Accordingly, the first valve 50 is closed to stop the circulation of the hydrogen off gas, and the second valve 52 is opened to discharge the hydrogen off gas to the outside. As a result, reduction in the amount of power generation due to a decrease in the hydrogen concentration in the hydrogen flow path is prevented while effectively utilizing hydrogen.

第３バルブ５４は、第１バルブ５０又は第２バルブ５２が開弁されている状態で、その開閉が制御される。第３バルブ５４が開弁状態となると、燃料電池１０から排出された水素オフガスの一部が、水素オフガス供給管４４を通り、大気導入管３０に流入する。その結果、大気供給マニホールド２０内には、大気と未反応の水素を含む水素オフガスが混合した状態で流入する。 The opening and closing of the third valve 54 is controlled in a state where the first valve 50 or the second valve 52 is opened. When the third valve 54 is opened, a part of the hydrogen offgas discharged from the fuel cell 10 flows into the atmosphere introduction pipe 30 through the hydrogen offgas supply pipe 44. As a result, the atmosphere and the hydrogen off-gas containing unreacted hydrogen flow into the atmosphere supply manifold 20 in a mixed state.

ここで大気供給マニホールド２０内には触媒２８が配置されている。従って大気と水素とを含む混合ガスが大気供給マニホールド２０内を流通する間に、触媒２８上で、大気中の酸素と水素とが反応を起こし水が生成される。その結果、生成水によって、大気供給マニホールド２０内の大気が加湿された状態で、各セル１４のカソード極に供給される。 Here, a catalyst 28 is disposed in the air supply manifold 20. Accordingly, while the mixed gas containing the atmosphere and hydrogen flows through the atmosphere supply manifold 20, oxygen and hydrogen in the atmosphere react on the catalyst 28 to generate water. As a result, the generated water is supplied to the cathode electrode of each cell 14 in a state where the atmosphere in the atmosphere supply manifold 20 is humidified.

ところで各セル１４のカソード極では電気分解反応によって水が生成されている。この生成水は大気流路内の大気の流れによって下流側に移動するため、大気流路の下流側はある程度高い湿潤状態で保たれることとなる。しかし、大気流路上流側の水分は大気の流れと共に下流側に移動する。また大気流路上流側における大気流入の勢いは強くなっている。このため、電解質膜やカソード極の乾燥（ドライアップ）は大気流路の上流側で起こりやすい。この実施の形態のシステムは大気流路上流側に供給される大気を大気供給マニホールド２０内で加湿できる構造とすることで、大気流路上流側でのドライアップを効果的に防止する。 Incidentally, water is generated at the cathode electrode of each cell 14 by an electrolysis reaction. Since this generated water moves to the downstream side by the atmospheric flow in the atmospheric flow path, the downstream side of the atmospheric flow path is kept in a highly moist state to some extent. However, the moisture on the upstream side of the atmospheric flow path moves to the downstream side along with the atmospheric flow. In addition, the momentum of the air inflow on the upstream side of the air flow path is increasing. For this reason, drying (dry-up) of the electrolyte membrane and the cathode is likely to occur upstream of the atmospheric flow path. The system of this embodiment has a structure in which the atmosphere supplied to the upstream side of the atmospheric flow path can be humidified in the atmospheric supply manifold 20, thereby effectively preventing dry-up on the upstream side of the atmospheric flow path.

ただし、大気流路内での水分量が過剰となると、大気流路下流側に移動した生成水が下流側で滞留し流路を塞いでフラッディング状態となる場合がある。従って、このような大気供給マニホールド２０内での水の生成反応による加湿は、燃料電池１０の運転状態に応じて、ドライアップを起こしやすい状態のときに行なうことが好ましい。従って、この実施の形態のシステムでは、（１）燃料電池１０を停止状態から起動する起動モードであって、起動時の温度が基準温度以上である場合、及び（２）燃料電池１０のセル電圧が基準電圧以上である場合に、第３バルブ５４を開弁状態として、大気供給マニホールド２０内で水を生成して大気を加湿するように制御する。 However, if the amount of water in the atmospheric flow path becomes excessive, the generated water that has moved to the downstream side of the atmospheric flow path may stay on the downstream side, block the flow path, and become flooded. Therefore, it is preferable that the humidification by the water generation reaction in the air supply manifold 20 is performed in a state in which dry-up is likely to occur depending on the operation state of the fuel cell 10. Therefore, in the system according to this embodiment, (1) the start-up mode in which the fuel cell 10 is started from the stop state, and the temperature at the start-up is equal to or higher than the reference temperature, and (2) the cell voltage of the fuel cell 10 Is equal to or higher than the reference voltage, the third valve 54 is opened to control the generation of water in the atmosphere supply manifold 20 to humidify the atmosphere.

通常、燃料電池１０の停止時には、水分の凍結による燃料電池１０の劣化を防止するため大気流路内の水分が排出される。このため次回起動が、燃料電池１０の温度がある程度高いうちに行なわれることとなると、特に湿度が低い状態での起動となるため電解質膜が過剰に乾燥した状態で燃料電池１０が運転されることとなる。従って、起動モードでのドライアップによる電解質膜等の劣化を防ぐため、（１）の起動モードであって、その温度が一定温度以上である場合には、第３バルブ５４を開いて、大気供給マニホールド２０内で水が生成されるように制御する。 Normally, when the fuel cell 10 is stopped, the water in the atmospheric flow path is discharged in order to prevent the fuel cell 10 from deteriorating due to water freezing. Therefore, if the next start-up is performed while the temperature of the fuel cell 10 is high to some extent, the start-up is performed particularly in a low humidity state, so that the fuel cell 10 is operated with the electrolyte membrane being excessively dried. It becomes. Therefore, in order to prevent deterioration of the electrolyte membrane or the like due to dry-up in the start mode, when the start mode of (1) is at a certain temperature or higher, the third valve 54 is opened to supply air. Control is performed so that water is generated in the manifold 20.

なお、ここでの一定温度は、燃料電池１０の起動モードにおいてドライアップを起こしやすい程度に高温での起動になるか否かの判断の基準となる温度である。具体的にここでは、冷却水温が基準温度以上であるか否かによって、一定温度以上の起動であるか否かが判断される。基準温度は燃料電池１０ごとに予め実験等によって定められ、制御装置６０に記憶される。具体的に例えば、この実施の形態では基準温度は７０℃程度に設定される。 Note that the constant temperature here is a temperature that serves as a criterion for determining whether or not the fuel cell 10 is activated at a high temperature to the extent that dry-up is likely to occur. Specifically, it is determined here whether or not the start-up is at or above a certain temperature depending on whether or not the coolant temperature is above the reference temperature. The reference temperature is determined in advance for each fuel cell 10 through experiments or the like and stored in the control device 60. Specifically, for example, in this embodiment, the reference temperature is set to about 70 ° C.

また、カソード極での水の生成反応は発熱反応である。従って、燃料電池１０の発電量が大きい場合、大気流路への大気流入量の増加による乾燥に加えて、カソ−ド極の温度上昇による乾燥が起こり、ドライアップを起こしやすい状態となる。従って、（２）の燃料電池１０のセル電圧が基準電圧以上である場合にも、同様に、第３バルブ５４を開放して大気導入管３０に水素オフガスを導入することで、大気供給マニホールド２０内で水を生成して大気を加湿する。なお、ここでの基準電圧は燃料電池１０がドライアップを起こしやすい高負荷状態での運転となるか否かの基準となる電圧であり、予め実験等によって定められ、制御装置６０に記憶されている。 The water generation reaction at the cathode is an exothermic reaction. Therefore, when the power generation amount of the fuel cell 10 is large, in addition to drying due to an increase in the amount of air flowing into the air flow path, drying due to a rise in the temperature of the cathode electrode occurs, so that dry-up is likely to occur. Accordingly, even when the cell voltage of the fuel cell 10 in (2) is equal to or higher than the reference voltage, the air supply manifold 20 is similarly opened by opening the third valve 54 and introducing hydrogen off-gas into the air introduction pipe 30. Generates water inside and humidifies the atmosphere. Here, the reference voltage is a voltage that serves as a reference for determining whether or not the fuel cell 10 is likely to be operated in a high load state in which dry-up is likely to occur, and is determined in advance through experiments or the like and stored in the control device 60. Yes.

なお、（１）、（２）の何れの場合においても、大気供給マニホールド２０内での水の生成反応において、大気中の酸素が用いられることとなる。このため、水素オフガス供給管４４から供給される水素オフガス中の水素量が過剰に多くなると、大気中の酸素が減少し、カソード極に供給される酸素が不足する事態となることが考えられる。また水素が完全に反応せずにカソード極側に供給されることとなると、カソード極や電解質膜を劣化させる事態となることが考えられる。従って実施の形態のシステムでは、このような事態を防止するため第３バルブ５４の開度が調整され、大気導入管３０内に供給される水素オフガス量がカソード極での酸素不足を発生させない程度に少量となるように設定されている。また、更に酸素不足を防止するため、大気導入管３０内に導入される大気量を、要求発電量に応じた大気の量よりも一定量増量させることで酸素不足を防止することもできる。 In either case (1) or (2), oxygen in the atmosphere is used in the water generation reaction in the atmosphere supply manifold 20. For this reason, if the amount of hydrogen in the hydrogen off-gas supplied from the hydrogen off-gas supply pipe 44 is excessively increased, the oxygen in the atmosphere is reduced, and the oxygen supplied to the cathode electrode may be insufficient. In addition, if hydrogen is not completely reacted and is supplied to the cathode electrode side, the cathode electrode and the electrolyte membrane may be deteriorated. Therefore, in the system of the embodiment, the opening degree of the third valve 54 is adjusted to prevent such a situation, and the amount of hydrogen off-gas supplied into the atmosphere introduction pipe 30 does not cause oxygen shortage at the cathode electrode. It is set to be a small amount. Further, in order to further prevent oxygen shortage, it is possible to prevent oxygen shortage by increasing the amount of air introduced into the air introduction pipe 30 by a fixed amount from the amount of air corresponding to the required power generation amount.

以上のように、燃料電池１０の運転状態に応じて大気流路上流側に供給する大気を加湿することができるため、過剰な加湿によるフラッディングの発生を防ぎつつ、ドライアップを起こしやすい場合に大気を加湿することでドライアップを抑えることができる。 As described above, since the atmosphere supplied to the upstream side of the air flow path can be humidified according to the operating state of the fuel cell 10, the atmosphere is used when dry-up is likely to occur while preventing flooding due to excessive humidification. Drying up can be suppressed by humidifying.

図３は、この発明の実施の形態においてＥＣＵ６０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図３のルーチンは燃料電池１０の運転中に一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図３のルーチンでは、まず燃料電池１０の運転中であるか否かが判定される（Ｓ１００）。燃料電池１０の運転中であることが認められない場合はこのままこのルーチンが終了する。 FIG. 3 is a flowchart for illustrating a control routine executed by ECU 60 in the embodiment of the present invention. The routine of FIG. 3 is a routine that is repeatedly executed at regular intervals during the operation of the fuel cell 10. In the routine of FIG. 3, it is first determined whether or not the fuel cell 10 is in operation (S100). If it is not recognized that the fuel cell 10 is in operation, this routine ends.

一方、ステップＳ１００において燃料電池１０の運転中であることが認められると、次に、現在、燃料電池１０の運転モードが、燃料電池１０を、停止状態から起動する際の、起動モードであるか否かが判定される（Ｓ１０２）。 On the other hand, if it is recognized in step S100 that the fuel cell 10 is in operation, then whether the operation mode of the fuel cell 10 is currently the start mode when starting the fuel cell 10 from the stopped state. It is determined whether or not (S102).

ステップＳ１０２において起動モードであることが認められた場合、次に、現在の冷却水の水温が検出される（Ｓ１０４）。水温は図示しない水温センサの出力に基づいて検出される。次に検出された水温が基準温度以上であるか否かが検出される（Ｓ１０６）。
ここで基準温度は、制御装置６０に予め記憶されている。 If it is determined in step S102 that the start mode is set, then the current coolant temperature is detected (S104). The water temperature is detected based on the output of a water temperature sensor (not shown). Next, it is detected whether or not the detected water temperature is equal to or higher than the reference temperature (S106).
Here, the reference temperature is stored in the control device 60 in advance.

ステップＳ１０６において水温が基準温度以上であることが認められた場合には、上記（１）の場合、即ち、温度が一定温度以上での起動モードの場合に該当する。従って、次に第１バルブ５０が閉弁状態とされ、第２バルブ５２及び第３バルブ５４が開弁状態とされる（Ｓ１０８）。第２バルブ５２が開弁状態とされると、起動モードにおいて水素流路内が水素によってパージされる。また第３バルブ５４が開弁状態とされると、水素オフガスが大気導入管３０内に導入され大気に混入する。混入した水素は酸素と大気供給マニホールド２０内の触媒２８において反応し水が生成される。この生成水により大気流路内に流入する大気が加湿され、大気流路の特に入口側付近の乾燥が解消される。その後、今回のルーチンが終了する。 If it is determined in step S106 that the water temperature is equal to or higher than the reference temperature, the case (1) corresponds to the case of the start mode in which the temperature is equal to or higher than a certain temperature. Accordingly, the first valve 50 is then closed, and the second valve 52 and the third valve 54 are opened (S108). When the second valve 52 is opened, the hydrogen flow path is purged with hydrogen in the startup mode. When the third valve 54 is opened, hydrogen off gas is introduced into the atmosphere introduction pipe 30 and mixed into the atmosphere. The mixed hydrogen reacts with oxygen in the catalyst 28 in the air supply manifold 20 to generate water. This generated water humidifies the air flowing into the atmospheric flow path, and the drying of the atmospheric flow path, particularly near the inlet side, is eliminated. Thereafter, the current routine ends.

一方、ステップＳ１０６において水温が基準温度以上であることが認められない場合には、第１バルブ５０及び第３バルブ５４が閉弁状態とされ、第２バルブ５２が開弁状態とされる（Ｓ１１０）。これにより起動モードにおいて水素流路内に溜まるガスが外部に排出されて水素流路内が水素によりパージされる。なお、基準温度以下での起動の場合、ドライアップが起こりにくい状態にあるため、大気供給マニホールド２０内での水の生成反応による大気の加湿は行われず、通常通りに大気が供給される。その後今回のルーチンが終了する。 On the other hand, when it is not recognized in step S106 that the water temperature is higher than the reference temperature, the first valve 50 and the third valve 54 are closed, and the second valve 52 is opened (S110). ). As a result, the gas accumulated in the hydrogen channel in the start-up mode is discharged to the outside and the hydrogen channel is purged with hydrogen. In the case of starting at a reference temperature or lower, since it is difficult for dry-up to occur, the atmosphere is not humidified by the water generation reaction in the atmosphere supply manifold 20, and the atmosphere is supplied as usual. Thereafter, the current routine ends.

また、ステップＳ１０２において、燃料電池１０の起動モードであることが認められない場合には、次に、セル電圧が検出される（Ｓ１１２）。セル電圧は、セルモニタ５８の出力に基づいて検出される。 In step S102, if it is not recognized that the fuel cell 10 is in the startup mode, then the cell voltage is detected (S112). The cell voltage is detected based on the output of the cell monitor 58.

次に、検出したセル電圧が基準電圧以上か否かが判断される（Ｓ１１４）。ここでセル電圧が基準電圧以上であることが認められた場合、上記（２）に該当し、ドライアップを起こしやすい状態にあると判断される。従って、第３バルブ５４が開弁状態とされる（Ｓ１１６）。これにより、水素オフガス供給管４４から水素オフガスが大気導入管３０内に流れ込み、大気に水素が混入する。その結果、大気供給マニホールド２０の触媒２８上で水素と酸素とが反応して水が生成され、大気が加湿される。従って、セル電圧が高い場合に、大気流路に湿度の高い大気を供給することができ、大気流路上流側においてもドライアップを防止することができる。 Next, it is determined whether or not the detected cell voltage is equal to or higher than a reference voltage (S114). Here, when it is recognized that the cell voltage is equal to or higher than the reference voltage, it corresponds to the above (2), and it is determined that it is in a state in which dry-up is likely to occur. Accordingly, the third valve 54 is opened (S116). As a result, the hydrogen off-gas flows from the hydrogen off-gas supply pipe 44 into the atmosphere introduction pipe 30, and hydrogen is mixed into the atmosphere. As a result, hydrogen and oxygen react with each other on the catalyst 28 of the atmosphere supply manifold 20 to generate water, thereby humidifying the atmosphere. Therefore, when the cell voltage is high, high-humidity air can be supplied to the atmospheric flow path, and dry-up can be prevented on the upstream side of the atmospheric flow path.

次に、第３バルブ５４の開放開始から一定時間が経過したか否かが判断される（Ｓ１１８）。一定時間の経過が認められない場合には、ステップＳ１１６において設定された、第３バルブ５４の開弁状態が維持される。一方、ステップＳ１１８において一定時間の経過が認められると、第３バルブ５４が閉弁され（Ｓ１２０）、このルーチンは一旦終了する。 Next, it is determined whether or not a fixed time has elapsed since the opening of the third valve 54 (S118). If the passage of a certain time is not recognized, the open state of the third valve 54 set in step S116 is maintained. On the other hand, when the passage of a certain time is recognized in step S118, the third valve 54 is closed (S120), and this routine is once ended.

一方、ステップＳ１１４において、セル電圧が基準電圧以上であることが認められない場合には、燃料電池１０の負荷が小さくドライアップを起こしにくい状態にあると考えられる。従って第３バルブ５４は閉弁状態とされ（Ｓ１２２）、大気導入管３０側への水素オフガスの供給は停止状態とされる。その後、今回のルーチンは終了する。 On the other hand, if it is not recognized in step S114 that the cell voltage is equal to or higher than the reference voltage, it is considered that the load of the fuel cell 10 is small and the dry-up is unlikely to occur. Therefore, the third valve 54 is closed (S122), and the supply of hydrogen off-gas to the atmosphere introduction pipe 30 side is stopped. Thereafter, the current routine ends.

なお、ステップＳ１１２〜Ｓ１２２の制御の間、第１バルブ５０、第２バルブ５２は、ＥＣＵ６０に記憶された他の制御ルーチンに従って、通常通りに制御されている。具体的に例えば、水素オフガス中の水素濃度が一定以上である場合には第１バルブ５０が開弁状態とされ、第２バルブが閉弁状態とされる。これにより水素オフガスが循環利用される。一方、水素オフガス中の水素濃度が一定以下となると、第１バルブ５０が閉弁状態とされて水素オフガスの循環が停止し、第２バルブ５２が開放されて水素オフガスが希釈器を介して排出される。ただし、第１バルブ５０及び第２バルブ５２の制御、即ち水素オフガスを循環利用する場合と排出する場合の切り替えは、他のタイミングで行なわれるものであってもよい。 During the control of steps S112 to S122, the first valve 50 and the second valve 52 are controlled as usual according to other control routines stored in the ECU 60. Specifically, for example, when the hydrogen concentration in the hydrogen off gas is a certain level or more, the first valve 50 is opened and the second valve is closed. Thereby, hydrogen off-gas is recycled. On the other hand, when the hydrogen concentration in the hydrogen off gas becomes below a certain level, the first valve 50 is closed to stop the circulation of the hydrogen off gas, the second valve 52 is opened, and the hydrogen off gas is discharged through the diluter. Is done. However, the control of the first valve 50 and the second valve 52, that is, the switching between when the hydrogen off-gas is circulated and when it is discharged may be performed at another timing.

以上説明したように、実施の形態の燃料電池システムによれば、水素オフガスの一部を分岐させて大気導入管３０に流入させることで、水素オフガスの一部を大気と共に触媒２８が設置された大気供給マニホールド２０内に供給することができる。これにより大気供給マニホールド２０内で水を生成して、大気を十分に加湿することができるため、電解質膜のドライアップを抑えることができる。また、大気供給マニホールド２０内での加湿を、燃料電池１０の運転モードに応じて制御することができるため、フラッディングが発生しやすい状態における過剰な加湿等を防止して、必要な場合にのみ選択的に大気を加湿することができる。更に、この実施の形態の燃料電池システムによれば湿度交換器等、加湿用の機器を除去することが可能となるため、燃料電池の小型化を図ることができる。 As described above, according to the fuel cell system of the embodiment, a part of the hydrogen offgas is branched and allowed to flow into the atmosphere introduction pipe 30, whereby the catalyst 28 is installed together with the atmosphere. It can be supplied into the atmosphere supply manifold 20. Accordingly, water can be generated in the air supply manifold 20 and the air can be sufficiently humidified, so that dry-up of the electrolyte membrane can be suppressed. In addition, since humidification in the air supply manifold 20 can be controlled in accordance with the operation mode of the fuel cell 10, it is selected only when necessary to prevent excessive humidification in a state where flooding is likely to occur. The atmosphere can be humidified. Furthermore, according to the fuel cell system of this embodiment, it is possible to remove humidifying devices such as a humidity exchanger, and thus the size of the fuel cell can be reduced.

なお、実施の形態では、湿度交換器を有していない燃料電池システムについて説明した。これは、実施の形態のシステムでは大気供給マニホールド２０内で水を生成することができ、湿度交換器を設置しなくてもカソード極側からのドライアップを防止することができるためである。しかし、この発明においては湿度交換器を有するものであってもよく、湿度交換器を設置することで更に大気の湿度を高い状態とすることができる。 In the embodiment, a fuel cell system that does not have a humidity exchanger has been described. This is because in the system of the embodiment, water can be generated in the air supply manifold 20, and dry-up from the cathode electrode side can be prevented without installing a humidity exchanger. However, in the present invention, a humidity exchanger may be provided, and the humidity of the atmosphere can be further increased by installing the humidity exchanger.

また、実施の形態では、大気供給マニホールド内２０内に触媒２８を配置して、大気供給マニホールド２０内で水を生成させる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではない。触媒２８は、大気導入管３０及び大気供給マニホールド２０を含む大気供給経路の、水素オフガス供給管４４との連結部より下流側から、各セル１４の大気流路入口までの間のいずれかの位置に配置して、各セル１４の大気流路に水素オフガスを含む大気が流入する前に水を生成できる構造とすればよい。従って、例えば触媒２８は、大気導入管３０内に配置することもできる。 In the embodiment, the case where the catalyst 28 is arranged in the atmosphere supply manifold 20 and water is generated in the atmosphere supply manifold 20 has been described. However, the present invention is not limited to this. The catalyst 28 is located at any position between the downstream side of the connecting portion with the hydrogen off-gas supply pipe 44 in the atmospheric supply path including the atmospheric introduction pipe 30 and the atmospheric supply manifold 20 and the inlet of the atmospheric flow path of each cell 14. The structure may be such that water can be generated before the atmosphere containing hydrogen off-gas flows into the air flow path of each cell 14. Therefore, for example, the catalyst 28 can be disposed in the atmosphere introduction pipe 30.

また、実施の形態では触媒２８として、Ｐｔを用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、酸素と水素との反応に対する触媒機能を有するものであれば他の触媒であってもよい。具体的には、一般に電極触媒として用いられる触媒材料、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｕを用いることができる。また、発電部より上流の大気供給経路内に配置される触媒であるため、酸性環境に比較的弱く固体高分子型燃料電池の電極触媒としては使用されにくい、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等を使用することもできる。 In the embodiment, the case where Pt is used as the catalyst 28 has been described. However, the present invention is not limited to this, and other catalysts may be used as long as they have a catalytic function for the reaction between oxygen and hydrogen. Specifically, a catalyst material generally used as an electrode catalyst, for example, Pt, Pt—Ru can be used. In addition, since the catalyst is disposed in the air supply path upstream from the power generation unit, it is relatively weak in an acidic environment and is difficult to be used as an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell. Ni, Fe, Co, etc. are used. You can also

また、ここで触媒２８は、中空の網状体表面をＰｔで覆ったものを用いる場合について説明した。しかし、触媒２８の構成はこれに限るものではない。具体的に例えば、棒状に形成したものを大気供給経路の中心に配置したものや、大気供給経路内壁を触媒粒子で被覆したものなどとすることもできる。 Further, here, the case where the catalyst 28 used is a hollow net-like surface covered with Pt. However, the configuration of the catalyst 28 is not limited to this. Specifically, for example, a rod-shaped member arranged at the center of the air supply path, or an inner wall of the air supply path covered with catalyst particles may be used.

また、実施の形態では、水素オフガスを大気導入管３０に供給するべく、水素排出管３６から分岐する水素オフガス供給管４４を大気導入管３０に連通させる場合について説明した。これにより、水素オフガス中の水素を有効に利用すると共に、ある程度低い濃度で水素を大気に混入させることができ、大気供給マニホールド２０内での水の生成による酸素不足の発生を防止することができる。また、水素オフガス中には水分が多く含まれているため、水素オフガスを大気導入管３０に供給することで、更なるドライアップの防止を図ることができる。 In the embodiment, the case where the hydrogen off-gas supply pipe 44 branched from the hydrogen discharge pipe 36 is connected to the atmosphere introduction pipe 30 in order to supply the hydrogen off-gas to the atmosphere introduction pipe 30 has been described. Thus, hydrogen in the hydrogen off-gas can be used effectively, hydrogen can be mixed into the atmosphere at a certain low concentration, and oxygen shortage due to water generation in the atmosphere supply manifold 20 can be prevented. . In addition, since the hydrogen off gas contains a large amount of moisture, it is possible to prevent further dry-up by supplying the hydrogen off gas to the atmosphere introduction pipe 30.

ただし、この発明において大気供給経路に供給するのは水素オフガスに限るものではなく、例えば水素タンクから供給される水素を直接大気供給経路に供給するものとしてもよい。この場合、例えば水素供給経路３４の循環管４０との接続部より水素供給源より近い上流側において、水素供給管３４からの分岐管を設けて水素を分岐させて、これを大気導入管３０等に接続する構成とすることで、水素を供給することができる。また、水素供給管３４の循環管４０との接続部より下流側を分岐させて分岐管を設けて、これを大気導入管３０に接続してもよい。この場合大気導入管３０内には、水素オフガスと、水素供給源から供給された水素とが混入した、燃料電池１０のアノード極に供給される燃料と同じものが供給されることとなる。 However, in this invention, what is supplied to the atmospheric supply path is not limited to hydrogen off-gas, and for example, hydrogen supplied from a hydrogen tank may be directly supplied to the atmospheric supply path. In this case, for example, a branch pipe from the hydrogen supply pipe 34 is provided on the upstream side closer to the hydrogen supply source than the connection portion with the circulation pipe 40 of the hydrogen supply path 34 to branch hydrogen, and this is connected to the atmosphere introduction pipe 30 or the like Hydrogen can be supplied by using a configuration in which the battery is connected to. Further, a branch pipe may be provided by branching the downstream side of the connection portion of the hydrogen supply pipe 34 with the circulation pipe 40 and connected to the atmosphere introduction pipe 30. In this case, the same fuel as the fuel supplied to the anode electrode of the fuel cell 10 in which hydrogen off-gas and hydrogen supplied from the hydrogen supply source are mixed is supplied into the atmosphere introduction pipe 30.

また、実施の形態では、（１）及び（２）の場合、つまり温度が一定温度以上の起動モードの場合及びセル電圧が基準電圧以上である場合にのみ、第３バルブ５４を開弁状態として水素オフガスを大気導入管３０に流入させるように制御する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば第３バルブ５４を設置せず、常に一定量の水素オフガスが大気導入管３０内に供給される構造としても良い。これによって、常に大気供給マニホールド２０の触媒２８上で水を生成して大気を加湿することができる。 In the embodiment, the third valve 54 is opened only in the cases (1) and (2), that is, in the start-up mode where the temperature is equal to or higher than a certain temperature and when the cell voltage is equal to or higher than the reference voltage. The case where the hydrogen off gas is controlled to flow into the atmosphere introduction pipe 30 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the third valve 54 may not be installed, and a constant amount of hydrogen off-gas may be supplied into the atmosphere introduction pipe 30 at all times. As a result, water can always be generated on the catalyst 28 of the atmosphere supply manifold 20 to humidify the atmosphere.

また、実施の形態では、第３バルブ５４を開弁して水素オフガスを大気導入管３０に流入させてから一定時間経過した後、第３バルブ５４を閉弁して、大気導入管３０への水素オフガスの導入を停止する場合について説明した。これにより、カソード極での酸素不足や、過剰な加湿によるフラッディングが発生しない範囲で、水を生成して大気を加湿することができる。しかし、この発明においてはこれに限るものではなく、例えばセル電圧が基準電圧以上である場合、基準電圧以下となるまで第３バルブ５４を開弁状態とするようにしてもよい。この場合に、第３バルブ５４の開度や大気の供給圧等を調整すれば、酸素不足等を起こすことなく、ドライアップを防止することができる。 In the embodiment, the third valve 54 is opened and hydrogen off gas is allowed to flow into the atmosphere introduction pipe 30, and then, after a predetermined time has elapsed, the third valve 54 is closed and the atmosphere introduction pipe 30 is connected to the atmosphere introduction pipe 30. The case where the introduction of the hydrogen off gas is stopped has been described. As a result, the atmosphere can be humidified by generating water within a range where oxygen shortage at the cathode electrode and flooding due to excessive humidification do not occur. However, the present invention is not limited to this. For example, when the cell voltage is equal to or higher than the reference voltage, the third valve 54 may be opened until it becomes equal to or lower than the reference voltage. In this case, if the opening degree of the third valve 54, the supply pressure of the atmosphere, and the like are adjusted, dry-up can be prevented without causing oxygen shortage.

また、実施の形態ではセルモニタ５８によりセル電圧を検出し、電圧が基準電圧以上である場合にドライアップを起こしやすい状態にあるものと判断して第３バルブ５４を開弁する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、負荷が高くドライアップを起こしやすい状態にある場合の判断は、他の要因によって行なうものであってもよい。具体的に、例えば、水温を検出して水温がある程度高い場合にドライアップを起こしやすいものと判断して、第３バルブ５４を開弁するように制御することができる。 In the embodiment, the case where the cell voltage is detected by the cell monitor 58 and the third valve 54 is opened when it is determined that the dry-up is likely to occur when the voltage is equal to or higher than the reference voltage has been described. However, the present invention is not limited to this, and the determination when the load is high and the dry-up is likely to occur may be made by other factors. Specifically, for example, when the water temperature is detected and the water temperature is high to some extent, it is determined that the dry-up is likely to occur, and the third valve 54 can be controlled to open.

なお、例えば実施の形態においてステップＳ１１２が実行されることで「電圧検出手段」が実現し、ステップＳ１１４が実行されることで「電圧判定手段」が実現し、ステップＳ１１６が実行されることで「制御装置」が実現する。また、例えば、ステップＳ１０２が実行されることで「起動モード検出手段」が実現し、ステップＳ１０４が実行されることで「温度検出手段」が実現し、ステップＳ１０６が実行されることで「温度判定手段」が実現し、ステップＳ１０８が実行されることで「制御手段」が実現する。 For example, in the embodiment, “voltage detection means” is realized by executing step S112, “voltage determination means” is realized by executing step S114, and “step 116 is executed by executing step S116. "Control device" is realized. Further, for example, “start mode detection means” is realized by executing step S102, “temperature detection means” is realized by executing step S104, and “temperature determination” is executed by executing step S106. "Means" is realized, and "control means" is realized by executing step S108.

また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。 Further, in the above embodiment, when the number of each element, number, quantity, range, etc. is mentioned, it is mentioned unless otherwise specified or clearly specified in principle. The number is not limited. Further, the structures described in the embodiments, steps in the method, and the like are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.

この発明の実施の形態における燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the fuel cell system in embodiment of this invention. この発明の実施の形態における燃料電池の構成について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the fuel cell in embodiment of this invention. この発明の実施の形態における燃料電池システムにおいて、制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。5 is a flowchart for illustrating a control routine executed by a control device in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０燃料電池
１２エンドプレート
１４セル
２０大気供給マニホールド
２２大気排出マニホールド
２４水素供給マニホールド
２６水素排出マニホールド
２８触媒
３０大気導入管
３２大気排出管
３４水素導入管
３６水素排出管
４０循環管
４２排出管
４４水素オフガス供給管
５０第１バルブ
５２第２バルブ
５４第３バルブ
５８セルモニタ
６０ＥＣＵ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 12 End plate 14 Cell 20 Atmospheric supply manifold 22 Atmospheric discharge manifold 24 Hydrogen supply manifold 26 Hydrogen exhaust manifold 28 Catalyst 30 Atmospheric introduction pipe 32 Atmospheric exhaust pipe 34 Hydrogen introduction pipe 36 Hydrogen exhaust pipe 40 Circulation pipe 42 Exhaust pipe 44 Hydrogen Off-gas supply pipe 50 First valve 52 Second valve 54 Third valve 58 Cell monitor 60 ECU

Claims

電解質と、前記電解質の両側に配置された一対の電極と、からなる複数の発電部が、セパレータを介して積層された燃料電池と、
前記燃料電池の電気化学反応に使用される酸化剤を流通させて、燃料電池内に酸化剤を供給するための酸化剤供給経路と、
前記酸化剤供給経路の一箇所に接続し、かつ、前記燃料電池の電気化学反応に使用される燃料又は使用済み燃料を、前記酸化剤供給経路内に供給するための燃料供給管と、
前記酸化剤供給経路内の、前記一箇所よりも酸化剤の流れの下流側に配置され、かつ、前記酸化剤供給経路内の酸化剤と、前記燃料供給管から供給された燃料又は使用済み燃料と、を反応させる触媒機能を有する触媒と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which a plurality of power generation units composed of an electrolyte and a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte are stacked via a separator;
An oxidant supply path for supplying an oxidant into the fuel cell by circulating an oxidant used in the electrochemical reaction of the fuel cell;
A fuel supply pipe connected to one place of the oxidant supply path and for supplying fuel or used fuel used in the electrochemical reaction of the fuel cell into the oxidant supply path;
The oxidant in the oxidant supply path is arranged on the downstream side of the oxidant flow with respect to the one location, and the oxidant in the oxidant supply path and the fuel or spent fuel supplied from the fuel supply pipe And a catalyst having a catalytic function of reacting,
A fuel cell system comprising:

前記酸化剤供給経路は、
前記燃料電池外部から、前記燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、
前記燃料電池内に前記セパレータを積層方向に貫通して配置され、前記酸化剤導入管に接続する、酸化剤供給マニホールドと、を備え、
前記触媒は、前記酸化剤供給マニホールド内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 The oxidizing agent supply path is
An oxidant introduction pipe for introducing an oxidant into the fuel cell from the outside of the fuel cell;
An oxidant supply manifold that is disposed through the separator in the stacking direction in the fuel cell and is connected to the oxidant introduction pipe.
The fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst is disposed in the oxidant supply manifold.

前記酸化剤供給経路は、
前記燃料電池の外部から、前記燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、
前記燃料電池内に前記セパレータを積層方向に貫通して配置され、前記酸化剤導入管に接続する、酸化剤供給マニホールドと、を備え、
前記触媒は、前記酸化剤導入管内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 The oxidizing agent supply path is
An oxidant introduction pipe for introducing an oxidant into the fuel cell from the outside of the fuel cell;
An oxidant supply manifold that is disposed through the fuel cell in the stacking direction and is connected to the oxidant introduction pipe.
The fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst is disposed in the oxidant introduction pipe.

前記燃料電池に接続し、前記燃料電池から排出される使用済み燃料が流入する燃料排出経路を備え、
前記燃料供給管は、前記燃料排出経路に接続し、前記燃料排出経路内の使用済み燃料を、前記酸化剤供給経路に供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池。 A fuel discharge path connected to the fuel cell and into which spent fuel discharged from the fuel cell flows;
4. The fuel supply pipe according to claim 1, wherein the fuel supply pipe is connected to the fuel discharge path and supplies spent fuel in the fuel discharge path to the oxidant supply path. 5. Fuel cell.

燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧が基準電圧以上となっているか否かを判定する電圧判定手段と、
前記電圧が前記基準電圧以上であることが認められた場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池システム。 Voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell;
Voltage determining means for determining whether or not the voltage is equal to or higher than a reference voltage;
Control means for supplying fuel or spent fuel to the oxidant supply path when the voltage is found to be greater than or equal to the reference voltage;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising:

前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度が基準温度以上となっているか否かを判定する温度判定手段と、
前記温度が前記基準温度以上であることが認められた場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の燃料電池システム。 Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
Temperature determining means for determining whether the temperature is equal to or higher than a reference temperature;
Control means for supplying fuel or spent fuel to the oxidant supply path when the temperature is found to be equal to or higher than the reference temperature;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising:

前記燃料電池が停止している状態から起動させる際の起動モード制御中であることを検出する起動モード検出手段と、
前記起動モードが検出された場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の燃料電池システム。 An activation mode detecting means for detecting that the fuel cell is in an activation mode control when activated from a stopped state;
Control means for supplying fuel or spent fuel to the oxidant supply path when the activation mode is detected;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, further comprising: