JP2010262906A - Fuel cell system - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which is a fuel cell system having an electrochemical hydrogen pump and operates a fuel cell at non-humidity and high temperature so as not to dry up each electrolyte film in both the fuel cell and the electrochemical hydrogen pump. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 includes a fuel cell 10 having a structure wherein one or more of hydrogen pump units 12 for extracting hydrogen in an anode exhaust gas of a group of fuel battery cells 11 are included and liquid water is gathered at a cathode side of each hydrogen pump unit 12, and an end plate 27 at a hydrogen pump unit 12 side is warmed up with warm water when an amount of moisture in the electrolyte film of the fuel battery cell 11 is insufficient. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

アノードガスとして水素を使用する燃料電池システムの中には、燃料電池（固体高分子形燃料電池）から排出されるアノード排ガスを燃料電池のアノードガス供給口に戻すことや、アノード排ガスをアノードガス供給口に戻すことなくシステム外に排出することが可能なアノード排ガス循環・排出系を備えたものが存在している。   In some fuel cell systems that use hydrogen as the anode gas, the anode exhaust gas discharged from the fuel cell (solid polymer fuel cell) is returned to the anode gas supply port of the fuel cell, or the anode exhaust gas is supplied to the anode gas. There are those equipped with an anode exhaust gas circulation / discharge system that can be discharged outside the system without returning to the mouth.

要するに、燃料電池内で反応しなかった水素を燃料として再利用でき、かつ、アノード排ガス中の不純物（窒素等）量が増えた場合にアノード排ガスをシステム外に排出できる燃料電池システムが存在しているのであるが、燃費（水素の利用効率）向上の観点からは、システム外に不純物と共に排出される水素量は少ない方が良い。   In short, there is a fuel cell system in which hydrogen that has not reacted in the fuel cell can be reused as fuel, and when the amount of impurities (such as nitrogen) in the anode exhaust gas increases, the anode exhaust gas can be discharged outside the system. However, from the viewpoint of improving fuel consumption (hydrogen utilization efficiency), it is better that the amount of hydrogen discharged together with impurities outside the system is small.

そのため、電気化学的水素ポンプをアノード排ガス循環・排出系に設けることにより、水素を抽出してからアノード排ガスを排出できるようにした燃料電池システム（例えば、特許文献１参照）が開発されている。   Therefore, a fuel cell system (see, for example, Patent Document 1) has been developed in which an electrochemical hydrogen pump is provided in the anode exhaust gas circulation / discharge system so that anode exhaust gas can be discharged after hydrogen is extracted.

また、燃料電池システムは、コンパクトな、安価に製造できるものであった方が良い。そのため、加湿器を不要なものとするために燃料電池を無加湿運転することや、ラジエータを小型化するために燃料電池を高温運転することが試みられているのであるが、燃料電池内の各電解質膜が乾かない形で、無加湿運転／高温運転できる燃料電池システムは未だ開発されていないのが現状である。   The fuel cell system should be compact and inexpensive to manufacture. Therefore, attempts have been made to operate the fuel cell without humidification in order to eliminate the need for a humidifier, and to operate the fuel cell at a high temperature in order to reduce the size of the radiator. At present, a fuel cell system that can be operated without humidification / high temperature without the electrolyte membrane being dried has not been developed yet.

特開２００６−０１９１２０号公報JP 2006-019120 A 特開２００７−０６６９１８号公報JP 2007-066918 A 特開２００８−１１２７４１号公報JP 2008-112741 A 特開２００５−０２６０５９号公報JP 2005-026059 A 特開２００８−２３５１３２号公報JP 2008-235132 A 特開２００３−１６８４６８号公報JP 2003-168468 A 特開２００２−１２４２８３号公報JP 2002-124283 A

そこで、本発明の課題は、電気化学的水素ポンプを備えた燃料電池システムであって、燃料電池内、電気化学的水素ポンプ内の各電解質膜が乾かない形で、燃料電池を無加湿運転／高温運転することが可能な燃料電池システムを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is a fuel cell system equipped with an electrochemical hydrogen pump, in which the electrolyte membranes in the fuel cell and the electrochemical hydrogen pump are not dried, and the fuel cell is operated without humidification / An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be operated at a high temperature.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、
複数個の燃料電池セルを積層した部分を含む、水素を含むガスがアノードガスとして供給される発電部と、前記発電部から排出されるアノード排ガスの少なくとも一部を不純物濃度がより高い不純物濃縮ガスと水素とに分離するための不純物濃縮部であって、前記発電部に対して前記燃料電池の積層方向に積層された、プロトンを通す電解質膜と当該電解質膜を挟んで対向するカソード流路及びアノード流路とを有する１個以上の電気化学的水
素ポンプユニット、前記発電部からのアノード排ガスの少なくとも一部を各電気化学的水素ポンプユニットのアノード流路に供給するためのアノード排ガス供給路、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路の鉛直方向上方部分と接続された、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内に溜まった水素をカソード流路外へ排出するための水素出口、及び、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の過剰分の液水をカソード流路外へ排出することにより、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水量を、各電気化学的水素ポンプユニットの電解質膜の鉛直方向上側の所定面積の部分に触れない量に維持する液水量調整手段を有する不純物濃縮部とを備える燃料電池、
前記不純物濃縮部の前記水素出口から水素を取り出し、取り出した水素を前記発電部に供給されるアノードガスに含ませるための水素循環手段、
前記燃料電池の前記不純物濃縮部を暖めるための加熱手段、及び、
前記発電部の各燃料電池セルの電解質膜中の水分量の不足時に、前記不純物濃縮部内の各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水が気化するように前記加熱手段を制御する制御手段を有する。 In order to solve the above problems, the fuel cell system of the present invention provides:
A power generation unit including a portion in which a plurality of fuel cells are stacked, a gas containing hydrogen being supplied as an anode gas, and at least a part of the anode exhaust gas discharged from the power generation unit has a higher impurity concentration An impurity concentrating unit for separating the hydrogen into hydrogen and an electrolyte membrane stacked in the stacking direction of the fuel cell with respect to the power generation unit, a cathode channel facing the sandwiched electrolyte membrane, One or more electrochemical hydrogen pump units having an anode flow path, an anode exhaust gas supply path for supplying at least part of the anode exhaust gas from the power generation section to the anode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit, The cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit connected to the vertical upper part of the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit The hydrogen outlet for discharging the hydrogen accumulated in the cathode channel and the excess liquid water in the cathode channel of each electrochemical hydrogen pump unit is discharged to the outside of the cathode channel. Impurity concentration unit having liquid water amount adjusting means for maintaining the amount of liquid water in the cathode channel of the chemical hydrogen pump unit so as not to touch a part of a predetermined area on the upper side in the vertical direction of the electrolyte membrane of each electrochemical hydrogen pump unit A fuel cell comprising:
Hydrogen circulation means for taking out hydrogen from the hydrogen outlet of the impurity concentrating unit and including the extracted hydrogen in the anode gas supplied to the power generation unit,
Heating means for warming the impurity concentration part of the fuel cell; and
The heating means is controlled so that liquid water in the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit in the impurity concentrating unit is vaporized when the amount of water in the electrolyte membrane of each fuel cell of the power generation unit is insufficient. It has a control means.

すなわち、本発明の燃料電池システムに採用されている燃料電池は、既存の燃料電池システムにおける燃料電池、電気化学的水素ポンプにそれぞれ相当する発電部、不純物濃縮部を一体化したものであると共に、燃料電池セル、電気化学的水素ポンプユニット等を積層すれば、製造できる（組み立てられる）ものとなっている。   That is, the fuel cell employed in the fuel cell system of the present invention is an integrated fuel cell in an existing fuel cell system, a power generation unit corresponding to an electrochemical hydrogen pump, and an impurity concentration unit, respectively. If a fuel cell, an electrochemical hydrogen pump unit, or the like is laminated, it can be manufactured (assembled).

そして、そのような燃料電池の製造に必要とされる部品数、工程数は、発電部と不純物濃縮部とを別々製造する場合に必要とされる部品数、工程数よりも少ない。また、発電部と不純物濃縮部とを一体化しておけば、燃料電池システムを構築する際に、不純物濃縮部の設置場所を確保する必要や、発電部と不純物濃縮部とを接続する必要がなくなることになる。従って、この燃料電池システムの構成を採用しておけば、従来構成を採用した場合よりも、コンパクト且つ安価な燃料電池システムを実現できることになる。   And the number of parts and the number of processes required for manufacturing such a fuel cell are smaller than the number of parts and the number of processes required when separately producing the power generation unit and the impurity concentration unit. In addition, if the power generation unit and the impurity concentration unit are integrated, it is not necessary to secure the installation location of the impurity concentration unit and to connect the power generation unit and the impurity concentration unit when constructing the fuel cell system. It will be. Therefore, if this fuel cell system configuration is adopted, a more compact and inexpensive fuel cell system can be realized than when the conventional configuration is adopted.

また、燃料電池の不純物濃縮部は、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路の鉛直方向上方部分から、水素が取り出される構成を有している。なお、本発明において、鉛直方向とは、燃料電池が通常の姿勢を取っている場合における鉛直方向のことである。   Moreover, the impurity concentration part of the fuel cell has a configuration in which hydrogen is taken out from the upper part in the vertical direction of the cathode channel of each electrochemical hydrogen pump unit. In the present invention, the vertical direction is a vertical direction when the fuel cell is in a normal posture.

換言すれば、不純物濃縮部は、上記構成を採用することにより、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内に生じた液水（凝縮水）が水素と共に排出されないようにしたものとなっている。そして、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内で生じた液水が水素と共に排出されなければ、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内に液水が溜まり、その液水によって、各電気化学的水素ポンプユニットの電解質膜に水分を補給できる。従って、本発明の燃料電池システムは、電気化学的水素ポンプ（不純物濃縮部）内の各電解質膜が乾かない形で、燃料電池を無加湿運転／高温運転することが可能なシステムとなっていることになる。   In other words, the impurity concentrating unit adopts the above-described configuration so that liquid water (condensed water) generated in the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit is not discharged together with hydrogen. Yes. And if the liquid water produced in the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit is not discharged together with hydrogen, liquid water accumulates in the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit. Water can be supplied to the electrolyte membrane of each electrochemical hydrogen pump unit. Therefore, the fuel cell system of the present invention is a system that can perform a non-humidifying operation / high temperature operation of the fuel cell without drying each electrolyte membrane in the electrochemical hydrogen pump (impurity concentrating portion). It will be.

さらに、燃料電池システムは、“前記不純物濃縮部の前記水素出口から水素を取り出し、取り出した水素を前記発電部に供給されるアノードガスに含ませるための水素循環手段”、“前記燃料電池の前記不純物濃縮部を暖めるための加熱手段”、及び、“前記発電部の各燃料電池セルの電解質膜中の水分量の不足時に、前記不純物濃縮部内の各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水が気化するように前記加熱手段を制御する制御手段”を有している。換言すれば、燃料電池システムは、各燃料電池セルの電解質膜中の水分量の不足時に、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内に溜まった液水を気化して各燃料電池セルの電解質膜に供給できる構成を有している。従って、本発明の燃料電池システムは、発電部内の各電解質膜が乾かない形で、燃料電池を無加湿運転／高温運転することが可能なシステムともなっていることになる。   Furthermore, the fuel cell system is configured to “take out hydrogen from the hydrogen outlet of the impurity concentrating unit and include the extracted hydrogen in the anode gas supplied to the power generation unit”, “the fuel cell "Heating means for warming the impurity concentrating part" and "in the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit in the impurity concentrating part when the amount of water in the electrolyte membrane of each fuel cell of the power generating part is insufficient Control means for controlling the heating means so that the liquid water is vaporized. In other words, the fuel cell system vaporizes liquid water accumulated in the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit when the amount of water in the electrolyte membrane of each fuel cell is insufficient, It has a configuration that can be supplied to the electrolyte membrane. Therefore, the fuel cell system of the present invention is a system that can perform the non-humidification operation / high temperature operation of the fuel cell in such a manner that each electrolyte membrane in the power generation unit does not dry.

また、燃料電池の不純物濃縮部は、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水量を、各電気化学的水素ポンプユニットの電解質膜の鉛直方向上側の所定面積の部分に触れない量に維持する液水量調整手段を有している。従って、本発明の燃料電池システムでは、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水量が過度に増える（各電気化学的水素ポンプユニットの電解質膜の、水素移動に利用可能な面積が過度に減少する）ことに因り、各電気化学的水素ポンプユニットの性能が劣化するといったことが生じないことになる。   The impurity concentration part of the fuel cell is such that the amount of liquid water in the cathode channel of each electrochemical hydrogen pump unit does not touch the part of the predetermined area on the upper side in the vertical direction of the electrolyte membrane of each electrochemical hydrogen pump unit. The liquid water amount adjusting means is maintained. Therefore, in the fuel cell system of the present invention, the amount of liquid water in the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit increases excessively (the area of the electrolyte membrane of each electrochemical hydrogen pump unit that can be used for hydrogen transfer) Therefore, the performance of each electrochemical hydrogen pump unit does not deteriorate.

本発明の燃料電池システムの各構成要素としては、具体的な構成の異なるさまざまなものを採用することが出来る。例えば、燃料電池として、水を流すことにより前記発電部を冷却するための冷却用流路、及び、水を流すことにより前記不純物濃縮部を暖めるための加熱用流路を備えたものを採用し、加熱手段相当の手段として、前記冷却用流路から排出される水を冷却して前記冷却用流路に供給する第１状態、及び、前記冷却用流路から排出される水を前記加熱用流路を通過させてから冷却して前記冷却用流路に供給する第２状態を取り得る冷却水循環手段を採用し、制御手段として、前記発電部の各燃料電池セルの電解質膜中の水分量の不足時に、前記冷却水循環手段を第２状態で動作させる手段を採用しておくことが出来る。   As each component of the fuel cell system of the present invention, various components having different specific configurations can be adopted. For example, a fuel cell having a cooling channel for cooling the power generation unit by flowing water and a heating channel for warming the impurity concentration unit by flowing water is adopted. As a means corresponding to the heating means, a first state in which water discharged from the cooling flow path is cooled and supplied to the cooling flow path, and water discharged from the cooling flow path is used for the heating. Cooling water circulating means that can take a second state that is cooled and then supplied to the cooling flow path after passing through the flow path is adopted, and the amount of moisture in the electrolyte membrane of each fuel cell of the power generation unit is used as the control means A means for operating the cooling water circulation means in the second state can be employed when the amount of water is insufficient.

本発明によれば、電気化学的水素ポンプを備えた燃料電池システムであって、燃料電池内、電気化学的水素ポンプ内の各電解質膜が乾かない形で、燃料電池を無加湿運転／高温運転することが可能な燃料電池システムを提供できる。   According to the present invention, there is provided a fuel cell system including an electrochemical hydrogen pump, wherein the fuel cell is operated in a non-humidified operation / high temperature operation so that each electrolyte membrane in the fuel cell and the electrochemical hydrogen pump does not dry. It is possible to provide a fuel cell system that can be used.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment. 実施形態に係る燃料電池システム内の燃料電池が備える不純物濃縮部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the impurity concentration part with which the fuel cell in the fuel cell system which concerns on embodiment is provided.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１及び図２に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成を示す。また、図３に、燃料電池システム１に用いられている燃料電池１０の不純物濃縮部（電気化学的水素ポンプユニット１２、液水量調整構造２８等からなる部分）の概略構成を示す。なお、この燃料電池システム１は、車両に搭載することを想定して開発したものであり、図１、図３における燃料電池１０の下方向が、車両に搭載されている状態にある燃料電池１０の鉛直下方向である。   1 and 2 show a schematic configuration of a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a schematic configuration of an impurity concentrating part (part consisting of the electrochemical hydrogen pump unit 12, the liquid water amount adjusting structure 28, etc.) of the fuel cell 10 used in the fuel cell system 1. The fuel cell system 1 was developed on the assumption that the fuel cell system 1 is mounted on a vehicle, and the fuel cell 10 in a state where the fuel cell 10 in FIG. 1 and FIG. This is the vertical downward direction.

まず、図１及び図３を用いて、燃料電池システム１の主要構成要素である燃料電池１０の構成を説明する。   First, the configuration of a fuel cell 10 that is a main component of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 3.

図１に示してあるように、燃料電池１０は、絶縁板２２、集電板２３、複数の燃料電池セル１１、集電板２３、絶縁板２２、中間プレート２４、絶縁板２５、集電板２６、複数の電気化学的水素ポンプユニット１２、集電板２６、絶縁板２５を、この順で２つのエンドプレート２１、２７間に挟んだ上で、エンドプレート２７側に液水量調整構造２８を設けた構成を有している。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 includes an insulating plate 22, a current collecting plate 23, a plurality of fuel battery cells 11, a current collecting plate 23, an insulating plate 22, an intermediate plate 24, an insulating plate 25, and a current collecting plate. 26. A plurality of electrochemical hydrogen pump units 12, a current collecting plate 26, and an insulating plate 25 are sandwiched between two end plates 21 and 27 in this order, and a liquid water amount adjusting structure 28 is provided on the end plate 27 side. It has the provided structure.

燃料電池セル１１は、アノード極、電解質膜（固体高分子膜）、カソード極を貼り合わ
せて一体化したＭＥＡ（膜・電極接合体)を、アノードガス／カソードガスを流すための
アノード流路／カソード流路が彫り込まれているセパレータ（いわゆるバイポーラプレート）で挟んだ燃料電池セルである。 The fuel cell 11 includes an anode channel / flow channel for flowing anode gas / cathode gas through an MEA (membrane / electrode assembly) in which an anode electrode, an electrolyte membrane (solid polymer membrane), and a cathode electrode are bonded together. A fuel cell sandwiched between separators (so-called bipolar plates) engraved with a cathode flow path.

この燃料電池セル１１は、積層することにより、アノード上部マニホールド１３Ｃ、アノード下部マニホールド１４Ｃ、カソード上部マニホールド（図示略）、カソード下部マニホールド（図示略）及び冷却水流路を有する積層体（以下、セルスタックと表記する）が形成されるものとなっている。なお、アノード上部マニホールド１３Ｃとは、セルスタックの上端側に位置する、各燃料電池セル１１のアノード流路の上端側の部分と連通したマニホールドのことであり、アノード下部マニホールド１４Ｃとは、セルスタックの下端側に位置する、各燃料電池セル１１のアノード流路の下端側の部分と連通したマニホールドのことである。カソード上部マニホールドとは、セルスタックの上端側に位置する、各燃料電池セル１１のカソード流路の上端側の部分と連通したマニホールドのことであり、カソード下部マニホールドとは、セルスタックの下端側に位置する、各燃料電池セル１１のカソード流路の下端側の部分と連通したマニホールドのことである。また、冷却水流路とは、冷却水を流すための流路（本発明における“冷却用流路”にほぼ相当する流路）のことである。   The fuel cells 11 are stacked to form a stacked body (hereinafter, cell stack) having an anode upper manifold 13C, an anode lower manifold 14C, a cathode upper manifold (not shown), a cathode lower manifold (not shown), and a cooling water flow path. Will be formed). The anode upper manifold 13C is a manifold located on the upper end side of the cell stack and communicating with the upper end side portion of the anode flow path of each fuel cell 11, and the anode lower manifold 14C is the cell stack. This is a manifold that communicates with the lower end side portion of the anode flow path of each fuel cell 11 that is located on the lower end side of each fuel cell. The cathode upper manifold is a manifold that is located on the upper end side of the cell stack and communicates with the upper end side portion of the cathode flow path of each fuel cell 11, and the cathode lower manifold is located on the lower end side of the cell stack. It is a manifold that communicates with a portion of the lower end side of the cathode flow path of each fuel cell 11 that is positioned. The cooling water channel is a channel for flowing cooling water (a channel substantially corresponding to the “cooling channel” in the present invention).

電気化学的水素ポンプユニット１２（以下、水素ポンプユニット１２と略記する）は、プロトンを通す電解質膜と当該電解質膜を挟んで対向するアノード流路及びカソード流路とを備えた、電解質膜に電流を流すことによりアノード流路内の水素をカソード流路側に移動させることが出来る電気化学デバイスである。   The electrochemical hydrogen pump unit 12 (hereinafter abbreviated as hydrogen pump unit 12) includes an electrolyte membrane that allows protons to pass through, and an anode channel and a cathode channel that face each other with the electrolyte membrane interposed therebetween. Is an electrochemical device that can move the hydrogen in the anode flow channel to the cathode flow channel side.

この水素ポンプユニット１２としては、上記した燃料電池セル１１と同じものが使用されている。従って、燃料電池１０の、複数の水素ポンプユニット１２が積層された部分（以下、水素ポンプと表記する）も、上記した各マニホールドに相当するアノード上部マニホールド１３Ｐ、アノード下部マニホールド１４Ｐ、カソード上部マニホールド１５Ｐ、カソード下部マニホールド（図示略）等を有している。   As the hydrogen pump unit 12, the same fuel cell unit 11 as described above is used. Accordingly, the portion of the fuel cell 10 in which the plurality of hydrogen pump units 12 are stacked (hereinafter referred to as a hydrogen pump) also includes an anode upper manifold 13P, an anode lower manifold 14P, and a cathode upper manifold 15P corresponding to the above-described manifolds. And a cathode lower manifold (not shown).

集電板２３は、セルスタックから電力を取り出すための出力端子２３ａが取り付けられている導電性部材である。絶縁板２２は、エンドプレート２１・集電板２３間、又は、集電板２３・中間プレート２４間を絶縁するために設けられている絶縁性部材である。これらの部材（絶縁板２２、集電板２３）は、ガスや冷却水を通すための幾つかの開口部を有するものとなっている。   The current collector plate 23 is a conductive member to which an output terminal 23a for taking out electric power from the cell stack is attached. The insulating plate 22 is an insulating member provided to insulate between the end plate 21 and the current collecting plate 23 or between the current collecting plate 23 and the intermediate plate 24. These members (insulating plate 22 and current collecting plate 23) have several openings for passing gas and cooling water.

集電板２６は、各水素ポンプユニット１２の電解質膜の膜面間に電流を流すための入力端子２６ａが取り付けられている導電性部材である。絶縁板２５は、中間プレート２４・集電板２６間、又は、集電板２６・エンドプレート２７間を絶縁するために設けられている絶縁性部材である。これらの部材は、ガスを通すための幾つかの開口部を有するものとなっている。   The current collector plate 26 is a conductive member to which an input terminal 26 a for allowing a current to flow between the membrane surfaces of the electrolyte membrane of each hydrogen pump unit 12 is attached. The insulating plate 25 is an insulating member provided to insulate between the intermediate plate 24 and the current collecting plate 26 or between the current collecting plate 26 and the end plate 27. These members have several openings for passing gas.

中間プレート２４は、アノード下部マニホールド１４Ｃとアノード下部マニホールド１４Ｐとを連通する貫通孔が設けられている剛性部材である。この中間プレート２４には、セルスタック内の冷却水流路からの冷却水の出口として機能する冷却水排出部（図示略）が設けられている。   The intermediate plate 24 is a rigid member provided with a through hole that communicates the anode lower manifold 14C and the anode lower manifold 14P. The intermediate plate 24 is provided with a cooling water discharge portion (not shown) that functions as an outlet for cooling water from the cooling water flow path in the cell stack.

エンドプレート２１、２７は、燃料電池セル１１、水素ポンプユニット１２等を、積層方向（図における左右方向）に加圧して保持するための剛性部材である。   The end plates 21 and 27 are rigid members for pressing and holding the fuel battery cell 11, the hydrogen pump unit 12, and the like in the stacking direction (left and right direction in the drawing).

エンドプレート２１には、アノード上部マニホールド１３Ｃと連通するガス流路接続部
（厚さ方向に延びた貫通孔とガス流路を固定／接続するための構成とからなる部分）であるアノードガス導入部２１ａ、及び、アノード下部マニホールド１４Ｃと連通するガス流路接続部であるアノード排ガス排出部２１ｂが設けられている。また、エンドプレート２１には、カソード上部マニホールド（水素ポンプ側のカソード上部マニホールド１５Ｐ参照）と連通するガス流路接続部であるカソードガス導入部（図示略）、及び、カソード下部マニホールド（図示略）と連通するガス流路接続部であるカソード排ガス排出部（図示略）も設けられている。さらに、エンドプレート２１には、セルスタック内の冷却水流路への冷却水の入口として機能する冷却水導入部（図示略）も設けられている。 The end plate 21 has an anode gas introduction part which is a gas flow path connection part (a part comprising a through hole extending in the thickness direction and a structure for fixing / connecting the gas flow path) communicating with the anode upper manifold 13C. 21a and an anode exhaust gas discharge part 21b which is a gas flow path connection part communicating with the anode lower manifold 14C is provided. Further, the end plate 21 includes a cathode gas introduction part (not shown) which is a gas flow path connecting part communicating with the cathode upper manifold (see the cathode upper manifold 15P on the hydrogen pump side), and a cathode lower manifold (not shown). A cathode exhaust gas discharge part (not shown) which is a gas flow path connection part communicating with the gas flow path is also provided. Furthermore, the end plate 21 is also provided with a cooling water introduction section (not shown) that functions as an inlet of cooling water to the cooling water flow path in the cell stack.

エンドプレート２７には、カソード上部マニホールド１５Ｐと連通するガス流路接続部である水素排出部２７ａ、カソード下部マニホールド（図示略）と連通するガス流路接続部である水素・液水排出部２７ｂが設けられている。また、エンドプレート２７には、アノード上部マニホールド１３Ｐと連通するガス流路接続部である不純物濃縮ガス排出部２７ｃも設けられている。   The end plate 27 includes a hydrogen discharge part 27a that is a gas flow path connection part that communicates with the cathode upper manifold 15P, and a hydrogen / liquid water discharge part 27b that is a gas flow path connection part that communicates with the cathode lower manifold (not shown). Is provided. The end plate 27 is also provided with an impurity-enriched gas discharge part 27c which is a gas flow path connection part communicating with the anode upper manifold 13P.

エンドプレート２７の水素排出部２７ａ、水素・液水排出部２７ｂとの間には、液水量調整構造２８が設けられている。   A liquid water amount adjusting structure 28 is provided between the hydrogen discharge portion 27 a and the hydrogen / liquid water discharge portion 27 b of the end plate 27.

この液水量調整構造２８は、図３に示した構成を有している。すなわち、液水量調整構造２８は、エンドプレート２７の水素排出部２７ａから水平方向に延びたパイプ状部材２８ａであって、ガス流路３３を取り付けるための取付部２８ｂがその端部に設けられているパイプ状部材２８ａを備えている。   The liquid water amount adjusting structure 28 has the configuration shown in FIG. That is, the liquid water amount adjusting structure 28 is a pipe-like member 28a extending in the horizontal direction from the hydrogen discharge portion 27a of the end plate 27, and an attachment portion 28b for attaching the gas flow path 33 is provided at the end thereof. The pipe-shaped member 28a is provided.

また、液水量調整構造２８は、下方に延びるように、パイプ状部材２８ｂの途中に接続されたパイプ状部材２８ｃと、当該パイプ状部材２８ｃの下端に設けられた所定量の液体を貯留可能な貯留部２８ｄとを備えている。   The liquid water amount adjusting structure 28 can store a pipe-like member 28c connected to the middle of the pipe-like member 28b and a predetermined amount of liquid provided at the lower end of the pipe-like member 28c so as to extend downward. And a storage part 28d.

さらに、液水量調整構造２８は、水素・液水排出部２７ｂとパイプ状部材２８ｃとを接続するパイプ状部材２８ｅであって、エンドプレート２７の水素・液水排出部２７ｂから上方に延びた後、下側の内壁面の高さが高さｈとなる箇所で水平方向に曲がった形状のパイプ状部材２８ｅを備えている。なお、高さｈとは、その高さまで各水素ポンプユニット１２のカソード流路内に液水が溜まることにより各水素ポンプユニット１２の電解質膜の水素移動に利用可能な面積が減少しても、各水素ポンプユニット１２の性能がさほど低下しない高さとして定められた高さのことである。   Further, the liquid water amount adjusting structure 28 is a pipe-shaped member 28e that connects the hydrogen / liquid water discharge portion 27b and the pipe-shaped member 28c, and extends upward from the hydrogen / liquid water discharge portion 27b of the end plate 27. A pipe-shaped member 28e having a shape bent in the horizontal direction at a position where the height of the lower inner wall surface becomes the height h is provided. Note that the height h means that even if the liquid water accumulates in the cathode flow path of each hydrogen pump unit 12 up to that height, the area available for hydrogen movement of the electrolyte membrane of each hydrogen pump unit 12 decreases. It is a height determined as a height at which the performance of each hydrogen pump unit 12 does not deteriorate so much.

次に、図１及び図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成を説明する。なお、以下の説明では、燃料電池１０の、中間プレート２４よりもエンドプレート２１側の部分、中間プレート２４よりもエンドプレート２７側の部分のことを、それぞれ、発電部、不純物濃縮部と表記する。また、図１に示してある、燃料電池１０以外の部分（水素タンク３０等からなる部分）のことを、アノードガス供給系と表記する。   Next, the configuration of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In the following description, the portion of the fuel cell 10 that is closer to the end plate 21 than the intermediate plate 24 and the portion that is closer to the end plate 27 than the intermediate plate 24 are referred to as a power generation unit and an impurity concentration unit, respectively. . Further, the part (part consisting of the hydrogen tank 30 and the like) other than the fuel cell 10 shown in FIG. 1 is referred to as an anode gas supply system.

図１に示してあるように、燃料電池システム１のアノードガス供給系は、水素を保持した水素タンク３０と、水素タンク３０内の水素を、加湿することなく（加湿器を通すことなく）燃料電池１０のアノードガス導入部２１ａに供給するためのガス流路３３と、ガス流路３３の途中に設けられたシャットバルブ３１、減圧弁（図示略）及びインジェクタ３２とを備えている。   As shown in FIG. 1, the anode gas supply system of the fuel cell system 1 includes a hydrogen tank 30 holding hydrogen, and a fuel without humidifying the hydrogen in the hydrogen tank 30 (without passing through a humidifier). A gas flow path 33 for supplying to the anode gas introduction part 21 a of the battery 10, a shut valve 31 provided in the middle of the gas flow path 33, a pressure reducing valve (not shown), and an injector 32 are provided.

また、アノードガス供給系は、燃料電池１０のアノード排ガス排出部２１ｂをガス流路３３の途中の部分に接続するガス流路３４、当該ガス流路３４の途中に設けられた機械式ポンプ３９を備えている。アノードガス供給系は、液水量調整構造２８（パイプ状部材２
８ａ：図３参照）を介して水素排出部２７ａとガス流路３３とを接続するガス流路３５も備えている。なお、このガス流路３５は、図示せぬイジェクタを介してガス流路３３と接続されたものとなっている。 The anode gas supply system includes a gas flow path 34 that connects the anode exhaust gas discharge portion 21b of the fuel cell 10 to a middle portion of the gas flow path 33, and a mechanical pump 39 provided in the middle of the gas flow path 34. I have. The anode gas supply system includes a liquid water amount adjustment structure 28 (pipe-like member 2
8a: a gas flow path 35 for connecting the hydrogen discharge portion 27a and the gas flow path 33 via the gas flow path 33 (see FIG. 3). The gas flow path 35 is connected to the gas flow path 33 via an ejector (not shown).

アノードガス供給系は、ガス流路３５の途中に設けられたシャットバルブ３７、不純物濃縮ガス排出部２７ｃと接続されたガス流路３６、当該ガス流路３６の途中に設けられたシャットバルブ３８も、備えている。   The anode gas supply system also includes a shut valve 37 provided in the middle of the gas flow path 35, a gas flow path 36 connected to the impurity concentrated gas discharge portion 27c, and a shut valve 38 provided in the middle of the gas flow path 36. Have.

また、図２に示してあるように、燃料電池システム１は、発電部（中間プレート２４の冷却水排出部）から排出される冷却水を冷却水循環部４０に供給するための冷却水流路４１、冷却水流路４１からの冷却水を冷却して圧送する冷却水循環部４０（ラジエータ、冷却水用ポンプ等を組み合わせた部分）等からなる冷却水循環系も備えている。   Further, as shown in FIG. 2, the fuel cell system 1 includes a cooling water channel 41 for supplying cooling water discharged from the power generation unit (cooling water discharging unit of the intermediate plate 24) to the cooling water circulation unit 40, A cooling water circulation system including a cooling water circulation unit 40 (a portion combining a radiator, a cooling water pump, and the like) that cools and pumps cooling water from the cooling water flow path 41 is also provided.

この冷却水循環系の冷却水流路４１には、発電部から排出される温水でエンドプレート２７（不純物濃縮部）を暖めるための冷却水流路４２（本発明における“加熱用流路”にほぼ相当する流路）が接続されている。そして、冷却水流路４１と冷却水流路４２との一方の接続部分（上流側の接続部分）には、発電部側からの冷却水を冷却水流路４２側に流す状態と、当該冷却水を冷却水流路４１側（冷却水流路４１の下流側）に流す状態とを取り得る切替バルブ４３が設けられている。   The cooling water flow path 41 of the cooling water circulation system substantially corresponds to the cooling water flow path 42 (the “heating flow path” in the present invention) for warming the end plate 27 (impurity concentration portion) with hot water discharged from the power generation portion. Channel). And in one connection part (upstream connection part) of the cooling water flow path 41 and the cooling water flow path 42, the state in which the cooling water from the power generation unit side flows to the cooling water flow path 42 side and the cooling water is cooled. A switching valve 43 that can take a state of flowing to the water channel 41 side (downstream side of the cooling water channel 41) is provided.

また、図示は省略してあるが、燃料電池システム１は、エアコンプレッサ等からなる、燃料電池１０のカソードガス導入部に空気を供給するためのアノードガス供給系を備えている。さらに、燃料電池システム１は、各種センサの出力に基づき、必要量のアノードガス及びカソードガスが燃料電池１０へ供給されるように、各部を制御する制御装置（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる、いわゆる電子制御ユニット）も備えている。なお、各種センサとは、燃料電池システム１を搭載した車両に設けられているアクセルペダルセンサや、燃料電池システム１の各所に設けられている、圧力、電圧、温度等を測定するためのセンサのことである。また、必要量のアノードガス及びカソードガスとは、負荷（本実施形態では、車両用モータ、バッテリ、インバータ等からなるシステム）に必要とされている電力（アクセルペダル開度等から求められた電力）が出力端子２３ａ間から取り出せる量のガスのことである。   Although not shown, the fuel cell system 1 includes an anode gas supply system for supplying air to the cathode gas introduction part of the fuel cell 10, which is an air compressor or the like. Furthermore, the fuel cell system 1 includes a control device (CPU, ROM, RAM, etc.) that controls each part so that a required amount of anode gas and cathode gas is supplied to the fuel cell 10 based on outputs of various sensors. A so-called electronic control unit is also provided. The various sensors are an accelerator pedal sensor provided in a vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted, or a sensor for measuring pressure, voltage, temperature, etc. provided in various places of the fuel cell system 1. That is. In addition, the required amounts of anode gas and cathode gas are the power required for the load (in this embodiment, a system comprising a vehicle motor, a battery, an inverter, etc.) (power obtained from the accelerator pedal opening etc.) ) Is an amount of gas that can be extracted from between the output terminals 23a.

この制御装置は、入力端子２６ａ間に電流を流すことにより各水素ポンプユニット１２のアノード流路側からカソード流路側へ水素を移動させた後、シャットバルブ３７、３８を一時的に開ける処理である不純物濃縮部等制御処理を定期的に行う機能を有している。なお、詳細説明は省略するが、この不純物濃縮部等制御処理は、入力端子２６ａ間のインピーダンスや入力端子２６ａ間に流した電流量に基づき、各水素ポンプユニット１２のアノード流路側からカソード流路側へ移動した水素量や、各水素ポンプユニット１２のアノード流路側に残っている水素量を推定し、その推定結果に基づき、シャットバルブ３７、３８を開けるタイミングを決定する処理となっている。   This control device is a process for temporarily opening the shut valves 37 and 38 after the hydrogen is moved from the anode flow path side to the cathode flow path side of each hydrogen pump unit 12 by flowing a current between the input terminals 26a. It has a function to periodically perform control processing such as a concentrating unit. Although detailed description is omitted, the control process for the impurity concentrating unit and the like is performed from the anode channel side to the cathode channel side of each hydrogen pump unit 12 based on the impedance between the input terminals 26a and the amount of current passed between the input terminals 26a. The amount of hydrogen that has moved to and the amount of hydrogen remaining on the anode flow path side of each hydrogen pump unit 12 is estimated, and the timing for opening the shut valves 37 and 38 is determined based on the estimation result.

また、制御装置は、出力端子２３ａ間のインピーダンス等に基づき、各燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量を監視する機能も有している。そして、制御装置は、各燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量が所定量以下となっている状態で、上記不純物濃縮部等制御処理を開始する場合には、発電部からの冷却水（つまり、温水）が冷却水流路４２に流れるように切替バルブ４３を制御する装置となっている。   The control device also has a function of monitoring the amount of water in the electrolyte membrane of each fuel cell 11 based on the impedance between the output terminals 23a and the like. When the control device starts the control process such as the impurity concentration unit in a state where the amount of water in the electrolyte membrane of each fuel cell 11 is equal to or less than a predetermined amount, That is, the switching valve 43 is controlled so that warm water flows into the cooling water flow path 42.

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の作用効果を説明する。   Next, the effect of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described.

上記した燃料電池システム１の構成から明らかなように、制御装置の制御下、アノード
ガス及びカソードガスの燃料電池１０への供給が開始されると、燃料電池１０の発電部が発電動作を開始する。 As is apparent from the configuration of the fuel cell system 1 described above, when supply of anode gas and cathode gas to the fuel cell 10 is started under the control of the control device, the power generation unit of the fuel cell 10 starts power generation operation. .

その際、不純物濃縮部等制御処理が行われていなければ（シャットバルブ３８が開けられておらず、かつ、入力端子２６ａ間に電流が流されていなければ）、発電部からのアノード排ガスの全てが、発電部に供給されるアノードガスの一部として再利用されることになる。何故ならば、発電部のアノード下部マニホールド１４Ｃは、ガス流路３４とアノード下部マニホールド１４Ｐとに接続されているが、シャットバルブ３８が開けられておらず、かつ、入力端子２６ａ間に電流が流されていない場合、各水素ポンプユニット１２のアノード流路側のガス量は変化しないからである。   At that time, if control processing such as the impurity concentrating unit is not performed (if the shut valve 38 is not opened and no current is passed between the input terminals 26a), all of the anode exhaust gas from the power generation unit Is reused as part of the anode gas supplied to the power generation unit. This is because the anode lower manifold 14C of the power generation unit is connected to the gas flow path 34 and the anode lower manifold 14P, but the shut valve 38 is not opened and no current flows between the input terminals 26a. If not, the amount of gas on the anode flow path side of each hydrogen pump unit 12 does not change.

また、そのような形での運転が続くと、発電部に供給されるアノードガス、発電部から排出されるアノード排ガス中の不純物濃度が高くなっていくが、アノードガス／アノード排ガス中の不純物濃度が高くなったときに入力端子２６ａ間に電流を流す処理を開始すれば、各水素ポンプユニット１２のアノード流路側からカソード流路側に、水素、及び、電解質膜中の水分が移動する。   Further, if the operation in such a form continues, the impurity concentration in the anode gas supplied to the power generation unit and the anode exhaust gas discharged from the power generation unit increases, but the impurity concentration in the anode gas / anode exhaust gas If the process of flowing a current between the input terminals 26a is started when the voltage becomes high, hydrogen and moisture in the electrolyte membrane move from the anode channel side to the cathode channel side of each hydrogen pump unit 12.

その結果、各水素ポンプユニット１２のアノード流路内のアノード排ガスは、不純物濃度がより高いガス（図１では、不純物濃縮ガス；図３では、Ｎ₂）に変化することになる
。 As a result, the anode exhaust gas in the anode flow path of each hydrogen pump unit 12 changes to a gas with a higher impurity concentration (impurity enriched gas in FIG. 1; N _{2 in} FIG. 3).

また、各水素ポンプユニット１２のカソード流路側へ移動した水分は、液化するため、各水素ポンプユニット１２のカソード流路内には、水素と水とが溜まることになる。なお、水素ポンプユニット１２のカソード流路側で水分が液化するのは、水素ポンプユニット１２内で生ずる水素の移動反応が発熱を伴うものではないため、水素ポンプユニット１２のカソード流路側の温度が比較的に低いものとなるからである。   Moreover, since the water | moisture content which moved to the cathode flow path side of each hydrogen pump unit 12 is liquefied, hydrogen and water will accumulate in the cathode flow path of each hydrogen pump unit 12. The reason why water is liquefied on the cathode flow path side of the hydrogen pump unit 12 is that the hydrogen transfer reaction occurring in the hydrogen pump unit 12 does not generate heat, so the temperature on the cathode flow path side of the hydrogen pump unit 12 is compared. This is because it is low.

そして、各水素ポンプユニット１２のアノード流路は、アノード上部マニホールド１３Ｐ等を介して、シャットバルブ３８を備えたガス流路３６と接続されている。従って、各水素ポンプユニット１２のアノード流路側のガス中の水素量が或る程度まで下がったときに、シャットバルブ３８を開ければ、アノード排ガスよりも不純物濃度が高い（水素濃度が低い）不純物濃縮ガスを燃料電池システム１外に排出できることになる。   And the anode flow path of each hydrogen pump unit 12 is connected to the gas flow path 36 provided with the shut valve 38 via the anode upper manifold 13P. Accordingly, if the shut valve 38 is opened when the amount of hydrogen in the gas on the anode flow path side of each hydrogen pump unit 12 is reduced to a certain level, the impurity concentration is higher than that of the anode exhaust gas (the hydrogen concentration is low). The gas can be discharged out of the fuel cell system 1.

また、各水素ポンプユニット１２のカソード流路は、カソード上部マニホールド１５Ｐ、シャットバルブ３７を備えたガス流路３５、ガス流路３３等を介して、カソードガス導入部２１ａと接続されている。そして、カソード上部マニホールド１５Ｐは、各水素ポンプユニット１２のカソード流路の上端側の部分に連通したもの（カソード流路下部の水を水素と共に排出してしまわないもの）となっている。   Moreover, the cathode flow path of each hydrogen pump unit 12 is connected to the cathode gas introduction part 21a via the cathode upper manifold 15P, the gas flow path 35 including the shut valve 37, the gas flow path 33, and the like. The cathode upper manifold 15P is in communication with a portion on the upper end side of the cathode flow path of each hydrogen pump unit 12 (that does not discharge water in the lower part of the cathode flow path together with hydrogen).

従って、各水素ポンプユニット１２のカソード流路側に或る程度の量の水素が溜まったときに、シャットバルブ３７を開ければ、カソード流路内に水を残す形で、アノード排ガスから回収した水素を燃料として発電部へ供給できることになる。   Therefore, when a certain amount of hydrogen accumulates on the cathode flow path side of each hydrogen pump unit 12, if the shut valve 37 is opened, the hydrogen recovered from the anode exhaust gas is left in a form that leaves water in the cathode flow path. It can be supplied to the power generation unit as fuel.

そして、各水素ポンプユニット１２のカソード流路内に水を貯めておけば、その水で、各水素ポンプユニット１２の電解質膜に水分を補給することが出来るので、燃料電池１０に、各水素ポンプユニット１２のカソード流路の上端側から水素を取り出す構成の不純物濃縮部を採用し、燃料電池システム１に、上記内容の不純物濃縮部等制御処理を行う制御装置を採用しているのである。   And if water is stored in the cathode flow path of each hydrogen pump unit 12, the water can be replenished to the electrolyte membrane of each hydrogen pump unit 12 with that water. An impurity concentrating part configured to take out hydrogen from the upper end side of the cathode flow path of the unit 12 is adopted, and a control device that performs control processing such as the impurity concentrating part having the above contents is adopted in the fuel cell system 1.

ただし、水素・液水排出部２７ｂを単に封止したのでは、各水素ポンプユニット１２の
カソード流路内のかなりの高さまで液水が溜まってしまい、その結果として、各水素ポンプユニット１２の性能が低下してしまう（電解質膜の、水素移動に使用可能な面積が減ってしまう）ことが考えられる。 However, if the hydrogen / liquid water discharge portion 27b is simply sealed, the liquid water accumulates to a considerable height in the cathode flow path of each hydrogen pump unit 12, and as a result, the performance of each hydrogen pump unit 12 is increased. May decrease (the area of the electrolyte membrane that can be used for hydrogen transfer decreases).

そして、エンドプレート２７側に、水素・液水排出部２７ｂから上方に延びた後、下側の内壁面の高さが高さｈとなる箇所で水平方向に曲がった形状のパイプ状部材２８ｅ、当該パイプ状部材２８ｅから液水を貯留する貯留部２８ｄ等（図３参照）を設けておけば、各水素ポンプユニット１２のカソード流路内に溜まり得る液水の高さを、各水素ポンプユニット１２の性能がさほど低下しない高さｈ以下に制御できる。このため、燃料電池１０に、上記構成の液水量調整構造２８を設けているのである。   Then, after extending upward from the hydrogen / liquid discharge portion 27b to the end plate 27 side, a pipe-like member 28e having a shape bent in the horizontal direction at a position where the height of the lower inner wall surface becomes the height h, If a reservoir 28d or the like (see FIG. 3) for storing liquid water from the pipe-shaped member 28e is provided, the height of the liquid water that can be stored in the cathode flow path of each hydrogen pump unit 12 is set to each hydrogen pump unit. 12 can be controlled to a height h or less where the performance does not deteriorate so much. For this reason, the liquid water amount adjusting structure 28 having the above-described configuration is provided in the fuel cell 10.

また、不純物濃縮部等制御処理時に不純物濃縮部が暖められるようにしておけば、各水素ポンプユニット１２のカソード流路内の液水を気化（水蒸気化）して各燃料電池セル１１のアノード流路に供給することが出来ることになる。そして、上記構成を有する不純物濃縮部の、最も低温となる部分は、エンドプレート２７近傍の部分（貯留部２８ｄ、エンドプレート２７に最も近い水素ポンプユニット１２等）であり、発電部から排出される温水を利用すれば、比較的に低コストで、エンドプレート２７を加熱できる。このため、燃料電池システム１に、上記した構成の冷却水循環系（図２参照）と、各燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量が所定量以下となっている状態で不純物濃縮部等制御処理を開始する場合には、発電部からの冷却水（つまり、温水）が冷却水流路４２に流れるように切替バルブ４３を制御する制御装置とを採用しているのである。   Further, if the impurity concentrating part is warmed during the control process such as the impurity concentrating part, the liquid water in the cathode flow path of each hydrogen pump unit 12 is vaporized (steamed) and the anode flow of each fuel cell 11 is flown. Can be supplied to the road. The lowest temperature portion of the impurity concentrating portion having the above configuration is a portion in the vicinity of the end plate 27 (reservoir 28d, hydrogen pump unit 12 closest to the end plate 27, etc.), and is discharged from the power generation unit. If hot water is used, the end plate 27 can be heated at a relatively low cost. For this reason, in the fuel cell system 1, the control of the impurity concentrating portion and the like is performed in a state where the water content in the cooling water circulation system (see FIG. 2) having the above-described configuration and the electrolyte membrane of each fuel cell 11 is less than a predetermined amount When the process is started, a control device that controls the switching valve 43 so that the cooling water (that is, hot water) from the power generation unit flows into the cooling water flow path 42 is employed.

以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１に用いられている燃料電池１０は、それぞれ、既存の燃料電池システムにおける燃料電池、電気化学的水素ポンプに相当する発電部、不純物濃縮部を一体化したものであると共に、燃料電池セル１１、電気化学的水素ポンプユニット１２等を積層すれば製造できる（組み立てられる）ものとなっている。   As described above in detail, the fuel cell 10 used in the fuel cell system 1 according to this embodiment includes a fuel cell in an existing fuel cell system, a power generation unit corresponding to an electrochemical hydrogen pump, In addition to integrating the impurity concentrating part, it can be manufactured (assembled) by stacking the fuel cell 11, the electrochemical hydrogen pump unit 12, and the like.

そして、発電部と不純物濃縮部とを一体化した燃料電池１０の製造に必要とされる部品数、工程数は、発電部と不純物濃縮部とを別々製造する場合に必要とされる部品数、工程数よりも少ない。また、発電部と不純物濃縮部とを一体化しておけば、燃料電池システムを構築する際に、不純物濃縮部の設置場所を確保する必要や、発電部と不純物濃縮部とを接続する必要がなくなることになる。   And, the number of parts required for manufacturing the fuel cell 10 in which the power generation unit and the impurity concentration unit are integrated, the number of processes is the number of parts required when separately manufacturing the power generation unit and the impurity concentration unit, Less than the number of processes. In addition, if the power generation unit and the impurity concentration unit are integrated, it is not necessary to secure the installation location of the impurity concentration unit and to connect the power generation unit and the impurity concentration unit when constructing the fuel cell system. It will be.

従って、燃料電池システム１の構成を採用しておけば、燃料電池と電気化学的水素ポンプとを用いた場合よりも、コンパクト且つ安価な燃料電池システムを製造できることになる。   Therefore, if the configuration of the fuel cell system 1 is adopted, a more compact and less expensive fuel cell system can be manufactured than when a fuel cell and an electrochemical hydrogen pump are used.

また、燃料電池１０が備える不純物濃縮部は、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路の上端部分（鉛直方向上方部分）から、水素が取り出される構成を採用することにより、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路内に生じた液水（凝縮水）が水素と共に排出されないようにしたものとなっている。そして、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路内に生じた液水が水素と共に排出されなければ、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路内に液水が溜まり、その液水によって、各電気化学的水素ポンプユニット１２の電解質膜に水分を補給することが出来る。従って、上記した燃料電池システム１は、燃料電池１０を無加湿運転するものであるにも拘わらず、電気化学的水素ポンプユニット１２内の電解質膜が乾きにくいものとなっていることになる。   Further, the impurity concentrating part provided in the fuel cell 10 employs a structure in which hydrogen is taken out from the upper end part (vertical upper part) of the cathode channel of each electrochemical hydrogen pump unit 12, so The liquid water (condensed water) generated in the cathode channel of the hydrogen pump unit 12 is prevented from being discharged together with hydrogen. If the liquid water generated in the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit 12 is not discharged together with hydrogen, liquid water accumulates in the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit 12, and the liquid water Thus, water can be supplied to the electrolyte membrane of each electrochemical hydrogen pump unit 12. Therefore, in the fuel cell system 1 described above, the electrolyte membrane in the electrochemical hydrogen pump unit 12 is difficult to dry although the fuel cell 10 is operated without humidification.

さらに、燃料電池システム１が備える制御装置は、不純物濃縮部等制御処理の開始時に
、各燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量が所定量以下であった場合には、発電部からの冷却水（つまり、温水）を冷却水流路４２に流すことによって、不純物濃縮部（エンドプレート２７近傍）を暖める機能を有している。従って、燃料電池システム１は、各燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量が不足している場合に、各燃料電池セル１１の電解質膜へ水分が補充されるシステム（つまり、各燃料電池セル１１内の電解質膜も乾きにくいシステム）となっていることになる。 Furthermore, the control device provided in the fuel cell system 1 cools the power generation unit when the amount of water in the electrolyte membrane of each fuel cell 11 is equal to or less than a predetermined amount at the start of the control process such as the impurity concentration unit. By flowing water (that is, warm water) through the cooling water flow path 42, the impurity concentrating portion (in the vicinity of the end plate 27) is heated. Therefore, the fuel cell system 1 is a system in which water is replenished to the electrolyte membrane of each fuel cell 11 when the amount of water in the electrolyte membrane of each fuel cell 11 is insufficient (that is, each fuel cell). 11 is a system in which the electrolyte membrane in 11 is also difficult to dry.

また、燃料電池１０の不純物濃縮部は、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路内の液水量を、各電気化学的水素ポンプユニット１２の電解質膜の鉛直方向上側の所定面積の部分に触れない量に維持する液水量調整構造２８を有している。従って、本実施形態に係る燃料電池システム１では、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路内の液水量が過度に増える（各電気化学的水素ポンプユニット１２の電解質膜の、水素移動に利用可能な面積が過度に減少する）ことに因り、各電気化学的水素ポンプユニット１２の性能が劣化するといったことが生じないことになる。   Further, the impurity concentrating part of the fuel cell 10 causes the amount of liquid water in the cathode channel of each electrochemical hydrogen pump unit 12 to be in a predetermined area on the upper side in the vertical direction of the electrolyte membrane of each electrochemical hydrogen pump unit 12. The liquid water amount adjusting structure 28 is maintained so as to keep it in an untouchable amount. Therefore, in the fuel cell system 1 according to the present embodiment, the amount of liquid water in the cathode channel of each electrochemical hydrogen pump unit 12 increases excessively (for the movement of hydrogen in the electrolyte membrane of each electrochemical hydrogen pump unit 12). As a result, the performance of each electrochemical hydrogen pump unit 12 does not deteriorate.

《変形形態》
上記した燃料電池１０、燃料電池システム１は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、燃料電池１０の電気化学的水素ポンプユニット１２は、燃料電池セル１１と全く同一のものであったが、燃料電池１０を、ＭＥＡのみが燃料電池セル１１と異なる電気化学的水素ポンプユニット１２が用いられたものに変形することが出来る。また、燃料電池１０を、燃料電池セル１１と全く別構成の電気化学的水素ポンプユニット１２が用いられたものに変形することも出来る。ただし、電気化学的水素ポンプユニット１２として、燃料電池セル１１と全く別構成のものを使用した場合、製造コストが上昇してしまう。従って、電気化学的水素ポンプユニット１２としては、燃料電池セル１１と大部分の部品が同じものを使用しておくことが好ましく、特に、燃料電池セル１１と全く同じものを使用しておくことが望ましい。 <Deformation>
The fuel cell 10 and the fuel cell system 1 described above can be variously modified. For example, the electrochemical hydrogen pump unit 12 of the fuel cell 10 is exactly the same as the fuel cell 11, but the fuel cell 10 is different from the fuel cell 11 only in the MEA. Can be transformed into those used. Further, the fuel cell 10 can be modified to one using an electrochemical hydrogen pump unit 12 having a completely different configuration from the fuel cell 11. However, when an electrochemical hydrogen pump unit 12 having a completely different configuration from the fuel cell 11 is used, the manufacturing cost increases. Therefore, it is preferable that the electrochemical hydrogen pump unit 12 has most of the same parts as the fuel battery cell 11, and in particular, the same one as the fuel battery cell 11 should be used. desirable.

燃料電池システム１を、冷却水流路４２相当のものとして、水素ポンプ内の冷却水流路が用いられたものや、冷却水流路４２の代わりに、エンドプレート２７を加熱するためのヒータを備えたものに変形することも出来る。また、エンドプレート２７の加熱時期は、不純物濃縮部内に溜まっている水の一部を各燃料電池セル１１の電解質膜へ供給できるものでありさえすれば良い。従って、燃料電池システム１を、上記したものとは異なる手順／内容の制御（例えば、不純物濃縮部等制御処理の開始後、所定条件が満たされたときに、エンドプレート２７の加熱を開始する制御等）を行う制御装置を備えたものに変形することも出来る。   The fuel cell system 1 is equivalent to the cooling water flow path 42 and uses a cooling water flow path in the hydrogen pump, or has a heater for heating the end plate 27 instead of the cooling water flow path 42 It can also be transformed into Further, the heating time of the end plate 27 only needs to be able to supply a part of the water accumulated in the impurity concentrating part to the electrolyte membrane of each fuel cell 11. Therefore, the fuel cell system 1 is controlled with a procedure / contents different from those described above (for example, control for starting heating of the end plate 27 when a predetermined condition is satisfied after the start of the control process such as the impurity concentrating unit). Etc.) can also be modified to those equipped with a control device.

また、燃料電池システム１を、アノードガス用の小型の加湿器を備えたものや、車両用のものではないものに変形しても良いことなどは、当然のことである。   In addition, it is natural that the fuel cell system 1 may be modified into one having a small humidifier for anode gas or one not for a vehicle.

１・・・燃料電池システム
１０・・・燃料電池
１１・・・燃料電池セル
１２・・・電気化学的水素ポンプユニット
１３Ｃ、１３Ｐ・・・アノード上部マニホールド
１４Ｃ、１４Ｐ・・・アノード下部マニホールド
１５Ｐ・・・カソード上部マニホールド
２１，２７・・・エンドプレート
２１ａ・・・アノードガス導入部
２１ｂ・・・アノード排ガス排出部
２７ａ・・・水素排出部
２７ｂ・・・水素・液水排出部
２７ｃ・・・不純物濃縮ガス排出部
２２、２５・・・絶縁板
２３、２６・・・集電板
２４・・・中間プレート
２８・・・液水量調整構造
３０・・・水素タンク
３１、３７、３８・・・シャットバルブ
３２・・・インジェクタ
３３〜３６・・・ガス流路
３９・・・機械式ポンプ
４０・・・冷却水循環部
４１、４２・・・冷却水流路
４３・・・切替バルブ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 10 ... Fuel cell 11 ... Fuel cell 12 ... Electrochemical hydrogen pump unit 13C, 13P ... Anode upper manifold 14C, 14P ... Anode lower manifold 15P ..Cathode upper manifold 21, 27 ... End plate 21a ... Anode gas introduction part 21b ... Anode exhaust gas discharge part 27a ... Hydrogen discharge part 27b ... Hydrogen / liquid water discharge part 27c ... Impurity-concentrated gas discharge part 22, 25 ... Insulating plate 23, 26 ... Current collecting plate 24 ... Intermediate plate 28 ... Liquid water amount adjusting structure 30 ... Hydrogen tank 31, 37, 38 ... Shut valve 32 ... Injector 33-36 ... Gas flow path 39 ... Mechanical pump 40 ... Cooling water circulation part 41, 42 ... Cooling water flow path 43 ... switching valve

Claims (1)

複数個の燃料電池セルを積層した部分を含む、水素を含むガスがアノードガスとして供給される発電部と、前記発電部から排出されるアノード排ガスの少なくとも一部を不純物濃度がより高い不純物濃縮ガスと水素とに分離するための不純物濃縮部であって、前記発電部に対して前記燃料電池の積層方向に積層された、プロトンを通す電解質膜と当該電解質膜を挟んで対向するカソード流路及びアノード流路とを有する１個以上の電気化学的水素ポンプユニット、前記発電部からのアノード排ガスの少なくとも一部を各電気化学的水素ポンプユニットのアノード流路に供給するためのアノード排ガス供給路、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路の鉛直方向上方部分と接続された、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内に溜まった水素をカソード流路外へ排出するための水素出口、及び、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の過剰分の液水をカソード流路外へ排出することにより、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水量を、各電気化学的水素ポンプユニットの電解質膜の鉛直方向上側の所定面積の部分に触れない量に維持する液水量調整手段を有する不純物濃縮部とを備える燃料電池、
前記不純物濃縮部の前記水素出口から水素を取り出し、取り出した水素を前記発電部に供給されるアノードガスに含ませるための水素循環手段、
前記燃料電池の前記不純物濃縮部を暖めるための加熱手段、及び、
前記発電部の各燃料電池セルの電解質膜中の水分量の不足時に、前記不純物濃縮部内の各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水が気化するように前記加熱手段を制御する制御手段
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A power generation unit including a portion in which a plurality of fuel cells are stacked, a gas containing hydrogen being supplied as an anode gas, and at least a part of the anode exhaust gas discharged from the power generation unit has a higher impurity concentration An impurity concentrating unit for separating the hydrogen into hydrogen and an electrolyte membrane stacked in the stacking direction of the fuel cell with respect to the power generation unit, a cathode channel facing the sandwiched electrolyte membrane, One or more electrochemical hydrogen pump units having an anode flow path, an anode exhaust gas supply path for supplying at least part of the anode exhaust gas from the power generation section to the anode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit, The cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit connected to the vertical upper part of the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit The hydrogen outlet for discharging the hydrogen accumulated in the cathode channel and the excess liquid water in the cathode channel of each electrochemical hydrogen pump unit is discharged to the outside of the cathode channel. Impurity concentration unit having liquid water amount adjusting means for maintaining the amount of liquid water in the cathode channel of the chemical hydrogen pump unit so as not to touch a part of a predetermined area on the upper side in the vertical direction of the electrolyte membrane of each electrochemical hydrogen pump unit A fuel cell comprising:
Hydrogen circulation means for taking out hydrogen from the hydrogen outlet of the impurity concentrating unit and including the extracted hydrogen in the anode gas supplied to the power generation unit,
Heating means for warming the impurity concentration part of the fuel cell; and
The heating means is controlled so that liquid water in the cathode flow path of each electrochemical hydrogen pump unit in the impurity concentrating unit is vaporized when the amount of water in the electrolyte membrane of each fuel cell of the power generation unit is insufficient. A fuel cell system comprising control means.

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