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JP2014049344A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2014049344A
JP2014049344A JP2012192446A JP2012192446A JP2014049344A JP 2014049344 A JP2014049344 A JP 2014049344A JP 2012192446 A JP2012192446 A JP 2012192446A JP 2012192446 A JP2012192446 A JP 2012192446A JP 2014049344 A JP2014049344 A JP 2014049344A
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Japan
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fuel cell
fuel
gas
cell module
load
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JP2012192446A
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Japanese (ja)
Inventor
Goro Fujita
悟朗 藤田
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To surely exhaust moisture reverse-spread to an anode chamber from a cathode chamber during power generation with a simple structure, in a passive type fuel cell system.SOLUTION: A plurality of fuel cell modules 100a, 100b are electrically parallel-connected to a load. A fuel gas is distributed to each of the fuel cell modules 100a, 100b from a fuel source 300. A common gas-liquid separating part 200 is connected to the anode chamber of each of the plurality of fuel cell modules 100a, 100b. The load can be cutoff individually from each of the fuel cell modules 100a, 100b. In such a structure, during operation of the fuel cell system, after the output of a specific fuel cell module 100a, 100b is cutoff from the load or reduced, it is again connected.

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.

燃料電池システムは水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池システムの主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池システムは燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、21世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。   The fuel cell system is a device that generates electrical energy from hydrogen and oxygen, and can achieve high power generation efficiency. The main features of the fuel cell system are direct power generation that does not go through the process of thermal energy or kinetic energy as in the conventional power generation method, so that high power generation efficiency can be expected even on a small scale, and emissions of nitrogen compounds, etc. There are few, and noise and vibration are also small, and environmental properties are good. In this way, the fuel cell system can effectively use the chemical energy of the fuel and has environmentally friendly characteristics, so it is expected as an energy supply system for the 21st century, from space use to automobiles and portable devices. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used in various applications from large-scale power generation to small-scale power generation, and technological development is in full swing toward practical use.

燃料電池システムは、燃料供給用のポンプなどの補機を有するアクティブ型と、補機を持たないパッシブ型に大別される。   Fuel cell systems are roughly classified into an active type having an auxiliary machine such as a fuel supply pump and a passive type having no auxiliary machine.

特開2006−164942JP 2006-164942 A

従来のパッシブ型の燃料電池システムでは、発電時にカソードからアノード側に逆拡散した生成水がアノード室内に滞留した場合に、アノード室外に生成水を排出することが困難であった。この結果、燃料電池システムを長時間運転した場合に、生成水が燃料ガスの拡散を妨げ、発電が不安定となる場合があった。   In the conventional passive type fuel cell system, it is difficult to discharge the generated water out of the anode chamber when the generated water back-diffused from the cathode to the anode side during power generation stays in the anode chamber. As a result, when the fuel cell system is operated for a long time, the generated water hinders the diffusion of the fuel gas, and power generation may become unstable.

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、パッシブ型の燃料電池システムにおいて、発電時にカソードからアノード室に逆拡散した水分を簡便な構成で確実に排出することができる技術の提供にある。   The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a passive fuel cell system that can reliably discharge moisture that has been reversely diffused from the cathode to the anode chamber during power generation with a simple configuration. Is in the provision of.

本発明のある態様は、燃料電池システムである。当該負荷と電気的に並列接続される複数の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに供給される燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、前記燃料貯蔵部から前記複数の燃料電池モジュールの各アノード室に前記燃料を分配する燃料ガス流路と、前記各アノード室に接続された共通の気液分離部と、前記負荷と各燃料電池モジュールとの間の電気的な接続をそれぞれ遮断可能な複数の遮断部もしくは出力をそれぞれ軽減可能な複数の出力調整部と、前記遮断部もしくは前記出力調整部を用いて、少なくとも1つ以上の前記燃料電池モジュールから前記負荷への出力を遮断もしくは軽減した後、再接続もしくは復帰する制御部とを備えることを特徴とする。   One embodiment of the present invention is a fuel cell system. A plurality of fuel cell modules electrically connected in parallel with the load, a fuel storage unit for storing fuel supplied to the fuel cell module, and an anode chamber of the plurality of fuel cell modules from the fuel storage unit A fuel gas flow path for distributing the fuel, a common gas-liquid separator connected to each anode chamber, and a plurality of shutoffs capable of shutting off electrical connection between the load and each fuel cell module. A plurality of output adjusting units capable of reducing the output of each of the fuel cell modules and the output, and shutting off or reducing the output from at least one of the fuel cell modules to the load using the shut-off unit or the output adjusting unit. And a control unit that is connected or restored.

本発明によれば、パッシブ型の燃料電池システムにおいて、発電時にカソードからアノード室に逆拡散した水分を簡便な構成で確実に排出することができる。   According to the present invention, in a passive fuel cell system, moisture that has been back-diffused from the cathode to the anode chamber during power generation can be reliably discharged with a simple configuration.

実施の形態1に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an external appearance of a fuel cell system according to Embodiment 1. FIG. 図2(A)は、燃料電池モジュールの外観を示す拡大斜視図である。図2(B)は、図2(A)のA−A線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。FIG. 2A is an enlarged perspective view showing the appearance of the fuel cell module. FIG. 2B is a cross-sectional view of the fuel cell module along the line AA in FIG. 燃料電池システムの電気配線およびガス配管を模式的に示す図であるIt is a figure which shows typically the electrical wiring and gas piping of a fuel cell system. 燃料電池モジュールのアノード室から水分を排出するメカニズムを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mechanism in which a water | moisture content is discharged | emitted from the anode chamber of a fuel cell module. 実施の形態2に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing an appearance of a fuel cell system according to Embodiment 2.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る燃料電池システム10の外観を示す斜視図である。燃料電池システム10は、燃料電池モジュール100、気液分離部200、燃料源300、制御部400を備える。本実施の形態の燃料電池システム10は、燃料供給用のポンプなどの補機を持たないパッシブ型の燃料電池システムである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a fuel cell system 10 according to Embodiment 1. FIG. The fuel cell system 10 includes a fuel cell module 100, a gas-liquid separator 200, a fuel source 300, and a controller 400. The fuel cell system 10 according to the present embodiment is a passive fuel cell system that does not have auxiliary equipment such as a fuel supply pump.

本実施の形態では、扁平な直方体状の燃料源300の両主表面側にそれぞれ4個の燃料電池モジュール100が平面配列された配置になっている。平面配列された各燃料電池モジュール100の主表面が鉛直方向と平行となるように、制御部400の上方に配置されている。なお、燃料源300は、上方に引き出すことが可能であり、交換時や燃料補給時などに適宜取り外すことができる構成となっている。   In the present embodiment, four fuel cell modules 100 are arranged in a plane on both main surface sides of a flat rectangular parallelepiped fuel source 300. It arrange | positions above the control part 400 so that the main surface of each fuel cell module 100 arranged planarly may become parallel to a perpendicular direction. The fuel source 300 can be pulled out upward, and can be removed as needed during replacement or refueling.

図2(A)は、燃料電池モジュール100の外観を示す拡大斜視図である。図2(B)は、図2(A)のA−A線に沿った燃料電池モジュール100の断面図である。燃料電池モジュール100は、複数の膜電極接合体110を有する。複数の膜電極接合体110は、基材120に形成された開口内に配設され、平面配列されている。基材120は、たとえば、ポリアクリレートなどの絶縁性の材料により形成される。   FIG. 2A is an enlarged perspective view showing the appearance of the fuel cell module 100. FIG. 2B is a cross-sectional view of the fuel cell module 100 along the line AA in FIG. The fuel cell module 100 has a plurality of membrane electrode assemblies 110. The plurality of membrane electrode assemblies 110 are arranged in openings formed in the base material 120 and are arranged in a plane. The base material 120 is formed of an insulating material such as polyacrylate, for example.

膜電極接合体110は、電解質膜130、電解質膜130の一方の面に設けられているカソード140、および電解質膜130の他方の面に設けられているアノード150を有する。電解質膜130は、基材120に設けられた開口部を充填するように設けられている。カソード140には、酸化剤として空気が供給される。一方、アノード150には、分配マニホールド500を介して燃料源300から燃料ガスとして水素ガスが供給される。一対のカソード140とアノード150との間に電解質膜130が狭持されることによりセルが構成され、各セルは水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。   The membrane electrode assembly 110 includes an electrolyte membrane 130, a cathode 140 provided on one surface of the electrolyte membrane 130, and an anode 150 provided on the other surface of the electrolyte membrane 130. The electrolyte membrane 130 is provided so as to fill the opening provided in the base material 120. Air is supplied to the cathode 140 as an oxidant. On the other hand, hydrogen gas is supplied as fuel gas from the fuel source 300 to the anode 150 via the distribution manifold 500. A cell is configured by sandwiching the electrolyte membrane 130 between the pair of cathodes 140 and the anode 150, and each cell generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air.

インターコネクタ160は、隣接する膜電極接合体110の間において、基材120を貫通して設けられている。隣接する膜電極接合体110において、一方の膜電極接合体110のカソード140がインターコネクタ160の一端に接続され、他方の膜電極接合体110のアノード150がインターコネクタ160の他端に接続されている。インターコネクタ160はカーボンなどの導電性の材料で形成されている。以上の構成により、隣接する膜電極接合体110同士はインターコネクタ160により直列接続されている。   The interconnector 160 is provided through the base material 120 between the adjacent membrane electrode assemblies 110. In the adjacent membrane electrode assembly 110, the cathode 140 of one membrane electrode assembly 110 is connected to one end of the interconnector 160, and the anode 150 of the other membrane electrode assembly 110 is connected to the other end of the interconnector 160. Yes. The interconnector 160 is made of a conductive material such as carbon. With the above configuration, the adjacent membrane electrode assemblies 110 are connected in series by the interconnector 160.

電解質膜130は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、カソード140とアノード150との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜130は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。   The electrolyte membrane 130 preferably exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the cathode 140 and the anode 150. The electrolyte membrane 130 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer, and for example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group. Etc. can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone.

カソード140およびアノード150は、イオン交換樹脂ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。カソード140およびアノード150が任意に有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜130を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。このイオン交換樹脂は、電解質膜130と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒金属としては、Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt、Os、Ir、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。   Cathode 140 and anode 150 have ion exchange resin and catalyst particles, optionally carbon particles. The ion exchange resin that the cathode 140 and the anode 150 optionally have has a role of connecting the catalyst particles and the electrolyte membrane 130 and transmitting protons therebetween. This ion exchange resin may be formed of the same polymer material as the electrolyte membrane 130. Examples of catalyst metals include Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, alloys selected from lanthanoid series elements and actinoid series elements, A simple substance is mentioned. When the catalyst is supported, acetylene black, ketjen black, carbon nanotubes or the like may be used as the carbon particles.

燃料電池モジュール100は、カソード140側が燃料電池システム10の外部側(燃料源300とは反対側)を向くように配置されている。また、燃料電池モジュール100は、膜電極接合体110のカソード140側にカソード保護層142を有する。カソード保護層142は、燃料電池モジュール100のカソード側の最外に位置する部材である。カソード保護層142は、平板状の部材で形成されており、カソード保護層142には一方の主表面から他方の主表面に貫通する多数の貫通孔144が形成されている。これらの貫通孔144によりカソード140と燃料電池外部との間の通気性が得られている。カソード保護層142の材料は特に限定されないが、たとえば、アルマイト処理したアルミニウムやポリアクリレートなどの絶縁体が挙げられる。カソード保護層142は、たとえば、グリルおよび多孔性シートのように、多層に形成されてもよい。カソード保護層142とカソード140との間に気液分離膜146が設けられている。気液分離膜146は、燃料電池外部から取り入れられた空気や、カソード140で生じた蒸気を通過させ、かつ、カソード保護層142に付着した凝縮水を遮断する機能を有する。気液分離膜146としては、たとえばテフロン(登録商標)が挙げられる。   The fuel cell module 100 is disposed such that the cathode 140 side faces the outside of the fuel cell system 10 (the side opposite to the fuel source 300). In addition, the fuel cell module 100 includes a cathode protective layer 142 on the cathode 140 side of the membrane electrode assembly 110. The cathode protective layer 142 is a member located on the outermost side of the fuel cell module 100 on the cathode side. The cathode protective layer 142 is formed of a flat member, and the cathode protective layer 142 has a plurality of through holes 144 penetrating from one main surface to the other main surface. These through holes 144 provide air permeability between the cathode 140 and the outside of the fuel cell. The material of the cathode protective layer 142 is not particularly limited, and examples thereof include insulators such as anodized aluminum and polyacrylate. The cathode protective layer 142 may be formed in multiple layers such as a grill and a porous sheet. A gas-liquid separation membrane 146 is provided between the cathode protective layer 142 and the cathode 140. The gas-liquid separation membrane 146 has a function of allowing air taken in from the outside of the fuel cell and vapor generated at the cathode 140 to pass therethrough and blocking condensed water adhering to the cathode protective layer 142. Examples of the gas-liquid separation membrane 146 include Teflon (registered trademark).

基材120の周囲はガスシール122を介してアノードハウジング156に固定されている。ガスシール122におより、アノードハウジング156と膜電極接合体110との間に形成されたアノード室152とカソード側の外部との気密性が高められる。   The periphery of the substrate 120 is fixed to the anode housing 156 via a gas seal 122. The gas seal 122 improves the airtightness between the anode chamber 152 formed between the anode housing 156 and the membrane electrode assembly 110 and the outside on the cathode side.

膜電極接合体110と反対側のアノードハウジング156の面に燃料分配流路172を有する燃料流路板170が設けられている。燃料分配流路172の流路入口174は、分配マニホールド500を通じて燃料源300と接続されている。また、燃料分配流路172と対向するアノードハウジング156の領域内に、燃料分配流路172とアノード室152とを連通する貫通孔158が形成されており、燃料分配流路162に供給された水素ガスがアノード室152に流入する構成になっている。また、流路入口174の近傍において、アノードハウジング156に燃料出口159が形成されており、アノード室152は燃料出口159を経由して後述する気液分離部200と連通している。   A fuel flow path plate 170 having a fuel distribution flow path 172 is provided on the surface of the anode housing 156 opposite to the membrane electrode assembly 110. The flow path inlet 174 of the fuel distribution flow path 172 is connected to the fuel source 300 through the distribution manifold 500. A through hole 158 that connects the fuel distribution channel 172 and the anode chamber 152 is formed in the region of the anode housing 156 facing the fuel distribution channel 172, and the hydrogen supplied to the fuel distribution channel 162 The gas flows into the anode chamber 152. Further, a fuel outlet 159 is formed in the anode housing 156 in the vicinity of the flow path inlet 174, and the anode chamber 152 communicates with a gas-liquid separator 200 described later via the fuel outlet 159.

図1に戻り、気液分離部200は、ガス室210および気液分離膜220を有し、ガス室210に供給されたオフガス中に含まれる水分が気液分離膜220に吸収され、気相から分離される。気液分離膜220としては、吸水性を有する材料であれば特に限定されないが、たとえばナフィオン(登録商標)やスポンジを用いることができる。   Returning to FIG. 1, the gas-liquid separation unit 200 includes a gas chamber 210 and a gas-liquid separation membrane 220, and moisture contained in the off-gas supplied to the gas chamber 210 is absorbed by the gas-liquid separation membrane 220, Separated from. The gas-liquid separation membrane 220 is not particularly limited as long as it is a water-absorbing material. For example, Nafion (registered trademark) or sponge can be used.

気液分離部200のガス室210は各燃料電池モジュール100のアノード室152と接続されている。各燃料電池モジュール100のアノード室152から排出されたオフガス中に含まれる水分は気液分離膜220に吸収されて、オフガスから分離される。   The gas chamber 210 of the gas-liquid separator 200 is connected to the anode chamber 152 of each fuel cell module 100. Moisture contained in the off gas discharged from the anode chamber 152 of each fuel cell module 100 is absorbed by the gas-liquid separation membrane 220 and separated from the off gas.

本実施の形態では、気液分離部200は長手方向が水平方向を向くように延在し、気液分離部200を挟んで、それぞれ2つの燃料電池モジュール100が配置されている。また、気液分離部200と重なるように分配マニホールド500が配置されている。これにより、燃料電池モジュール100が平面配列された平面における燃料電池システム10の投影面積を小さくすることができ、燃料電池システム10のコンパクト化を図ることができる。また、各燃料電池モジュール100から気液分離部200までの流路を短くすることができるため、燃料電池モジュール100のアノード室152の出口部分での圧損を抑制することができる。   In the present embodiment, the gas-liquid separation unit 200 extends so that the longitudinal direction thereof is in the horizontal direction, and two fuel cell modules 100 are arranged with the gas-liquid separation unit 200 interposed therebetween. A distribution manifold 500 is arranged so as to overlap the gas-liquid separation unit 200. Thereby, the projected area of the fuel cell system 10 in the plane in which the fuel cell modules 100 are arranged in a plane can be reduced, and the fuel cell system 10 can be made compact. Further, since the flow path from each fuel cell module 100 to the gas-liquid separator 200 can be shortened, pressure loss at the outlet portion of the anode chamber 152 of the fuel cell module 100 can be suppressed.

燃料源300には水素吸蔵合金が収容されている。水素吸蔵合金は、水素の吸蔵と、吸蔵した水素の放出とが可能であり、たとえば、希土類系のMmNi4.32Mn0.18Al0.1Fe0.1Co0.3(Mmはミッシュメタル)である。なお、水素吸蔵合金は、希土類系の合金に限られず、たとえばTi−Mn系合金、Ti−Fe系合金、Ti−Zr系合金、Mg−Ni系合金、Zr−Mn系合金等であってもよい。具体的には、水素吸蔵合金としてLaNi合金、Mg2Ni合金、Ti1+xCr2−yMn(x=0.1〜0.3、y=0〜1.0)合金などを挙げることができる。水素吸蔵合金は、上述した水素吸蔵合金の粉末にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)デイスパージョンなどの結着剤を混合し、プレス機で圧縮成形した圧縮成形体(ペレット)とすることができる。燃料源300と分配マニホールド500との間にレギュレータ(図示せず)が設けられており、レギュレータの開度調節により、アノード室152内のガス圧が一定に保たれる。燃料源300は実施例で示したMHカートリッジに限定されるものではなく、メタノールなどの液体燃料やブタンなどのガス燃料を改質して水素を生成する場合や、水素発生物質と発生を促進する物質を組み合わせて発生させる場合、高圧ボンベに貯蔵しておく場合など所定圧力で燃料ガスを供給できるものであれば適用可能である。 The fuel source 300 contains a hydrogen storage alloy. The hydrogen storage alloy can store hydrogen and release the stored hydrogen, for example, rare earth-based MmNi 4.32 Mn 0.18 Al 0.1 Fe 0.1 Co 0.3 (Mm is Misch metal). The hydrogen storage alloy is not limited to a rare earth alloy, and may be, for example, a Ti—Mn alloy, a Ti—Fe alloy, a Ti—Zr alloy, a Mg—Ni alloy, a Zr—Mn alloy, or the like. Good. Specifically, mention may be made of LaNi 5 alloy, Mg 2 Ni alloy, Ti 1 + x Cr 2- y Mn y (x = 0.1~0.3, y = 0~1.0) and an alloy as a hydrogen absorbing alloy . The hydrogen storage alloy can be formed into a compression molded body (pellet) obtained by mixing a binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion into the above-mentioned hydrogen storage alloy powder and compression molding with a press. A regulator (not shown) is provided between the fuel source 300 and the distribution manifold 500, and the gas pressure in the anode chamber 152 is kept constant by adjusting the opening of the regulator. The fuel source 300 is not limited to the MH cartridge shown in the embodiment, but reforms a liquid fuel such as methanol or a gas fuel such as butane to generate hydrogen, or promotes generation and generation of a hydrogen generating material. In the case of generating a combination of substances, it can be applied as long as the fuel gas can be supplied at a predetermined pressure, such as when stored in a high-pressure cylinder.

図3は、燃料電池システム10の電気配線およびガス配管を模式的に示す図である。図3に示すように、燃料源300から供給される水素ガスが分配マニホールド500によって各燃料電池モジュール100に均等に分配される。具体的には、分配マニホールド500は、燃料源300に直に接続する第1流路510、第1流路510から2系統に分岐した配管径が同一の第2流路520、各第2流路520からそれぞれ2系統に分岐した配管系が同一の第3流路530を有する。   FIG. 3 is a diagram schematically showing the electrical wiring and gas piping of the fuel cell system 10. As shown in FIG. 3, the hydrogen gas supplied from the fuel source 300 is evenly distributed to the fuel cell modules 100 by the distribution manifold 500. Specifically, the distribution manifold 500 includes a first flow path 510 directly connected to the fuel source 300, a second flow path 520 having the same pipe diameter branched from the first flow path 510 into two systems, and each second flow. The piping system branched into two lines from the path 520 has the same third flow path 530.

各燃料電池モジュール100のアノード室は、共通の気液分離部200に接続されている。なお、気液分離部200のガス室210は気密状態に保たれており、系外にガスが漏れないようになっている。   The anode chamber of each fuel cell module 100 is connected to a common gas-liquid separator 200. Note that the gas chamber 210 of the gas-liquid separation unit 200 is kept in an airtight state so that gas does not leak out of the system.

各燃料電池モジュール100は負荷に対して電気的に並列に接続されている。具体的には、各燃料電池モジュール100のアノード150は、スイッチまたは出力調整部20を介して負荷600の正極端子610に接続する正極側共通線620に接続されている。また、各燃料電池モジュール100のカソード140は、負荷600の負極端子630に接続する負極側共通線640に接続されている。このように、スイッチまたは出力調整部20をオフまたは調整することにより、燃料電池モジュール100の出力を個別に負荷600から遮断もしくは軽減することができる構成となっている。   Each fuel cell module 100 is electrically connected in parallel to the load. Specifically, the anode 150 of each fuel cell module 100 is connected to a positive-side common line 620 that is connected to the positive terminal 610 of the load 600 via a switch or output adjusting unit 20. Further, the cathode 140 of each fuel cell module 100 is connected to a negative common line 640 that is connected to the negative terminal 630 of the load 600. In this manner, the output of the fuel cell module 100 can be individually cut off or reduced from the load 600 by turning off or adjusting the switch or the output adjustment unit 20.

図4は、燃料電池モジュール100のアノード室152から水分を排出するメカニズムを模式的に示す図である。なお、図4では、説明を簡略化するために、燃料電池モジュール100の数が2の場合で、燃料電池モジュール100の出力を負荷から遮断するスイッチを使用する場合が例示されている。   FIG. 4 is a diagram schematically showing a mechanism for discharging moisture from the anode chamber 152 of the fuel cell module 100. In FIG. 4, for the sake of simplification of explanation, a case where the number of fuel cell modules 100 is two and a switch that cuts off the output of the fuel cell module 100 from a load is illustrated.

まず、図4(i)に示すように、燃料源300から燃料電池モジュール100a、100bにそれぞれ圧力50kPaの水素ガスが供給される。このとき、燃料電池モジュール100a、100bのアノード室152の下流側の圧力P1o、P2oは圧力損失が生じることにより45kPaとなる。 First, as shown in FIG. 4I, hydrogen gas having a pressure of 50 kPa is supplied from the fuel source 300 to the fuel cell modules 100a and 100b. At this time, the pressures P 1o and P 2o on the downstream side of the anode chamber 152 of the fuel cell modules 100a and 100b become 45 kPa due to pressure loss.

次に、図4(ii)に示すように、燃料電池モジュール100bが負荷から遮断される。この状態では、燃料電池モジュール100bで水素ガスが消費されない。このため、圧力P1oが45kPaであるのに対して、圧力P2oが50kPaとなる。 Next, as shown in FIG. 4 (ii), the fuel cell module 100b is disconnected from the load. In this state, hydrogen gas is not consumed in the fuel cell module 100b. For this reason, the pressure P 1o is 45 kPa, while the pressure P 2o is 50 kPa.

次に、図4(iii)および図4(iv)に示すように、圧力P2oと気液分離部200のPx2とが同じ圧力になるように、燃料電池モジュール100bのアノード室152から気液分離部200に向かうガス移動が生じる。このガス移動に伴って、燃料電池モジュール100bのアノード室152に滞留していた生成水がアノード室152が排出され気液分離部200に移動すする。気液分離部200に移動した生成水は、ガス相から分離される。 Next, as shown in FIG. 4 (iii) and FIG. 4 (iv), the gas is discharged from the anode chamber 152 of the fuel cell module 100b so that the pressure P 2o and P x2 of the gas-liquid separator 200 become the same pressure. Gas movement toward the liquid separation unit 200 occurs. Along with this gas movement, the produced water staying in the anode chamber 152 of the fuel cell module 100b is discharged from the anode chamber 152 and moves to the gas-liquid separator 200. The generated water that has moved to the gas-liquid separator 200 is separated from the gas phase.

次に、図4(v)に示すように、燃料電池モジュール100bが負荷から遮断されてから所定の時間が経過した後、燃料電池モジュール100bを負荷に接続する。これにより、燃料電池モジュール100bで水素ガスが消費され、圧力P2oは45kPaとなる。 Next, as shown in FIG. 4 (v), after a predetermined time has elapsed since the fuel cell module 100b was disconnected from the load, the fuel cell module 100b is connected to the load. Thereby, hydrogen gas is consumed in the fuel cell module 100b, and the pressure P 2o becomes 45 kPa.

次に、図4(vi)に示すように、圧力Px1と圧力P1oとが等しくなるように、気液分離部200から燃料電池モジュール100aのアノード室152へのガスの流れが生じる。また、圧力Px2と圧力P2oとが等しくなるように、気液分離部200から燃料電池モジュール100bのアノード室152へのガスの流れが生じる。 Next, as shown in FIG. 4 (vi), a gas flow from the gas-liquid separator 200 to the anode chamber 152 of the fuel cell module 100a occurs so that the pressure Px1 and the pressure P1o are equal. Also, so that the pressure P x2 and pressure P 2o equal, the flow of gas from the gas-liquid separator 200 to the fuel cell module 100b of the anode chamber 152 occurs.

次に、図4(vii)に示すように、圧力Px1と圧力P1oとが等しくなり、圧力Px2と圧力P2oとが等しくなると、気液分離部200からのガスの流れが停止する。 Next, as shown in FIG. 4 (vii), when the pressure P x1 and the pressure P 1o become equal and the pressure P x2 and the pressure P 2o become equal, the gas flow from the gas-liquid separation unit 200 stops. .

以上をまとめると、定常運転しているある一つの燃料電池モジュールの負荷を遮断すると、その燃料電池モジュールにおける燃料の消費が止まり、該当する燃料電池モジュールのアノード室の内圧が上昇する。これにより、アノード室の下流に設けられた気液分離部200へのガス移動が起こり、このガス移動を利用してアノード室内の生成水が気液分離部に排出される。   In summary, when the load of one fuel cell module that is in steady operation is cut off, the consumption of fuel in that fuel cell module stops, and the internal pressure of the anode chamber of the corresponding fuel cell module increases. As a result, gas movement to the gas-liquid separation unit 200 provided downstream of the anode chamber occurs, and generated water in the anode chamber is discharged to the gas-liquid separation unit using this gas movement.

すなわち、燃料電池モジュール100のアノード室152に滞留した生成水を、動力を用いることなく、アノード室152の外に排出することができる。また、気液分離部200のガス室210とアノード室152とは気密状態に保たれているため、外部に水素を放出することなく、燃料電池モジュール100のアノード室152に滞留した生成水をアノード室外に排出することができる。   That is, the generated water staying in the anode chamber 152 of the fuel cell module 100 can be discharged out of the anode chamber 152 without using power. In addition, since the gas chamber 210 and the anode chamber 152 of the gas-liquid separation unit 200 are kept in an airtight state, the generated water staying in the anode chamber 152 of the fuel cell module 100 is discharged to the anode without releasing hydrogen to the outside. It can be discharged outside.

特定の燃料電池モジュールの出力を負荷から遮断もしくは軽減して運転する態様としては、少なくとも以下の2つの態様が挙げられる。   Examples of the operation mode with the output of the specific fuel cell module cut off or reduced from the load include at least the following two modes.

(アノード室に滞留した水分量に応じて発電を休止する燃料電池モジュールを決定する態様)
この態様では、各燃料電池モジュール100のアノード室内の水分量に関する情報を取得する水分量取得部(図示せず)をさらに備える。水分量取得部は、アノード室152内の水分量を直接的に検出する方法の他、各燃料電池モジュール100の出力電圧、電流、温度、内圧などを検出することにより、アノード室152内の水分量を間接的に得る方法を採用しうる。本態様では、制御部400は、上述した水分量が所定の値以上であると判断された燃料電池モジュール100について、図4に示した要領にて、負荷への出力を遮断もしくは軽減した後、再接続もしくは復帰する。水分量を間接的に得る方法では、各燃料電池モジュール100の出力電流や出力電圧の低下やバラツキの増加、温度や内圧の増加やバラツキの増加により水分量の増加が予測できる。より具体的には、各燃料電池モジュール100の出力電流を検出し、特定の燃料電池モジュール100の出力電流が所定の閾値電圧未満になった場合に、当該燃料電池モジュール100の出力を負荷から遮断もしくは軽減する。これによれば、水分排出が必要となった燃料電池モジュール100に対して、水分排出処理を適宜行うことができる。
(Mode for determining a fuel cell module that stops power generation according to the amount of water remaining in the anode chamber)
In this aspect, the fuel cell module 100 further includes a moisture content acquisition unit (not shown) that acquires information related to the moisture content in the anode chamber. In addition to a method for directly detecting the amount of moisture in the anode chamber 152, the moisture amount acquisition unit detects the output voltage, current, temperature, internal pressure, and the like of each fuel cell module 100 to thereby determine the moisture in the anode chamber 152. A method of obtaining the amount indirectly may be employed. In this aspect, the control unit 400 cuts off or reduces the output to the load in the manner shown in FIG. 4 for the fuel cell module 100 for which the above-described water content is determined to be equal to or greater than a predetermined value. Reconnect or return. In the method of indirectly obtaining the moisture content, an increase in the moisture content can be predicted by a decrease in output current and output voltage and an increase in variation of each fuel cell module 100, an increase in temperature and internal pressure, and an increase in variation. More specifically, the output current of each fuel cell module 100 is detected, and when the output current of a specific fuel cell module 100 falls below a predetermined threshold voltage, the output of the fuel cell module 100 is cut off from the load. Or reduce. According to this, it is possible to appropriately perform the water discharge process on the fuel cell module 100 that needs to discharge water.

または、各燃料電池モジュール100内で直列接続された膜電極接合体110の出力電圧を検出し、特定の燃料電池モジュール100内の膜電極接合体110の出力電圧が所定の閾値電圧以上になった場合や、膜電極接合体110の出力電圧のバラツキが所定の閾値以上となった場合、当該燃料電池モジュール100の出力を負荷から遮断もしくは軽減する。これによれば、水分排出が必要となった燃料電池モジュール100に対して、水分排出処理を適宜行うことができる。   Alternatively, the output voltage of the membrane electrode assembly 110 connected in series in each fuel cell module 100 is detected, and the output voltage of the membrane electrode assembly 110 in the specific fuel cell module 100 becomes equal to or higher than a predetermined threshold voltage. If the output voltage variation of the membrane electrode assembly 110 exceeds a predetermined threshold value, the output of the fuel cell module 100 is cut off or reduced from the load. According to this, it is possible to appropriately perform the water discharge process on the fuel cell module 100 that needs to discharge water.

(予め定められた一定時間毎に発電を休止する燃料電池モジュールを切り替える態様)
本態様では、制御部400は、複数の燃料電池モジュール100の中から予め定められた順に従って、制御対象となる燃料電池モジュール100を選択し、図4に示した要領にて、選択された燃料電池モジュール100の出力を負荷から遮断もしくは軽減した後、再接続もしくは復帰する。これによれば、より簡便な構成にてアノード室152から水分を排出することができる。
(Mode for switching fuel cell modules that stop power generation at predetermined time intervals)
In the present embodiment, the control unit 400 selects the fuel cell module 100 to be controlled from a plurality of fuel cell modules 100 in a predetermined order, and the selected fuel in the manner shown in FIG. After the output of the battery module 100 is cut off or reduced from the load, it is reconnected or restored. According to this, moisture can be discharged from the anode chamber 152 with a simpler configuration.

なお、本実施の形態では、1つの燃料電池モジュールが負荷から遮断されるが、アノード室から気液分離部200へのガス移動が生じる条件を満たせば、同時に2以上の燃料電池モジュールを負荷から遮断してもよい。ただし、生成水を排出するために十分なガス移動を生じさせるために、燃料電池モジュールの数をnとした場合に、同時に負荷から遮断される燃料電池モジュールの数mはm≦n/2を満たすことが好ましい。   In this embodiment, one fuel cell module is cut off from the load. However, two or more fuel cell modules can be removed from the load at the same time as long as the conditions for causing gas transfer from the anode chamber to the gas-liquid separator 200 are satisfied. You may block it. However, in order to cause sufficient gas movement to discharge generated water, when the number of fuel cell modules is n, the number m of fuel cell modules simultaneously cut off from the load satisfies m ≦ n / 2. It is preferable to satisfy.

また、発電している燃料電池モジュールの数に対して、負荷から遮断されることにより発電を休止する燃料電池モジュールの数を少なくすることで、気液分離部200を含む低圧領域とアノード室を含む高圧領域との間の体積差をより大きくすることができる。このため、発電を休止する燃料電池モジュール100から気液分離部200へのガス移動量を大きくし、アノード室152からより確実に水分を排出することができる。   Further, by reducing the number of fuel cell modules that stop power generation by being cut off from the load with respect to the number of fuel cell modules that are generating power, the low-pressure region including the gas-liquid separation unit 200 and the anode chamber can be reduced. The volume difference from the high-pressure region that is included can be further increased. For this reason, the amount of gas transfer from the fuel cell module 100 that stops power generation to the gas-liquid separator 200 can be increased, and moisture can be discharged more reliably from the anode chamber 152.

以上説明した燃料電池システム10によれば、発電時にカソード140からアノード室152に逆拡散した水分を動力を用いることなく簡便な構成で確実に排出することができる。この結果、燃料電池システム10を長時間運転した場合であっても、アノード室152に滞留した生成水によって燃料ガスの拡散を妨げられることが抑制されるので、発電を安定化させることができる。   According to the fuel cell system 10 described above, it is possible to reliably discharge the moisture diffused back from the cathode 140 to the anode chamber 152 during power generation without using power. As a result, even when the fuel cell system 10 is operated for a long period of time, it is possible to suppress the diffusion of the fuel gas by the generated water staying in the anode chamber 152, so that power generation can be stabilized.

なお、本実施の形態では、図1に示すように、気液分離部200および分配マニホールド500の長手方向が水平方向を向くように配置されているが、気液分離部200および分配マニホールド500の長手方向が垂直方向を向くように配置してもよい。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the gas-liquid separation unit 200 and the distribution manifold 500 are arranged so that the longitudinal directions thereof are oriented in the horizontal direction. You may arrange | position so that a longitudinal direction may face a perpendicular direction.

(実施の形態2)
図5は、実施の形態2に係る燃料電池システム10の外観を示す斜視図である。本実施の形態では、気液分離部200の長手方向が垂直方向を向くように配置されている。また、分配マニホールド500は、燃料電池システム10の両側部にそれぞれ形成されており、一方の分配マニホールド500aと気液分離部200との間に2つの燃料電池モジュール100が配置され、他方の分配マニホールド500bと気液分離部200との間に他の2つの燃料電池モジュール100が配置されている。気液分離部200および分配マニホールド500をこのような配置にすることにより、燃料電池システム10の薄型化を図ることができる。また、実施の形態1と同様に、各燃料電池モジュール100から気液分離部200までの流路を短くすることができるため、燃料電池モジュール100のアノード室152の出口部分での圧損を抑制することができる。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a perspective view showing an appearance of the fuel cell system 10 according to Embodiment 2. FIG. In this Embodiment, it arrange | positions so that the longitudinal direction of the gas-liquid separation part 200 may face a perpendicular direction. The distribution manifold 500 is formed on both sides of the fuel cell system 10, and two fuel cell modules 100 are disposed between one distribution manifold 500 a and the gas-liquid separation unit 200, and the other distribution manifold. Two other fuel cell modules 100 are arranged between 500 b and the gas-liquid separator 200. By arranging the gas-liquid separation unit 200 and the distribution manifold 500 in this way, the fuel cell system 10 can be thinned. Further, as in the first embodiment, since the flow path from each fuel cell module 100 to the gas-liquid separation unit 200 can be shortened, pressure loss at the outlet portion of the anode chamber 152 of the fuel cell module 100 is suppressed. be able to.

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.

10 燃料電池システム、100 燃料電池モジュール、110 膜電極接合体、120 基材、130 電解質膜、140 カソード、150 アノード、152 アノード室、200 気液分離部、300 燃料源、400 制御部、500 分配マニホールド DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system, 100 Fuel cell module, 110 Membrane electrode assembly, 120 Base material, 130 Electrolyte membrane, 140 Cathode, 150 Anode, 152 Anode chamber, 200 Gas-liquid separation part, 300 Fuel source, 400 Control part, 500 Distribution Manifold

Claims (3)

負荷と電気的に並列接続される複数の燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールに供給される燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記燃料貯蔵部から前記複数の燃料電池モジュールの各アノード室に前記燃料を分配する燃料ガス流路と、
前記各アノード室に接続された気液分離部と、
前記負荷と各燃料電池モジュールとの間の電気的な接続をそれぞれ遮断可能な複数の遮断部もしくは出力をそれぞれ軽減可能な複数の出力調整部と、
前記遮断部もしくは前記出力調整部を用いて、少なくとも1つ以上の前記燃料電池モジュールから前記負荷への出力を遮断もしくは軽減した後、再接続もしくは復帰する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A plurality of fuel cell modules electrically connected in parallel with the load;
A fuel storage unit for storing fuel supplied to the fuel cell module;
A fuel gas flow path for distributing the fuel from the fuel storage section to the anode chambers of the plurality of fuel cell modules;
A gas-liquid separator connected to each anode chamber;
A plurality of shut-off parts capable of shutting off the electrical connection between the load and each fuel cell module, respectively, or a plurality of output adjusting parts capable of reducing the output, respectively;
A control unit for reconnecting or returning after shutting off or reducing output from at least one of the fuel cell modules to the load using the shutoff unit or the output adjustment unit;
A fuel cell system comprising:
前記制御部は、前記複数の燃料電池モジュールの中から予め定められた順に従って、制御対象となる燃料電池モジュールを選択し、選択された燃料電池モジュールと前記負荷との間の接続を遮断した後、再接続する請求項1に記載の燃料電池システム。   The control unit selects a fuel cell module to be controlled from the plurality of fuel cell modules according to a predetermined order and disconnects the connection between the selected fuel cell module and the load. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is reconnected. 各燃料電池モジュールのアノード室内の水分量に関する情報を取得する水分量取得部をさらに備え、
前記制御部は、前記水分量が所定の値以上であると判断された燃料電池モジュールについて、前記負荷との間の接続を遮断した後、再接続する請求項1に記載の燃料電池システム。
A water content acquisition unit that acquires information on the water content in the anode chamber of each fuel cell module;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit reconnects the fuel cell module for which the moisture content is determined to be greater than or equal to a predetermined value after disconnecting the connection with the load.
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