JP2007184111A

JP2007184111A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2007184111A
Application number: JP2005380613A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Tamura; 義宏田村; Chikayuki Takada; 慎之高田; Koji Kobayashi; 康二小林
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】起動時のエネルギー効率が向上した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】高温膜を用いた複数の燃料電池スタック１００‐１〜４に、暖機のためのヒータを付設し、起動時に１の燃料電池スタック１００‐１のみを補助電源の電力によって暖機し、稼動可能となった該燃料電池スタック１００‐１を稼動させ、その出力によって、他の燃料電池スタック１００‐２〜４をヒータで暖め、最終的に全ての燃料電池スタック１００‐１〜４の暖機を完了する。
【選択図】図１A fuel cell system with improved energy efficiency at startup is provided.
A heater for warming up is attached to a plurality of fuel cell stacks 100-1 to 4 using a high-temperature membrane, and only one fuel cell stack 100-1 is warmed up by power of an auxiliary power source at startup. Then, the fuel cell stack 100-1 that has become operable is operated, and the other fuel cell stacks 100-2 to 100-4 are warmed by heaters according to the output, and finally all the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 Complete the warm-up.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくはヒータを用いて暖機を行う燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that warms up using a heater.

燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生させるものであり、例えば、固体高分子電解質型燃料電池では、基本単位となる単位セルとセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックが構成される。そして、単位セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池では、水素及び空気（酸素）が供給されることにより、以下のような水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
（水素極側）Ｈ₂→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（酸素極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
そして、燃料電池には、上記発電された電力を取り出すための集電板が、積層方向における両端に設けられている。この集電板で取り出された電力は、インバータを介して走行モータ等の負荷に供給され、あるいは図示しない２次電池の充電等に用いられる。 A fuel cell generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. For example, in a solid polymer electrolyte fuel cell, a plurality of unit cells and separators that are basic units are alternately stacked. A fuel cell stack is configured. The unit cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. In the fuel cell, when hydrogen and air (oxygen) are supplied, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs, and electric energy is generated.
(Hydrogen electrode side) H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
(Oxygen electrode side) 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → H ₂ O
The fuel cell is provided with current collector plates for taking out the generated power at both ends in the stacking direction. The electric power taken out by the current collector plate is supplied to a load such as a traveling motor through an inverter, or used for charging a secondary battery (not shown).

ところで、上記電気化学反応（発電反応）を行うためには、電解質膜の性質に応じて、最適な温度環境が必要になるが、発電反応によって生成される水を蒸発させ、燃料室内での生成水の滞留を防止するために、摂氏１００度以上において反応効率が高い電解質膜が用いられることが検討されている。
特開２００５−４４６３７号 By the way, in order to carry out the electrochemical reaction (power generation reaction), an optimum temperature environment is required depending on the properties of the electrolyte membrane, but the water generated by the power generation reaction is evaporated and generated in the fuel chamber. In order to prevent stagnation of water, it has been studied to use an electrolyte membrane having a high reaction efficiency at 100 degrees Celsius or higher.
JP 2005-44637 A

一方、上記電解質膜を用いた燃料電池システムに低温域でガスを供給すると、電極構成成分が凝結した生成水に溶解し電極が劣化するといった問題あり、生成水が蒸発する温度以上で発電反応を効率良く行える高温電解質膜が用いられる。この場合、ガスを供給する前に、燃料電池を生成水が蒸発する１００度以上に暖める必要があるが、そのためのエネルギーが必要とされるため、エネルギー効率が悪化するといった問題があった。 On the other hand, when gas is supplied to the fuel cell system using the above electrolyte membrane at a low temperature, there is a problem that the electrode constituents dissolve in the condensed water and the electrode deteriorates. A high-temperature electrolyte membrane that can be efficiently used is used. In this case, before supplying the gas, it is necessary to warm the fuel cell to 100 degrees or more at which the generated water evaporates. However, since energy is required for this purpose, there is a problem that energy efficiency is deteriorated.

本発明は、起動時のエネルギー効率が向上した燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system with improved energy efficiency at startup.

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。 The present invention for solving the above problems has the following configuration.

（１）燃料ガスが流入される燃料室と、と酸化ガスが流入される酸化ガス室とを高温電解質膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した複数の燃料電池スタックと、
各燃料電池スタックの外側面をそれぞれ覆う断熱材と、
燃料電池スタック毎に設けられたヒータと、
前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記酸化ガス室に空気を供給する空気供給手段と、
各燃料電池スタックの温度を検出する温度センサと、
燃料電池で発電された電力を蓄える蓄電手段と、
前記ヒータのオン・オフと、前記燃料供給手段による燃料ガス供給の有無と、前記空気供給手段による空気供給の有無とを、前記燃料電池スタック毎に制御する制御手段とを備え、
起動時において、前記制御手段は、特定の燃料電池スタックのヒータと前記蓄電手段とを通電し、
前記温度センサの検出値に基づき、前記特定の燃料電池スタックの温度が発電可能温度に到達したか判断する判断手段と、
前記判断手段が発電可能温度に到達したと判断するまで、前記特定の燃料電池スタックへのみ空気と燃料ガスを供給する限定供給手段と、
前記特定の燃料電池スタックの発電した電力を他の燃料電池スタックのヒータへ供給する電力分配手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 (1) A fuel chamber into which fuel gas is introduced and an oxidant gas chamber into which oxidant gas is introduced are adjacent to each other via a high-temperature electrolyte membrane, and a plurality of fuel cells that generate power by reaction between the fuel gas and oxidant gas are stacked. A plurality of fuel cell stacks,
Thermal insulation covering the outer surface of each fuel cell stack;
A heater provided for each fuel cell stack;
Fuel supply means connected to the fuel chamber for supplying fuel gas;
Air supply means for supplying air to the oxidizing gas chamber;
A temperature sensor for detecting the temperature of each fuel cell stack;
Power storage means for storing the power generated by the fuel cell;
Control means for controlling on / off of the heater, the presence or absence of fuel gas supply by the fuel supply means, and the presence or absence of air supply by the air supply means for each fuel cell stack;
At startup, the control means energizes a heater of a specific fuel cell stack and the power storage means,
Determining means for determining whether the temperature of the specific fuel cell stack has reached a power generation possible temperature based on a detection value of the temperature sensor;
Limited supply means for supplying air and fuel gas only to the specific fuel cell stack until the determination means determines that the power generation possible temperature has been reached;
A fuel cell system comprising: power distribution means for supplying electric power generated by the specific fuel cell stack to a heater of another fuel cell stack.

（２）燃料電池スタックの温度に応じて、空気の供給量を調整する供給量調整手段を有する請求項１に記載の燃料電池システム。 (2) The fuel cell system according to claim 1, further comprising supply amount adjusting means for adjusting an air supply amount according to the temperature of the fuel cell stack.

請求項１記載の発明によれば、起動時においては、複数ある燃料電池スタックの中から特定の燃料電池スタックを選択し、これをヒータで暖機するため、ヒータが消費する電力を低減させることができる。さらに、この特定の燃料電池スタックの暖機が終了し、発電を開始させた後、この燃料電池スタックからの電力を他の燃料電池スタックの暖機に用いることにより、補助電源や外部電源からの電力の供給を要しないので、補助電源等の電力消費を抑制できる。 According to the first aspect of the present invention, at the time of startup, a specific fuel cell stack is selected from a plurality of fuel cell stacks, and this is warmed up by the heater, so that the power consumed by the heater is reduced. Can do. Furthermore, after the warm-up of this specific fuel cell stack is completed and power generation is started, the power from this fuel cell stack is used for warm-up of other fuel cell stacks, so that the auxiliary power source and external power source can be used. Since power supply is not required, power consumption of an auxiliary power source or the like can be suppressed.

請求項２に記載の発明によれば、燃料電池スタックの温度を高くする場合には、供給する空気の量を減少させ、温度を低くする場合には、供給する空気の量を増加させる。このように、供給する空気の量を調節することにより、発電稼動中の燃料電池スタックの温度を調節することができ、ヒータなどの暖機用の装置を不要とすることができる。 According to the second aspect of the present invention, when the temperature of the fuel cell stack is increased, the amount of supplied air is decreased, and when the temperature is decreased, the amount of supplied air is increased. Thus, by adjusting the amount of air to be supplied, the temperature of the fuel cell stack during power generation operation can be adjusted, and a warming-up device such as a heater can be dispensed with.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００と、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０と、空気供給系１２と、負荷系７とに大略構成される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 is roughly configured by a fuel cell stack 100, a fuel supply system 10 including a hydrogen storage tank 11, an air supply system 12, and a load system 7.

図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
燃料電池スタック１００は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、空気極である酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。 2 is a partial sectional side view of the fuel cell stack 10, and FIG. 3 is a partial sectional perspective view of the fuel cell stack.
The fuel cell stack 100 includes a unit cell 2 and a separator 3. The unit cell 2 has a configuration in which a solid polymer electrolyte membrane 23 is sandwiched between an oxygen electrode 21 that is an air electrode and a fuel electrode 22.

固体高分子電解質膜２３は、高温域でプロトン伝導度が十分に得られる高温膜が用いられる。すなわち、この高温膜は、雰囲気が高温・低湿度である場合において、プロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜である。具体的に高温膜として用いられる材料としては、含フッ素系膜、炭化水素系膜、またはそれらの合成膜などのカチオン交換膜であり、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性の構造を持つもので構成される。低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性とは、例えば、一般的な固体高分子電解質よりも水が十分に保水される材料か、又は水が無くてもプロトン伝導可能な物質が添加された材料であり、含フッ素系膜のパーフルオロ系膜ではスルホン酸基の濃度が高い（ＥＷ値が低い）ものであれば良く、炭化水素系膜のスルホン酸化ポリイミド膜では分子構造上に水を保持する物質であれば良い。
具体的なプロトン伝導度の一例を挙げると、温度が摂氏50〜140℃の範囲内で、湿度が0〜50％の雰囲気下において、一般的な固体高分子（摂氏50度以下、湿度50％以上の雰囲気下でプロトン伝導度が0.1S/cm以上）よりもプロトン伝導性が良好なものであり、例えば、摂氏120℃、湿度20％の雰囲気下において、プロトン伝導性が0.1S/cm以上であるものが好ましい。このような電解質を用いることで、電極や電解質の加湿が不要となり、加湿のための水供給装置を省略できる。
以上のような高温膜を用いることによって、発電反応によって発生する生成水が気化し、燃料ガスや酸化ガスとともに排出されるため、燃料電池スタック内に水が溜まることがなく、水排出のための構造を負荷する必要もなくなる。 As the solid polymer electrolyte membrane 23, a high temperature membrane that can sufficiently obtain proton conductivity in a high temperature region is used. That is, this high temperature membrane is a solid polymer electrolyte membrane having high proton conductivity when the atmosphere is high temperature and low humidity. Specifically, the material used as the high-temperature membrane is a cation exchange membrane such as a fluorine-containing membrane, a hydrocarbon-based membrane, or a synthetic membrane thereof, and has a structure with a characteristic of high proton conductivity at low humidity. Consists of. The characteristic of high proton conductivity at low humidity is, for example, a material in which water is sufficiently retained than a general solid polymer electrolyte, or a material to which a substance capable of proton conduction without water is added. In the case of a perfluorinated membrane of fluorine-containing membrane, it is sufficient if the concentration of sulfonic acid group is high (low EW value), and in the case of a sulfonated polyimide membrane of hydrocarbon-based membrane, water is retained on the molecular structure. Any substance can be used.
An example of a specific proton conductivity is a general solid polymer (less than 50 degrees Celsius, 50% humidity) in an atmosphere where the temperature is in the range of 50 to 140 degrees Celsius and the humidity is 0 to 50%. Proton conductivity is better than proton conductivity in the above atmosphere), for example, proton conductivity is 0.1 S / cm or more in an atmosphere of 120 degrees Celsius and 20% humidity. Are preferred. By using such an electrolyte, it is not necessary to humidify the electrode or the electrolyte, and a water supply device for humidification can be omitted.
By using the high-temperature membrane as described above, the generated water generated by the power generation reaction is vaporized and discharged together with the fuel gas and the oxidizing gas, so that water does not accumulate in the fuel cell stack, There is no need to load the structure.

セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。固体高分子電解質膜２３において、燃料として供給された水素と酸化剤として供給された酸素が反応し、電力が得られるとともに、生成水が発生する。この電解質膜２３は、生成水が蒸発する温度以上で発電反応を効率良く行える高温電解質膜であるため、その温度領域で発電反応を行うことで、生成水は水蒸気となり、燃料ガスや空気とともに、燃料電池スタック１００の外部に排出される。 The separator 3 is in contact with the oxygen electrode 21 and the fuel electrode 22, respectively, and is interposed between the current collector 31 and the unit cell 2 to extract current, and the peripheral end of the unit cell 2 And an interposition member 33 that is stacked on top of each other. In the solid polymer electrolyte membrane 23, hydrogen supplied as a fuel and oxygen supplied as an oxidant react to generate electric power and generate generated water. Since this electrolyte membrane 23 is a high-temperature electrolyte membrane that can efficiently perform a power generation reaction above the temperature at which the generated water evaporates, by performing a power generation reaction in that temperature region, the generated water becomes water vapor, along with fuel gas and air, It is discharged outside the fuel cell stack 100.

集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。 The current collecting member 31 is made of a material having conductivity and corrosion resistance. The current collecting member 31 is made of a material such as carbon or metal, for example. In the case of being made of metal, for example, a material such as stainless steel, nickel alloy, titanium alloy or the like that has been subjected to corrosion-resistant conductive treatment can be used. Here, the corrosion-resistant conductive treatment includes, for example, gold plating.

集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、燃料ガスとしての水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。 On the surface of the current collecting member 31 that is in contact with the fuel electrode 22, a plurality of convex portions 311 bulging continuously in a straight line are formed at equal intervals, and grooves 312 are formed between the convex portions 311. The That is, the convex part 311 and the groove | channel 312 are the shapes arrange | positioned alternately. The convex portion 311 is a contact portion 313 in which the flat portion of the peak that protrudes most is in contact with the fuel electrode 22, and the fuel electrode 22 can be energized through the contact portion 313. The groove 312 and the surface of the fuel electrode 22 form a fuel gas flow passage 315 through which hydrogen gas as fuel gas flows.

凸部３１１の両端（図中では上下端）には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部３０が構成される。 Grooves 314 and 314 are formed at both ends (upper and lower ends in the drawing) of the convex portion 311 in a direction orthogonal to the convex portion 311, and a fuel gas flow path 316 is formed by the groove 314 and the surface of the fuel electrode 22. Is done. The plurality of fuel gas flow paths 315 communicate with the fuel gas flow path 316 at both ends, and the plurality of fuel gas flow paths 315 and the pair of fuel gas flow paths 316 provide hydrogen to the fuel electrode 22. A fuel gas holding unit 30 for supplying gas is configured.

燃料ガス保持部３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料ガス保持部３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、相互に対向する位置（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料ガス保持部３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。 A fuel gas supply hole 318 and a fuel gas discharge hole 317 are formed in the fuel gas holding part 30, and hydrogen gas flows into the fuel gas holding part 30 from the fuel gas supply hole 318 and supplies hydrogen to the fuel electrode 22. However, it flows out from the fuel gas discharge hole 317. In this embodiment, the current collecting member 31 has a rectangular shape, and the fuel gas supply hole 318 and the fuel gas discharge hole 317 are respectively disposed at positions facing each other (in the diagonal direction). FIG. 2 shows a fuel gas supply hole 318. As described above, the fuel gas holding unit 30 is formed between each separator 3 and the unit cell 2.

各燃料ガス保持部３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１００内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１００内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部３０に分配する燃料ガスマニホールドが構成される。燃料ガス供給通路３１９ａは、燃料ガス供給流路２０１に接続され、燃料ガス排出通路３１９ｂはガス循環流路２０２に接続される。 The fuel gas supply hole 318 of each fuel gas holding unit 30 communicates with a fuel gas supply passage 319a formed in the stacking direction of the current collector 31 at one end in the fuel cell stack 100, The fuel gas discharge holes 317 communicate with the fuel gas discharge passages 319b formed in the stacking direction of the current collecting members 31 at the other end in the fuel cell stack 100, respectively. The fuel gas supply passage 319a and each fuel gas supply hole 318 constitute a fuel gas manifold that distributes the fuel gas to each fuel gas holding unit 30. The fuel gas supply passage 319 a is connected to the fuel gas supply passage 201, and the fuel gas discharge passage 319 b is connected to the gas circulation passage 202.

集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、酸化ガスとしての空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１００の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。 On the surface of the current collecting member 31 that comes into contact with the oxygen electrode 21, a plurality of convex portions 321 bulging continuously in a straight line are formed at equal intervals, and grooves 322 are formed between the convex portions 321. The That is, the convex part 321 and the groove | channel 322 are the shapes arrange | positioned alternately. The convex portion 321 is a contact portion 323 in which the flat portion of the peak that protrudes most is in contact with the oxygen electrode 21, and the oxygen electrode 21 can be energized through the contact portion 323. An air flow passage 325 through which air as an oxidizing gas flows is formed by the groove 322 and the surface of the oxygen electrode 21. The groove 322 reaches both ends of the current collecting member 31, and the upper and lower ends of the air flow passage 325 communicate with an opening that communicates with the outside of the fuel cell stack 100. One of the opening portions at both ends forms an air inflow portion 326 through which air flows, and the other opening forms an air outflow portion 327 through which air flows out. The air flowing in from the air inflow portion 326 is guided to the air outflow portion 327 while contacting the oxygen electrode 22 in the air flow passage 325 and supplying oxygen to the oxygen electrode.

以上のように、単位セル２と、セパレータ３は交互に積層され、積層方向の端部には、それぞれ電極板が重ねられ、電極板には側方に突出した電極が３５ａ、３５ｂが設けられる。このように構成された燃料電池スタック１００は、空気流入部３２６と空気流出部３２７が設けられた面を除く側面が、断熱材３６により覆われ、断熱材３６にヒータが埋め込まれている。 As described above, the unit cells 2 and the separators 3 are alternately stacked, and electrode plates are stacked on the end portions in the stacking direction, and electrodes 35a and 35b protruding laterally are provided on the electrode plates. . In the fuel cell stack 100 configured as described above, the side surfaces other than the surfaces provided with the air inflow portion 326 and the air outflow portion 327 are covered with the heat insulating material 36, and the heater is embedded in the heat insulating material 36.

上記説明した燃料電池スタック１００は、複数設けられ、図２及び図３に示されているように、単位セル２とセパレータ３の積層方向に連結される。本実施形態では、４つの燃料電池スタック１００‐１〜４が積層方向に沿って密着して配列されており、各燃料電池スタック１００‐１〜４の各燃料ガス供給通路３１９ａには、それぞれ別個に燃料ガスが供給され、各燃料ガス排出通路３１９ｂには、それぞれ別々に排出路が接続される。そして、各燃料電池スタック１００‐１〜４には、それぞれ独立して燃料ガスの供給を行うことが可能な構成となっている。さらに、各燃料電池スタック１００‐１〜４には、温度センサＳ５がそれぞれ設けられている。この温度センサＳ５によって、各燃料電池スタック１００-１〜４の温度を検出することができる。 A plurality of the fuel cell stacks 100 described above are provided and connected in the stacking direction of the unit cells 2 and the separators 3 as shown in FIGS. In the present embodiment, four fuel cell stacks 100-1 to 100-4 are arranged in close contact along the stacking direction, and each fuel gas supply passage 319a of each fuel cell stack 100-1 to 4 is separately provided. The fuel gas is supplied to the fuel gas discharge passages 319b, and a discharge passage is connected to each fuel gas discharge passage 319b. The fuel cell stacks 100-1 to 100-4 can be independently supplied with fuel gas. Furthermore, each fuel cell stack 100-1 to 4 is provided with a temperature sensor S5. The temperature of each fuel cell stack 100-1 to 4 can be detected by this temperature sensor S5.

次に、図１に示されている燃料電池システムの空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である排気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気入口温度センサＳ４、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。空気マニホールド５４には、各燃料電池スタック１００‐１〜４毎に、導かれた空気を分割して別々に供給する分配装置と、空気の流量を調整する流量調整装置が設けられている。空気マニホールド５４を通過した空気は、燃料電池スタック１００の各空気流入部３２６に分割して流入させる。 Next, the air supply system 12 of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described. The air supply system 12 includes an air introduction path 123, an air manifold 54, and an exhaust duct 124 that is an air discharge path. In the air introduction path 123, a filter 121, an air fan 122, an air inlet temperature sensor S4, and an air manifold 54 are provided in this order along the inflow direction. The air manifold 54 is provided with a distribution device that divides the supplied air and supplies it separately for each of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 and a flow rate adjustment device that adjusts the flow rate of the air. The air that has passed through the air manifold 54 is divided into the air inflow portions 326 of the fuel cell stack 100 and is allowed to flow.

上記空気供給系１２の具体的構成は、以下のとおりである。図５は空気供給系１２の構成を示す全体斜視図、図６は、同じく全体平面図である。既述の通り、空気供給系１２は、導風路としての空気導入路１２３を内側に画成する導風管１２６を有し、導風管１２６の空気導入側端部の取入口１２６ｓには、送風手段としての空気ファン１２２（エアブロア）の送風口１２２ｅが接続されている。空気ファン１２２の吸引口には、エアフィルタ１２１が設けられ、吸引時に、粉塵等のゴミが除去される。空気ファン１２２は、回転翼（インペラー）を回転させることにより、送風する遠心ブロアであり、回転翼を回転させるためのモータＭ１が、回転翼の回転軸に接続されている。導風管１２６の取入口１２６ｓは、送風口１２２ｅと同じ形状に構成されている。 The specific configuration of the air supply system 12 is as follows. FIG. 5 is an overall perspective view showing the configuration of the air supply system 12, and FIG. 6 is an overall plan view. As described above, the air supply system 12 has the air guide pipe 126 that defines the air introduction path 123 as the air guide path on the inside, and the intake 126s at the end of the air introduction side of the air guide pipe 126 has an inlet 126s. A blower port 122e of an air fan 122 (air blower) as a blower is connected. An air filter 121 is provided at the suction port of the air fan 122, and dust such as dust is removed during suction. The air fan 122 is a centrifugal blower that blows air by rotating a rotor blade (impeller), and a motor M1 for rotating the rotor blade is connected to a rotating shaft of the rotor blade. The intake 126s of the air guide tube 126 is configured in the same shape as the air outlet 122e.

導風管１２６の他端開口部１２６ｅは、空気マニホールド５４の空気流入口５４１と同形状の扁平な矩形状に形成され、分配装置６１に接続されている。空気マニホールド５４は、空気流入部３２６の集合体である開口９４０の全面を覆って設けられている。 The other end opening 126 e of the air guide pipe 126 is formed in a flat rectangular shape having the same shape as the air inlet 541 of the air manifold 54, and is connected to the distribution device 61. The air manifold 54 is provided so as to cover the entire surface of the opening 940 that is an aggregate of the air inflow portions 326.

図５および図６に示されているように、空気マニホールド５４内において、空気流入方向に平行に、換言すると空気流入部３２６の長辺に平行に配置された（単位セル２やセパレータ３の積層方向に直交する向きに配置された）分離板６１１が、燃料電池スタック１００‐１〜４の配置方向に３枚配置されている。分離板６１１は、燃料電池スタック１００‐１〜４の接触部分に対応する位置に設けられている。この３つの分離板６１１と空気マニホールド５４とによって、各燃料電池スタック１００‐１〜４へ、個別に空気流を導く分配流路６１０‐１〜４が形成される。分離板６１１と分配流路６１０‐１〜４によって分配装置６１が構成される。 As shown in FIGS. 5 and 6, the air manifold 54 is disposed in parallel with the air inflow direction, in other words, in parallel with the long side of the air inflow portion 326 (stacking of the unit cells 2 and the separators 3). Three separation plates 611 (arranged in a direction perpendicular to the direction) are arranged in the arrangement direction of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4. The separation plate 611 is provided at a position corresponding to the contact portion of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4. The three separation plates 611 and the air manifold 54 form distribution flow paths 610-1 to 610-4 that individually guide the air flow to the fuel cell stacks 100-1 to 100-4. A distribution device 61 is configured by the separation plate 611 and the distribution flow paths 610-1 to 610-4.

各分配流路６１０‐１〜４の空気流入口５４１側には、各分配流路６１０‐１〜４毎に流量調整装置６２がそれぞれ設けられている。図７は、流量調整装置６２の斜視図である。図７は、分配流路６１０‐１に設けられた単体の流量調整装置６２０−１を示すものである。空気流入口５４１内には、空気マニホールド５４と、空気導入路１２３とを仕切る仕切り板５４０が設けられ、この仕切り板５４０には、各分配流路６１０‐１〜４毎に、通風孔６２１が形成されている。その通風孔６２１内には、板状の調整部材６２２が２枚収納されている。２枚の調整部材６２２、６２２は、同大、同形状に形成され、この２枚を組み合わせることによって、通風孔６２１を閉鎖できるように形成されている。各調整部材６２２、６２２は、上下端辺の中心線上に支持軸６２３ａ、６２３ｂを有し、通風孔６２１内において回動自在に支持されている。そして、調整部材６２２、６２２の仕切り板５４０に対する角度θが、９０度である場合には全開状態、０度である場合が全閉状態となり、この角度θの大きさによって、各燃料電池スタック１００‐１〜４に供給される空気の量を、各々別個に調整することが可能となる。 On the air inlet 541 side of each distribution channel 610-1-4, a flow rate adjusting device 62 is provided for each distribution channel 610-1-4. FIG. 7 is a perspective view of the flow rate adjusting device 62. FIG. 7 shows a single flow rate adjusting device 620-1 provided in the distribution flow path 610-1. A partition plate 540 that partitions the air manifold 54 and the air introduction path 123 is provided in the air inlet 541, and the partition plate 540 has ventilation holes 621 for each of the distribution channels 610-1 to 610-4. Is formed. Two plate-like adjustment members 622 are accommodated in the ventilation hole 621. The two adjustment members 622 and 622 are formed in the same size and shape, and are formed so that the ventilation hole 621 can be closed by combining the two. Each adjustment member 622, 622 has support shafts 623 a, 623 b on the center line of the upper and lower ends, and is rotatably supported in the ventilation hole 621. When the angle θ of the adjusting members 622 and 622 with respect to the partition plate 540 is 90 degrees, the fully opened state is obtained, and when the angle θ is 0 degree, the fully closed state is obtained. The amount of air supplied to -1 to 4 can be individually adjusted.

一方の支持軸６２３ｂは、通風空間の外側に突出し、その突出端にはアーム６２４、６２４が一体回動可能に固定され、アーム６２４、６２４の先端には連結操作部材６２５が接続されている。この連結操作部材６２５の他方の端部には、この連結操作部材６２５を部材の軸方向へ往復移動させる駆動装置が設けられ、該駆動装置は、制御装置により駆動量が制御される。この駆動装置は、たとえばモータ、油圧または空圧シリンダなどが用いられる。以上のような流量調整は、各分配流路６１０‐１〜４毎に別個に実施することができる。 One support shaft 623b protrudes to the outside of the ventilation space, arms 624 and 624 are fixed to the protruding ends so as to be integrally rotatable, and a connecting operation member 625 is connected to the ends of the arms 624 and 624. A drive device that reciprocates the connection operation member 625 in the axial direction of the member is provided at the other end of the connection operation member 625, and the drive amount of the drive device is controlled by the control device. For example, a motor, a hydraulic or pneumatic cylinder, or the like is used as the driving device. The flow rate adjustment as described above can be performed separately for each of the distribution channels 610-1 to 610-4.

次に、燃料電池スタック１００‐１〜４の下流側には、排気ダクト１２４が接続される。排気ダクト１２４は、燃料電池スタック１００の空気流出部３２７に接続され、空気流出部３２７から流出した空気を合流させ、外部へ導流する。排気ダクト１２４には、吸熱用熱交換器１２６が接続され、熱が吸収された排気は、フィルタ１２５を介して外部に排出される。排出される空気の温度は、吸熱用熱交換器１２６の下流側に設けられた温度センサＳ６で検出される。 Next, the exhaust duct 124 is connected to the downstream side of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4. The exhaust duct 124 is connected to the air outflow portion 327 of the fuel cell stack 100, joins the air outflowed from the air outflow portion 327, and guides it to the outside. An exhaust heat exchanger 126 is connected to the exhaust duct 124, and the exhaust gas that has absorbed heat is discharged to the outside through the filter 125. The temperature of the discharged air is detected by a temperature sensor S6 provided on the downstream side of the endothermic heat exchanger 126.

燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１、を介して燃料電池スタック１００のガス取入口２０１ＩＮに接続されている。燃料ガス供給流路２０１には、水素貯蔵タンク１１側から順に、水素元開閉弁Ｖ０、一次センサＳ０、レギュレータＶ２、水素調圧弁Ｖ３、ガス供給弁Ｖ４、三次圧センサＳ１が設けられ、三次圧センサＳ１とガス取入口２０１ＩＮの間には、後述のガス循環流路２０２が合流するエゼクタ２５が設けられている。 The configuration of the fuel supply system 10 will be described. A hydrogen storage tank 11, which is a fuel gas cylinder, is connected to a gas intake 201 IN of the fuel cell stack 100 via a fuel gas supply channel 201. The fuel gas supply channel 201 is provided with a hydrogen source opening / closing valve V0, a primary sensor S0, a regulator V2, a hydrogen pressure regulating valve V3, a gas supply valve V4, and a tertiary pressure sensor S1 in this order from the hydrogen storage tank 11 side. An ejector 25 is provided between the sensor S1 and the gas inlet 201IN.

燃料ガス供給流路２０１のガス取入口２０１ＩＮ側は、４つのスタック用供給路２０１-１〜４に分岐し、スタック用供給路２０１-１〜４は、各燃料電池スタック１００‐１〜４のガス取入口２０１ＩＮ-１〜４に接続される。スタック用供給路２０１-１〜４には、スタック用供給弁Ｖ８-１〜４がそれぞれ設けられている。 The gas inlet 201IN side of the fuel gas supply passage 201 branches into four stack supply passages 201-1 to 20, and the stack supply passages 201-1 to 20-4 are connected to the fuel cell stacks 100-1 to 100-4. Connected to the gas inlets 201IN-1 to 201IN-4. Stack supply valves V8-1 to V4-4 are provided in the stack supply paths 201-1 to 201-4, respectively.

燃料電池スタック１００のガス排出口２０２ＯＵＴには、ガス循環流路２０２の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路２０１のエゼクタ２５に接続され、さらに、ガス循環流路２０２には、循環電磁弁Ｖ７が設けられている。ガス循環流路２０２と燃料ガス供給流路２０１で循環路が構成される。 One end of the gas circulation channel 202 is connected to the gas discharge port 202OUT of the fuel cell stack 100, the other end is connected to the ejector 25 of the fuel gas supply channel 201, and further, the gas circulation channel 202 includes A circulation electromagnetic valve V7 is provided. The gas circulation channel 202 and the fuel gas supply channel 201 constitute a circulation channel.

ガス循環流路２０２のガス排出口２０２ＯＵＴ側は、４つのスタック用排出路２０２-１〜４に分岐し、スタック用排出路２０２-１〜４は、各燃料電池スタック１００‐１〜４のガス排出口２０２ＯＵＴ-１〜４に接続される。スタック用排出路２０２-１〜４には、スタック用排出弁Ｖ５-１〜４がそれぞれ設けられている。 The gas outlet 202OUT side of the gas circulation passage 202 branches into four stack discharge passages 202-1 to 20, and the stack discharge passages 202-1 to 20-4 are gasses of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4. It is connected to the discharge ports 202OUT-1-4. Stack discharge valves V5-1 to V4-4 are provided in the stack discharge passages 202-1 to 202-4, respectively.

ガス循環流路２０２において、循環電磁弁Ｖ７とスタック用排出路２０２-１〜４の分岐との間には、ガス排出路２０３の一端がトラップ２７を介して接続されている。ガス排出路２０３の他端は、後述する排気ダクトに接続され、さらにガス排出路２０３は、ガス排出電磁弁Ｖ６を備えている。 In the gas circulation path 202, one end of the gas discharge path 203 is connected via a trap 27 between the circulation electromagnetic valve V <b> 7 and the branch discharge paths 202-1 to 202-4. The other end of the gas discharge path 203 is connected to an exhaust duct described later, and the gas discharge path 203 further includes a gas discharge electromagnetic valve V6.

燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３を介してモータ等の負荷に接続されている。また、インバータ７３には、出力制御装置７５を介して補助電源であるキャパシタ７６が接続されている。 A load system 7 is connected to the fuel cell stack 100, and electric power output from the fuel cell stack 100 is supplied to the load system 7. The electrode of the fuel cell stack 100 is connected to an inverter 73 via a wiring 71 and is connected to a load such as a motor via the inverter 73. Further, a capacitor 76 as an auxiliary power source is connected to the inverter 73 via an output control device 75.

なお、４つの燃料電池スタック１００‐１〜４には、図８に示されているように、それぞれリレーＲ１〜４がそれぞれ直列に接続され、各燃料電池スタック１００‐１〜４相互では並列に接続されている。そして、並列に接続された燃料電池スタック１００‐１〜４に対して、さらに補助電源７６と負荷が並列に接続されている。また、補助電源７６と並列接続された燃料電池スタック１００‐１〜４との間には、リレーＲ０が接続されている。リレーＲ１〜４のいずれかがオンで、リレーＲ０がオン状態である場合には、燃料電池スタック１００‐１〜４の出力は、負荷７７および補助電源７６に供給される。補助電源７６は、例えば蓄電池などの二次電池やキャパシタで構成される。 As shown in FIG. 8, the relays R1 to R4 are respectively connected in series to the four fuel cell stacks 100-1 to 100-4, and the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 are connected in parallel to each other. It is connected. An auxiliary power source 76 and a load are further connected in parallel to the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 connected in parallel. A relay R0 is connected between the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 connected in parallel with the auxiliary power source 76. When any of the relays R1 to R4 is on and the relay R0 is on, the outputs of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 are supplied to the load 77 and the auxiliary power source 76. The auxiliary power source 76 is configured by a secondary battery such as a storage battery or a capacitor, for example.

図９は、負荷７７の構成を示す回路図である。負荷７７は、電気自動車の駆動モータＭや、その他の空気ファン１２２のモータＭ１などの補機類、さらに、燃料電池スタック１００‐１〜４を暖めるヒータ３６-１〜４がそれぞれ並列に接続されている。また、各ヒータ３６−１〜４には、リレーＲＨ１〜４が直列に接続されている。さらに、モータＭにリレーＲＭ１が、モータＭ１にはリレーＲＦがそれぞれ直列に接続されている。 FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of the load 77. The load 77 is connected in parallel to auxiliary machines such as a drive motor M of the electric vehicle, a motor M1 of the other air fan 122, and heaters 36-1 to 4-4 for heating the fuel cell stacks 100-1 to 100-4. ing. In addition, relays RH1 to RH4 are connected in series to the heaters 36-1 to 36-4. Further, a relay RM1 is connected to the motor M, and a relay RF is connected to the motor M1 in series.

燃料電池システム１の制御装置には、各センサＳ０、Ｓ１、Ｓ４〜５の検出値が入力され、かつ、各電磁弁Ｖ２〜８、ファン１２２、暖機ヒータ３６‐１〜４、流量調整装置、インバータ７３、出力制御装置７５、リレーＲ０〜４、ＲＭ１、ＲＨ１〜４、ＲＦのオン／オフを制御する。この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、モータの駆動や停止の指示信号が入力される。 Detection values of the sensors S0, S1, and S4 to 5 are input to the control device of the fuel cell system 1, and the electromagnetic valves V2 to 8, the fan 122, the warm-up heaters 36-1 to 36, and the flow rate adjustment device. , Inverter 73, output control device 75, relays R 0 to 4, RM 1, RH 1 to 4, and RF on / off are controlled. An ignition switch (not shown) is connected to this control device, and an instruction signal for driving or stopping the motor is input.

以上のように構成された燃料電池システム１の作用について説明する。図１０は、イグニッションスイッチをオンにした場合の起動時の動作を示すフローチャート、図１１〜１３は定常運転時の動作を示すフローチャート、図１４は、イグニッションスイッチをオフにした場合の動作を示すフローチャートである。 The operation of the fuel cell system 1 configured as described above will be described. FIG. 10 is a flowchart showing the operation at the time of startup when the ignition switch is turned on, FIGS. 11 to 13 are flowcharts showing the operation during steady operation, and FIG. 14 is a flowchart showing the operation when the ignition switch is turned off. It is.

イグニッションスイッチをオンすると、燃料電池スタック１００‐１のヒータ３６−１をオンする（ステップＳ１０１）。これは、負荷７７のリレーＲＨ１をオンすることにより実行される。他のヒータ３６−２〜４のリレーＲＨ２〜４は、オフのままで維持される。このヒータに供給される電力は、補助電源７６から供給される。他の燃料電池スタック１００‐２〜４のヒータには、電力は供給されず、暖機は行われないため、補助電源７６の蓄電量の消耗が抑制される。 When the ignition switch is turned on, the heater 36-1 of the fuel cell stack 100-1 is turned on (step S101). This is executed by turning on the relay RH1 of the load 77. The relays RH2 to RH4 of the other heaters 36-2 to 4-4 are kept off. Electric power supplied to the heater is supplied from an auxiliary power source 76. Since the heaters of the other fuel cell stacks 100-2 to 4-4 are not supplied with electric power and are not warmed up, consumption of the storage amount of the auxiliary power source 76 is suppressed.

燃料電池スタック１００‐１の温度を、燃料電池スタック１００‐１に設けられた温度センサＳ５から検出し、その温度が摂氏１００度を超えたか判断する（ステップＳ１０３）。超えていない場合には、先の処理に進まず、この処理を繰り返し実行する。摂氏１００度を超えない場合には、発電反応を起こさせない。摂氏１００度以下で発電反応を起こさせた場合には、生成水が発生し、電解質膜や電解質膜と電極との間にある反応層に含まれるリンが溶出し、性能を損なうためである。 The temperature of the fuel cell stack 100-1 is detected from a temperature sensor S5 provided in the fuel cell stack 100-1, and it is determined whether the temperature exceeds 100 degrees Celsius (step S103). If not, the process is repeatedly executed without proceeding to the previous process. If it does not exceed 100 degrees Celsius, no power generation reaction is caused. This is because when a power generation reaction is caused at 100 degrees Celsius or less, generated water is generated and phosphorus contained in the electrolyte membrane or the reaction layer between the electrolyte membrane and the electrode is eluted, thereby impairing the performance.

摂氏１００度を超えた場合には、燃料電池スタック１００‐１のリレーＲ１とリレーＲ０をオンに切り替える（ステップＳ１０５）。これにより、燃料電池スタック１００‐１の出力が負荷７７や補助電源７６に供給できる状態となる。分配流路６１０‐１の流量調整装置６２０−１を開放し、他の流量調整装置６２０−２〜４は、閉じられている。このため、リレーＲＦをオンに切り換え、空気ファン１２２の駆動を開始し、空気の供給を開始すると（ステップＳ１０７）、空気の供給は、燃料電池スタック１００‐１のみとなる。さらに、スタック用供給弁Ｖ８-１とスタック用排出弁Ｖ５−１を開放し、燃料電池スタック１００‐１に水素ガスの供給を開始する（ステップＳ１０９）。
燃料電池スタック１００‐２〜４のヒータをオンし（ステップＳ１１１）、ヒータへの電力は、燃料電池スタック１００‐１の出力を供給する。これは、リレーＲＨ２〜４をオンすることにより実施される。 When the temperature exceeds 100 degrees Celsius, the relay R1 and the relay R0 of the fuel cell stack 100-1 are switched on (step S105). As a result, the output of the fuel cell stack 100-1 can be supplied to the load 77 and the auxiliary power source 76. The flow rate adjusting device 620-1 of the distribution flow path 610-1 is opened, and the other flow rate adjusting devices 620-2 to 620-4 are closed. For this reason, when the relay RF is switched on to start driving the air fan 122 and start supplying air (step S107), the air is supplied only to the fuel cell stack 100-1. Further, the stack supply valve V8-1 and the stack discharge valve V5-1 are opened, and supply of hydrogen gas to the fuel cell stack 100-1 is started (step S109).
The heaters of the fuel cell stacks 100-2 to 4-4 are turned on (step S111), and the power to the heater supplies the output of the fuel cell stack 100-1. This is implemented by turning on relays RH2-4.

燃料電池スタック１００‐２〜４の温度をそれぞれ温度センサＳ５で検出し、その温度が摂氏１００度を超えたか判断する（ステップＳ１１３）。超えていない場合には、先の処理に進まず、この処理を繰り返し実行する。超えた場合には、流量調整装置６２０−２〜４を開放し、燃料電池スタック１００‐２〜４に空気の供給を開始する（ステップＳ１１５）。 The temperature of the fuel cell stacks 100-2 to 4 is detected by the temperature sensor S5, and it is determined whether the temperature exceeds 100 degrees Celsius (step S113). If not, the process is repeatedly executed without proceeding to the previous process. If exceeded, the flow control devices 620-2 to 620-4 are opened, and the supply of air to the fuel cell stacks 100-2 to 4 is started (step S115).

さらに、スタック用供給弁Ｖ８-２〜４とスタック用排出弁Ｖ５-２〜４とを開放し、各燃料電池スタック１００‐２〜４に水素の供給を開始する（ステップＳ１１７）。これにより、全ての燃料電池スタック１００‐１〜４において、発電反応が可能な状態となる。ステップＳ１１３〜Ｓ１１７の動作は、各燃料電池スタック１００−２〜４毎に行われる。 Further, the stack supply valves V8-2 to V4-2 and the stack discharge valves V5-2 to 4 are opened, and supply of hydrogen to the fuel cell stacks 100-2 to 4 is started (step S117). Thereby, in all the fuel cell stacks 100-1 to 100-4, a power generation reaction is possible. The operations in steps S113 to S117 are performed for each fuel cell stack 100-2 to 4-4.

全ての燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏１００度を超えたか判断する（ステップＳ１１９）。超えていない場合には、先の処理に進まず、この処理を繰り返し実行する。超えている場合には、燃料電池スタック１００‐１〜４のヒータをオフに切り替え（ステップＳ１１１）、定常運転を開始する。 It is determined whether the temperatures of all the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 have exceeded 100 degrees Celsius (step S119). If not, the process is repeatedly executed without proceeding to the previous process. When it exceeds, the heaters of the fuel cell stacks 100-1 to 4 are switched off (step S111), and the steady operation is started.

定常運転時には、温度センサＳ５によって、各燃料電池スタック１００‐１〜４の温度を監視する（ステップＳ２０１）。そして、その温度が摂氏１００度をより低くなった場合（ステップＳ２０３）と、摂氏２００度を超えた場合（ステップＳ２０５）において、各燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏１００〜２００度の範囲となるように以下の動作を行う。 During steady operation, the temperature of each fuel cell stack 100-1 to 4 is monitored by the temperature sensor S5 (step S201). When the temperature becomes lower than 100 degrees Celsius (step S203) and exceeds 200 degrees Celsius (step S205), the temperature of each fuel cell stack 100-1 to 100 degrees Celsius is 100 to 200 degrees Celsius. The following operations are performed so that

燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏１００度より低くなった場合には、流量調整装置６２０−１〜４によって、空気の供給量を減少させる（ステップＳ３０１）。外気温度は、燃料電池スタック１００‐２〜４の温度よりも低いため、空気の流入を抑制することで、温度の低下を緩和する。また、暖めるために燃料電池スタック１００‐１〜４のヒータをオンする（ステップＳ３０３）。そして、燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏１００度を超えるか判断し（ステップＳ３０５）、超えた場合には、ヒータをオフする（ステップＳ３０７）。流量調整装置６２０−１〜４の空気流量を復帰させ（ステップＳ３０９）、定常運転に復帰させる（ステップＳ３１１）。 When the temperature of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 is lower than 100 degrees Celsius, the air supply amount is decreased by the flow rate adjusting devices 620-1 to 620-4 (step S301). Since the outside air temperature is lower than the temperature of the fuel cell stacks 100-2 to 100-4, the temperature drop is mitigated by suppressing the inflow of air. Further, the heaters of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 are turned on in order to warm them (step S303). Then, it is determined whether the temperature of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 exceeds 100 degrees Celsius (step S305), and if it exceeds, the heater is turned off (step S307). The air flow rate of the flow rate adjusting devices 620-1 to 620-4 is restored (step S309), and the steady operation is restored (step S311).

一方、燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が、摂氏２００度を超えた場合には、空気ファン１２２の送風量を増大させる（ステップＳ４０１）。温度の低い外気の供給量が増加することで、過熱した燃料電池スタック１００‐１〜４を冷やすことができる。燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏２００度より低くなったか判断する（ステップＳ４０３）。低くなった場合には、空気流量を元の量に復帰させ（ステップＳ４０５）、定常運転に復帰させる（ステップＳ４０７）。このような空気流量の調整は、流量調整装置６２０−１〜４によって、各燃料電池スタック１００‐１〜４毎に可能となっている。 On the other hand, when the temperature of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 exceeds 200 degrees Celsius, the air blowing amount of the air fan 122 is increased (step S401). By increasing the supply amount of outside air having a low temperature, the overheated fuel cell stacks 100-1 to 100-4 can be cooled. It is determined whether the temperature of the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 is lower than 200 degrees Celsius (step S403). When it becomes low, the air flow rate is restored to the original amount (step S405), and the normal operation is restored (step S407). Such adjustment of the air flow rate is possible for each fuel cell stack 100-1 to 4 by the flow rate adjusting devices 620-1 to 620-4.

次に停止する場合の動作について説明する。イグニッションスイッチをオフにすると、水素ガスの供給を停止させ、空気ファン１２２の風量を増大させる（ステップＳ５０１）。水素ガスの供給がないため、発電反応は発生せず、外気の流入による冷却効果が得られる。全燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏１００度より低くなったか判断し（ステップＳ５０３）、低くなった場合には、空気ファン１２２等の補機類を停止させる。 Next, the operation when stopping will be described. When the ignition switch is turned off, the supply of hydrogen gas is stopped and the air volume of the air fan 122 is increased (step S501). Since there is no supply of hydrogen gas, a power generation reaction does not occur, and a cooling effect by inflow of outside air is obtained. It is determined whether the temperature of all the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 is lower than 100 degrees Celsius (step S503). If the temperature is lower, auxiliary equipment such as the air fan 122 is stopped.

以上のような構成のほか、燃料電池スタック１００‐１〜４の接続は、図１５に示されているように、直列接続であってもよい。この場合、燃料電池スタック１００‐１と燃料電池スタック１００‐２〜４の間にリレーＲ５が設けられ、燃料電池スタック１００‐２〜４に並列にリレーＲ６が接続される。 In addition to the above configuration, the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 may be connected in series as shown in FIG. In this case, a relay R5 is provided between the fuel cell stack 100-1 and the fuel cell stacks 100-2 to 4, and a relay R6 is connected to the fuel cell stacks 100-2 to 4 in parallel.

起動時において、燃料電池スタック１００‐１が摂氏１００度以上に温まった場合には、リレーＲ０とリレーＲ６がオン状態となり、燃料電池スタック１００‐１の出力が負荷に供給される。この出力を用いて、燃料電池スタック１００‐２〜４がヒータにより暖められ、摂氏１００度を超えた場合に、リレーＲ６がオフとなり、リレーＲ５がオンされる。これにより、全燃料電池スタック１００‐１〜４が直列に接続される。 When the fuel cell stack 100-1 is warmed to 100 degrees Celsius or more at startup, the relays R0 and R6 are turned on, and the output of the fuel cell stack 100-1 is supplied to the load. Using this output, when the fuel cell stacks 100-2 to 4-4 are warmed by the heater and exceed 100 degrees Celsius, the relay R6 is turned off and the relay R5 is turned on. Thereby, all the fuel cell stacks 100-1 to 100-4 are connected in series.

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell system 1 of the present invention. 燃料電池スタックの部分断面側面図である。It is a partial cross section side view of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの配置例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example of arrangement | positioning of a fuel cell stack. 分配装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a distribution apparatus. 空気供給系の構成を示す燃料電池スタックの平面図である。It is a top view of the fuel cell stack which shows the structure of an air supply system. 流量調整装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a flow volume adjustment apparatus. 各燃料電池スタックの電気的接続構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the electrical connection structure of each fuel cell stack. 各ヒータの電気的接続構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the electrical connection structure of each heater. 燃料電池システムの作用を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the effect | action of a fuel cell system. 燃料電池システムの作用を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the effect | action of a fuel cell system. 燃料電池システムの作用を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the effect | action of a fuel cell system. 燃料電池システムの作用を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the effect | action of a fuel cell system. 燃料電池システムの作用を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the effect | action of a fuel cell system. 燃料電池スタックの他の電気的接続構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the other electrical connection structure of a fuel cell stack.

Explanation of symbols

１燃料電池システム
１１水素貯蔵タンク
１００燃料電池スタック
２０１、２０２燃料ガス供給流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 11 Hydrogen storage tank 100 Fuel cell stack 201, 202 Fuel gas supply flow path

Claims

A plurality of fuels in which a fuel chamber into which fuel gas is introduced and an oxidant gas chamber into which oxidant gas is introduced are adjacent to each other via a high-temperature electrolyte membrane and a plurality of fuel cells that generate power by reaction between the fuel gas and oxidant gas are stacked. A battery stack,
Thermal insulation covering the outer surface of each fuel cell stack;
A heater provided for each fuel cell stack;
Fuel supply means connected to the fuel chamber for supplying fuel gas;
Air supply means for supplying air to the oxidizing gas chamber;
A temperature sensor for detecting the temperature of each fuel cell stack;
Power storage means for storing the power generated by the fuel cell;
Control means for controlling on / off of the heater, the presence or absence of fuel gas supply by the fuel supply means, and the presence or absence of air supply by the air supply means for each fuel cell stack;
The control means energizes a heater of a specific fuel cell stack and the power storage means at startup,
Determining means for determining whether the temperature of the specific fuel cell stack has reached a power generation possible temperature based on a detection value of the temperature sensor;
Limited supply means for supplying air and fuel gas only to the specific fuel cell stack until the determination means determines that the power generation possible temperature has been reached;
A fuel cell system comprising: power distribution means for supplying electric power generated by the specific fuel cell stack to a heater of another fuel cell stack.

The fuel cell system according to claim 1, further comprising a supply amount adjusting unit that adjusts an air supply amount according to a temperature of the fuel cell stack.