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JP2003208912A - Fuel cell power generation system - Google Patents

Fuel cell power generation system

Info

Publication number
JP2003208912A
JP2003208912A JP2002004999A JP2002004999A JP2003208912A JP 2003208912 A JP2003208912 A JP 2003208912A JP 2002004999 A JP2002004999 A JP 2002004999A JP 2002004999 A JP2002004999 A JP 2002004999A JP 2003208912 A JP2003208912 A JP 2003208912A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
gas
power generation
humidification
humidifying
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002004999A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Okazaki
洋 岡崎
Kenji Kunieda
健司 國枝
Shogo Goto
荘吾 後藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aisin Seiki Co Ltd, Toyota Motor Corp filed Critical Aisin Seiki Co Ltd
Priority to JP2002004999A priority Critical patent/JP2003208912A/en
Publication of JP2003208912A publication Critical patent/JP2003208912A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池の内部の適切な加湿状態を確保するの
に有利な燃料電池システムを提供する。 【解決手段】加湿部20は吸湿可能な加湿部材20nを
有する。燃料電池8から吐出された発電後の反応ガスの
オフガスで加湿部材20nを加湿させると共に、燃料電
池8に向かう発電前の反応ガスを加湿部材20nで加湿
させる。燃料電池8の積層方向の寸法変化または積層方
向の荷重変化に基づいて燃料電池8の内部の加湿状態を
検出する燃料電池加湿状態検出手段を有する。燃料電池
の加湿状態に応じて、燃料電池8から加湿部20を経な
いでバイパス通路202に向かう発電後の反応ガスのオ
フガスの量を可変とする。よって加湿部20に向かう発
電後の反応ガスのオフガスの量を可変とする。このため
加湿部材20nにおける湿分を可変とし、燃料電池8に
供給される発電前の反応ガスの加湿状態を制御する。
(57) [Problem] To provide a fuel cell system advantageous for securing an appropriate humidification state inside a fuel cell. A humidifying unit has a humidifying member that can absorb moisture. The humidifying member 20n is humidified by the off-gas of the reaction gas discharged from the fuel cell 8 after power generation, and the reaction gas before power generation toward the fuel cell 8 is humidified by the humidifying member 20n. A fuel cell humidification state detecting means for detecting a humidification state inside the fuel cell 8 based on a dimensional change in the stacking direction of the fuel cell 8 or a load change in the stacking direction is provided. According to the humidification state of the fuel cell, the amount of off-gas of the reaction gas after power generation from the fuel cell 8 to the bypass passage 202 without passing through the humidification unit 20 is made variable. Therefore, the amount of off-gas of the reaction gas after power generation toward the humidifying section 20 is made variable. For this reason, the moisture in the humidifying member 20n is made variable, and the humidification state of the reaction gas before power generation supplied to the fuel cell 8 is controlled.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は酸素含有ガス等の反
応ガスを加湿する加湿部を有する燃料電池システムに関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system having a humidifying section for humidifying a reaction gas such as an oxygen-containing gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、燃料電池システムとして、反応ガ
スで発電する燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給す
る供給通路と、燃料電池から吐出される発電後の反応ガ
スのオフガスを通過させるオフガス通路と、吸湿可能な
加湿部材をもつ加湿部とを有するものが知られている。
燃料電池の内部が乾燥しすぎていると、発電性能が充分
に発揮されないため、燃料電池に供給される発電前の酸
素含有ガス等の反応ガスは一般的には加湿されている。
このため燃料電池からオフガス通路に吐出される発電後
の反応ガスも、湿分を有することが多い。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a fuel cell system, a fuel cell for generating electric power with a reaction gas, a supply passage for supplying the reaction gas to the fuel cell, and an off gas for passing an off gas of the reaction gas discharged from the fuel cell after power generation There is known one having a passage and a humidifying section having a humidifying member capable of absorbing moisture.
If the inside of the fuel cell is too dry, the power generation performance will not be sufficiently exhibited, so that the reaction gas such as the oxygen-containing gas before power generation supplied to the fuel cell is generally humidified.
Therefore, the reaction gas discharged from the fuel cell to the off-gas passage after power generation often has moisture.

【0003】上記した燃料電池発電システムでは、燃料
電池から吐出されオフガス通路を流れる発電後の反応ガ
スのオフガスを加湿部の加湿部材に向かわせ、発電後の
反応ガスと加湿部材とを接触させ、発電後の反応ガスの
湿分を加湿部材に移行させることにより加湿部材を加湿
する。そして、燃料電池に供給される発電前の反応ガス
と加湿部材とを接触させることにより、加湿部材の湿分
を発電前の反応ガスに移行させ、発電前の反応ガスを加
湿させる。このものによれば、燃料電池に供給される発
電前の反応ガスを加湿できるため、燃料電池の内部の乾
燥しすぎを防止でき、発電性能を確保することができ
る。
In the above fuel cell power generation system, the offgas of the reaction gas after power generation, which is discharged from the fuel cell and flows through the offgas passage, is directed to the humidification member of the humidification section, and the reaction gas after power generation and the humidification member are brought into contact with each other. The humidifying member is humidified by transferring the moisture content of the reaction gas after power generation to the humidifying member. Then, by bringing the reaction gas before power generation supplied to the fuel cell into contact with the humidification member, the moisture of the humidification member is transferred to the reaction gas before power generation, and the reaction gas before power generation is humidified. According to this, the reaction gas supplied to the fuel cell before power generation can be humidified, so that the inside of the fuel cell can be prevented from being excessively dried, and power generation performance can be secured.

【0004】また特開2001−143733には、燃
料電池から吐出される発電後の燃料系ガスのオフガスが
流れるオフガス通路に加湿部を設け、オフガス通路のう
ち燃料電池と加湿部とをつなぐ通路部分と水素発生器と
をつなぐバイパス通路を設け、このバイパス通路にコン
プレッサを設ける燃料電池システムの加湿装置が開示さ
れている。このものでは、燃料電池から吐出される発電
後の燃料系ガスのオフガスをオフガス通路を経て加湿部
に流すと共に、発電後の燃料系ガスの一部を加湿部を経
ることなくコンプレッサにより水素発生器に戻すことに
している。
Further, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-143733, a humidifying portion is provided in an offgas passage through which the offgas of the fuel system gas discharged from the fuel cell after power generation flows, and a passage portion connecting the fuel cell and the humidifying portion in the offgas passage. There is disclosed a humidifying device for a fuel cell system in which a bypass passage that connects a hydrogen generator with a hydrogen generator is provided, and a compressor is provided in the bypass passage. In this device, the off gas of the fuel system gas after power generation discharged from the fuel cell is made to flow to the humidification part through the off gas passage, and a part of the fuel system gas after power generation is generated by the compressor without passing through the humidification part. I will return to.

【0005】更に特開2001−155752には、燃
料電池の圧力が高い場合に燃料電池に対する加湿量を少
なくし、燃料電池の圧力が低い場合に燃料電池に対する
加湿量を多くする技術が開示されている。また特開20
01−148253には、燃料電池通過時の燃料または
酸化剤ガスの圧力損失、単セル電圧出力の時間差分値や
時間微分値を求め、これを、予め設定した設定値と比較
し、燃料または酸化剤ガスの加湿過多を検出し、電池の
温度を上げる技術が開示されている。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-155752 discloses a technique for reducing the amount of humidification to the fuel cell when the pressure of the fuel cell is high and increasing the amount of humidification to the fuel cell when the pressure of the fuel cell is low. There is. In addition, JP 20
In 01-148253, the pressure loss of the fuel or the oxidant gas when passing through the fuel cell, the time difference value or the time differential value of the single cell voltage output is obtained, and this is compared with a preset set value, and the fuel or the oxidant is discharged. A technique for detecting excessive humidification of the agent gas and raising the temperature of the battery is disclosed.

【0006】特開平7−22047号公報には、単位電
池のアノード及びカソード間の電位をコンピュータで算
出し、当該電位の変化に基づいて、単位電池の出力低下
の原因を推定し、その推定に基づいて、加湿器を制御
し、水素ガスまたは酸素ガスに対する加湿量を調整する
技術が開示されている。
In Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-22047, the potential between the anode and the cathode of a unit cell is calculated by a computer, the cause of the output decrease of the unit cell is estimated based on the change in the potential, and the estimation is performed. Based on this, a technique is disclosed in which a humidifier is controlled to adjust the amount of humidification for hydrogen gas or oxygen gas.

【0007】特開平9−55218号公報には、燃料電
池を冷却した後の温水を加湿器に導入して反応ガスを加
湿する技術が開示されている。特開平6−132038
号公報には、吸湿性を有する水蒸気通過膜の一面に対面
する加湿室と水蒸気通過膜の他面に対面する被加湿室と
を有する加湿器とを有し、燃料電池に供給する発電前の
反応ガスを加湿室に通過させると共、燃料電池から吐出
された発電後のオフガスを被加湿室を通過させる技術が
開示されている。
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 9-55218 discloses a technique for humidifying a reaction gas by introducing hot water after cooling a fuel cell into a humidifier. Japanese Patent Laid-Open No. 6-132038
The publication discloses a humidifier having a humidifying chamber facing one surface of a water vapor permeable membrane having a hygroscopic property and a humidified chamber facing the other surface of the water vapor permeable membrane, which is supplied to a fuel cell before power generation. A technique is disclosed in which the reaction gas is passed through the humidification chamber and the off-gas after power generation discharged from the fuel cell is passed through the humidification chamber.

【0008】特開2001−216984には、燃料電
池の要求加湿量に応じてバイパス通路を開閉させること
により燃料電池の加湿量を制御する燃料電池用加湿シス
テムが開示されている。
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-216984 discloses a fuel cell humidifying system for controlling the humidifying amount of a fuel cell by opening and closing a bypass passage according to the required humidifying amount of the fuel cell.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上記した燃料電池シス
テムによれば、燃料電池の内部の適切な加湿状態の確保
には、必ずしも充分ではない。
According to the above fuel cell system, it is not always sufficient to secure an appropriate humidified state inside the fuel cell.

【0010】本発明は上記した実情に鑑みてなされたも
のであり、燃料電池の内部の適切な加湿状態を確保する
のに有利な燃料電池システムを提供することを課題とす
る。
The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system which is advantageous for ensuring an appropriate humidification state inside the fuel cell.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料電池発
電システムは、反応ガスで発電する燃料電池と、反応ガ
スを前記燃料電池に供給する供給通路と、発電後の反応
ガスのオフガスを燃料電池から吐出させるオフガス通路
と、供給通路及びオフガス通路に接続され、吸湿可能な
加湿部材を有し、燃料電池から吐出された発電後の反応
ガスのオフガス中の水分を加湿部材が吸湿すると共に、
燃料電池に向かう発電前の反応ガスを加湿部材で加湿さ
せる加湿部とを有する燃料電池発電システムにおいて、
燃料電池の湿潤に伴う積層方向の寸法変化または積層方
向の荷重変化を検出すると共に、寸法変化または荷重変
化に基づいて燃料電池の内部の加湿状態を検出する燃料
電池加湿状態検出手段と、燃料電池加湿状態検出手段で
検出された燃料電池の加湿状態に応じて、燃料電池から
加湿部に向かう発電後の反応ガスのオフガスの量を可変
とすることにより、加湿部の加湿部材における湿分を可
変とし、燃料電池に供給される発電前の反応ガスの加湿
状態を制御する加湿制御手段とを具備していることを特
徴とするものである。
A fuel cell power generation system according to the present invention includes a fuel cell for generating power with a reaction gas, a supply passage for supplying the reaction gas to the fuel cell, and an off gas of the reaction gas after power generation as a fuel. An off-gas passage discharged from the battery, and a humidifying member that is connected to the supply passage and the off-gas passage and can absorb moisture, the humidifying member absorbs moisture in the off-gas of the reaction gas discharged from the fuel cell after power generation,
In a fuel cell power generation system having a humidifying section that humidifies a reaction gas before power generation toward the fuel cell with a humidifying member,
A fuel cell humidified state detecting means for detecting a dimensional change in the stacking direction or a load change in the stacking direction due to wetting of the fuel cell, and detecting a humidified state inside the fuel cell based on the dimensional change or the load change; Depending on the humidification state of the fuel cell detected by the humidification state detection means, the amount of off-gas of the reaction gas after power generation from the fuel cell to the humidification section can be varied to change the moisture content in the humidification section of the humidification section. And humidifying control means for controlling the humidifying state of the reaction gas supplied to the fuel cell before power generation.

【0012】本発明では、発電前の反応ガスは、燃料電
池において発電反応に供給される前の反応ガスを意味
し、水素含有ガス及び酸素含有ガスのうちの少なくとも
一つが例示される。発電後のオフガスは、燃料電池にお
いて発電反応に使用されて燃料電池から吐出されたオフ
ガスを意味し、未反応成分を有することもある。
In the present invention, the reaction gas before power generation means the reaction gas before being supplied to the power generation reaction in the fuel cell, and at least one of hydrogen-containing gas and oxygen-containing gas is exemplified. The off-gas after power generation means the off-gas used for power generation reaction in the fuel cell and discharged from the fuel cell, and may have unreacted components.

【0013】本発明によれば、発電後の反応ガスのオフ
ガスは湿分を有し、加湿部の加湿部材を加湿する。加湿
部の加湿部材は、燃料電池に向かう発電前の反応ガスと
接触する。このため吸湿状態の加湿部材により、燃料電
池に向かう発電前の反応ガスは加湿される。燃料電池加
湿状態検出手段は、加湿に伴う燃料電池の積層方向の寸
法変化または積層方向の荷重変化を検出すると共に、寸
法変化または荷重変化に基づいて燃料電池の内部の加湿
状態を検出する。燃料電池加湿状態検出手段で検出され
た燃料電池の加湿状態に応じて、加湿制御手段は、燃料
電池から加湿部に向かう発電後の反応ガスのオフガスの
量を可変とする。これにより、加湿部の加湿部材におけ
る湿分は可変とされる。この結果、燃料電池に供給され
る発電前の反応ガスの加湿状態は可変に制御される。
According to the present invention, the off-gas of the reaction gas after power generation has a moisture content and humidifies the humidifying member of the humidifying section. The humidifying member of the humidifying section comes into contact with the reaction gas before power generation, which is directed to the fuel cell. Therefore, the humidified humidifying member humidifies the reaction gas before power generation toward the fuel cell. The fuel cell humidified state detecting means detects a dimensional change in the stacking direction of the fuel cell or a load change in the stacking direction due to humidification, and also detects a humidified state inside the fuel cell based on the dimensional change or the load change. In accordance with the humidification state of the fuel cell detected by the fuel cell humidification state detection means, the humidification control means varies the amount of off-gas of the reaction gas from the fuel cell toward the humidification part after power generation. As a result, the moisture content in the humidifying member of the humidifying section is variable. As a result, the humidification state of the reaction gas supplied to the fuel cell before power generation is variably controlled.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】・燃料電池加湿状態検出手段は、
加湿に伴う燃料電池の積層方向の寸法変化または積層方
向の荷重変化を検出すると共に、寸法変化または荷重変
化に基づいて燃料電池の内部の加湿状態を検出するもの
である。この場合、燃料電池に接触して検出しても良い
し、非接触で検出しても良い。燃料電池加湿状態検出手
段としては、燃料電池を保持する基部と燃料電池との間
において燃料電池の積層方向の荷重変化を検出できるよ
うに配置された荷重計である形態を採用できる。荷重計
としては、基部のうち燃料電池の積層方向の端部に対向
する対向部と、燃料電池の積層方向の端部との間に設け
ることができる。燃料電池加湿状態検出手段としては、
燃料電池を保持する基部の少なくとも一部における応力
状態を検出し、応力状態に基づいて前記燃料電池の内部
の加湿状態を検出するものを採用できる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
It detects a dimensional change in the stacking direction of the fuel cell or a load change in the stacking direction due to humidification, and detects a humidified state inside the fuel cell based on the dimensional change or the load change. In this case, the fuel cell may be contacted for detection, or may be contactlessly detected. As the fuel cell humidified state detecting means, it is possible to adopt a form of a load meter arranged so as to be able to detect a load change in the stacking direction of the fuel cells between the base portion holding the fuel cells and the fuel cells. The load meter may be provided between the facing portion of the base portion facing the end portion of the fuel cell in the stacking direction and the end portion of the fuel cell in the stacking direction. As the fuel cell humidified state detecting means,
It is possible to employ one that detects a stress state in at least a part of a base portion that holds the fuel cell, and detects a humidification state inside the fuel cell based on the stress state.

【0015】従って燃料電池加湿状態検出手段として、
燃料電池の積層方向における荷重変化を検出する検出部
を有する荷重検出手段、燃料電池の積層方向の寸法変化
に伴い変化する長さを検出する検出部を有する長さ検出
手段、燃料電池を保持するフレームまたは燃料電池にお
ける応力状態(圧縮応力発生状態または引張応力発生状
態)を検出する検出部を有する応力状態検出手段を採用
できる。燃料電池の積層方向の寸法変化に伴い変化する
長さを検出する検出部を有する長さ検出手段としては、
燃料電池の積層方向の寸法変化に伴い変化する静電容量
を検出する検出部を有する静電容量検出手段、燃料電池
の積層方向の寸法変化に伴い変化する磁気を検出する検
出部を有する磁気検出手段のうちの少なくとも一方であ
る形態を採用できる。
Therefore, as the fuel cell humidified state detecting means,
Load detecting means having a detecting portion for detecting a load change in the stacking direction of the fuel cell, length detecting means having a detecting portion for detecting a length that changes with a dimensional change in the stacking direction of the fuel cell, and holding the fuel cell It is possible to employ a stress state detection means having a detection unit for detecting a stress state (compression stress generation state or tensile stress generation state) in the frame or the fuel cell. As the length detection means having a detection unit for detecting the length that changes with the dimensional change in the stacking direction of the fuel cell,
Capacitance detection means having a detection unit that detects capacitance that changes with dimensional changes in the stacking direction of the fuel cell, and magnetic detection that has a detection unit that detects magnetism that changes with dimensional changes in the stacking direction of the fuel cell. Some form of at least one of the means can be adopted.

【0016】・発電後のオフガスが加湿部に向かう量を
可変とするオフガス量可変手段を設けることができる。
オフガス量可変手段は、加湿部を流れないように加湿部
を迂回するバイパス通路と、バイパス通路に向かう反応
ガスのガス量を可変とするガス通過量変更手段とを有す
る。ガス通過量変更手段は、バイパス通路を通過する反
応ガスのガス量を可変とするバルブまたはポンプ等のガ
ス搬送手段とすることができる。
It is possible to provide an off-gas amount varying means for varying the amount of off-gas after power generation, which is directed to the humidifying section.
The off-gas amount varying means has a bypass passage bypassing the humidifying portion so as not to flow through the humidifying portion, and a gas passage amount changing means for varying the gas amount of the reaction gas toward the bypass passage. The gas passage amount changing means can be gas conveying means such as a valve or a pump that can change the gas amount of the reaction gas passing through the bypass passage.

【0017】・加湿部は加湿部材を有する。加湿部材は
湿分保持性を有するものであれば良い。発電後の反応ガ
スのオフガスが通過する流路と、発電前の反応ガスが通
過する流路とを加湿部材が仕切る場合には、加湿部材
は、発電前のガスと発電後のガスとが混合しないように
ガスバリヤ性が高いことが好ましい。このような加湿部
材としては、湿分保持性及びガスバリヤ性を併有するイ
オン交換膜が例示される。
The humidifying section has a humidifying member. The moisturizing member may have any moisture retention property. When the humidifying member separates the flow path of the offgas of the reaction gas after power generation from the flow path of the reaction gas before power generation, the humidification member mixes the gas before power generation and the gas after power generation. In order not to do so, it is preferable that the gas barrier property is high. An example of such a humidifying member is an ion exchange membrane having both moisture retention and gas barrier properties.

【0018】・加湿制御手段は、燃料電池の積層方向の
寸法値または荷重値が目標値となるように制御してお
り、燃料電池の累積運転時間が長くなると、寸法値また
は荷重値の目標値を低減させる形態を採用できる。燃料
電池内部の素材のへたり等に対処することができる。
The humidifying control means controls the dimension value or load value in the stacking direction of the fuel cell to reach the target value, and when the cumulative operating time of the fuel cell becomes long, the target value of the dimension value or load value Can be adopted. It is possible to deal with fatigue of materials inside the fuel cell.

【0019】・加湿部に供給される反応ガスは、酸化剤
ガス、場合によっては燃料系ガスである形態を採用でき
る。酸化剤ガスとしては一般的には空気、酸素富化ガス
等の酸素含有ガスを用いることができる。代表的な燃料
系ガスとしては、水素ガス、あるいは、水素を主要成分
とするガスを用いることができる。水素を主要成分とす
るガスとしては、メタン、プロパン、ブタン、天然ガ
ス、ガソリンなどの炭化水素系燃料、メタノール等のア
ルコール系燃料を改質した水素リッチな改質ガスを例示
することができる。燃料電池は電池セルを積層した方式
を例示できる。燃料電池は業務用、家庭用、定置用、車
載用、固定式、可動式、ポータブル式を問わない。
The reaction gas supplied to the humidifying section may be an oxidant gas, or a fuel gas in some cases. As the oxidant gas, generally, an oxygen-containing gas such as air or an oxygen-rich gas can be used. As a typical fuel system gas, hydrogen gas or a gas containing hydrogen as a main component can be used. Examples of the gas containing hydrogen as a main component include hydrogen-rich reformed gas obtained by reforming hydrocarbon fuel such as methane, propane, butane, natural gas and gasoline, and alcohol fuel such as methanol. The fuel cell can be exemplified by a system in which battery cells are stacked. The fuel cell may be a commercial type, a domestic type, a stationary type, an on-vehicle type, a fixed type, a movable type, or a portable type.

【0020】[0020]

【実施例】(第1実施例)以下、本発明の実施例につい
て説明する。図1は定置形の燃料電池システムの概念図
を示す。
EXAMPLES (First Example) Examples of the present invention will be described below. FIG. 1 shows a conceptual diagram of a stationary fuel cell system.

【0021】まず全体構成から説明する。本実施例に係
る燃料電池システムは、図1に示すように、燃料系ガス
(燃料)と水蒸気とで改質反応を生じさせて発電に適す
る水素含有ガスを生成する改質部1と、水素含有ガスを
生成する水蒸気を生成するために原料水を蒸発させる蒸
発部2と、改質部1に熱交換部3を経て燃料系ガスを供
給する燃料系ガス供給通路4(供給通路)と、改質部1
で生成された水素含有ガスに含まれている一酸化炭素を
除去するCO除去部5と、給水源としての水道管に接続
された水源6(例えば水タンク)と、水源6と蒸発部2
とを接続し水源6の原料水を蒸発部2に供給する原料水
供給通路7とを有する。CO除去部5は、シフト反応に
より一酸化炭素を低減させるCOシフト部と、空気を用
いて一酸化炭素を低減させるCO選択酸化部とを有する
が、これらに限定されるものではない。
First, the overall configuration will be described. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment includes a reforming unit 1 that generates a hydrogen-containing gas suitable for power generation by causing a reforming reaction between a fuel system gas (fuel) and steam to generate hydrogen. An evaporator 2 for evaporating raw material water to generate water vapor for generating a contained gas; a fuel system gas supply passage 4 (supply passage) for supplying a fuel system gas to the reforming section 1 via a heat exchange section 3; Reformer 1
The CO removal unit 5 that removes carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas generated in 1., the water source 6 (for example, a water tank) connected to a water pipe as a water supply source, the water source 6 and the evaporation unit 2
And a raw material water supply passage 7 for connecting the raw material water of the water source 6 to the evaporation section 2 by connecting the above. The CO removal unit 5 has a CO shift unit that reduces carbon monoxide by a shift reaction and a CO selective oxidation unit that reduces carbon monoxide by using air, but the CO removal unit 5 is not limited to these.

【0022】本実施例に係る燃料電池システムは、図1
に示すように、酸素含有ガス(酸化剤)としての空気と
水素含有ガスとで発電する燃料電池8と、改質部1で生
成された水素含有ガスを弁9aを経て燃料電池8に供給
する水素供給通路(供給通路)9と、燃料電池8から排
出された発電後の燃料極のオフガスを弁10a、凝縮部
10、弁10cを経て流す燃料オフガス通路12と、燃
料オフガス通路12に接続され燃料電池8の燃料極のオ
フガスを燃焼させる燃焼部13と、燃料系ガス供給通路
4と燃焼部13とを分岐部4mを介して接続すると共に
燃料系ガスを燃焼のために燃焼部13に供給する燃焼部
連通路14と、燃料オフガス通路12において燃焼部1
3と燃料電池8との間に位置するように設けられた凝縮
部10と、酸素含有ガスとしての発電用の空気(反応ガ
ス)を燃料電池8の空気極に供給する空気供給通路(供
給通路)16と、燃料電池8の空気極から排出された発
電後の空気のオフガスを流して排出させる空気オフガス
通路(オフガス通路)18と、空気オフガス通路18に
設けられた熱交換器19及び加湿部20とを有する。
The fuel cell system according to this embodiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 3, the fuel cell 8 that generates electricity with the air as the oxygen-containing gas (oxidizer) and the hydrogen-containing gas, and the hydrogen-containing gas generated in the reforming section 1 are supplied to the fuel cell 8 through the valve 9a. The hydrogen supply passage (supply passage) 9 is connected to the fuel off-gas passage 12 and the fuel off-gas passage 12 for flowing the off-gas of the fuel electrode discharged from the fuel cell 8 after power generation through the valve 10a, the condenser 10 and the valve 10c. The combustor 13 for combusting the off-gas of the fuel electrode of the fuel cell 8 is connected to the fuel system gas supply passage 4 and the combustor 13 via the branch 4m, and the fuel system gas is supplied to the combustor 13 for combustion. In the combustion section communication passage 14 and the fuel off-gas passage 12
3 and the fuel cell 8, a condenser 10 provided between the fuel cell 8 and an air supply passage (supply passage) for supplying power generation air (reaction gas) as an oxygen-containing gas to the air electrode of the fuel cell 8. ) 16, an air off-gas passage (off-gas passage) 18 through which the off-gas of the air after power generation discharged from the air electrode of the fuel cell 8 is discharged, and a heat exchanger 19 and a humidifying section provided in the air off-gas passage 18. 20 and.

【0023】燃焼部連通路14には、燃料系ガスを燃焼
部13に向けて搬送するポンプ14p(燃料搬送手段)
が設けられている。
In the combustion section communication passage 14, a pump 14p (fuel conveying means) for conveying the fuel system gas toward the combustion section 13
Is provided.

【0024】燃料系ガス供給通路4から供給された燃料
系ガスは、燃焼部連通路14を経て燃焼部13に供給さ
れて燃焼部13で燃焼されるため、燃焼部13が高温と
なる。よって、改質部1の温度を燃料改質反応に適する
ように温度領域に維持することができ、ひいては改質部
1において水素含有ガスを効果的に発生させる。
The fuel system gas supplied from the fuel system gas supply passage 4 is supplied to the combustion unit 13 through the combustion unit communication passage 14 and burned in the combustion unit 13, so that the temperature of the combustion unit 13 becomes high. Therefore, the temperature of the reforming section 1 can be maintained in the temperature range suitable for the fuel reforming reaction, and the hydrogen-containing gas is effectively generated in the reforming section 1.

【0025】燃料系ガス供給通路4は都市ガスのガス管
またはガスボンベに接続されており、メタン、プロパ
ン、ブタン等の少なくとも1種を主要成分とする燃料系
ガスを供給する。燃料系ガス供給通路4には、2個並設
された弁27,28からなる二連弁29,燃料系ガス搬
送用のポンプ4p、脱硫部4a、弁4b、合流部4cが
設けられている。合流部4cは、燃料系ガス供給通路4
からの燃料系ガスと蒸発部2で蒸発された水蒸気とを混
合し、熱交換部3を介して改質部1に供給する。空気供
給通路16には空気清浄化用のフィルタ16a、空気搬
送用のファン16b(空気搬送手段)、空気加湿用の加
湿部20が設けられている。加湿部20は、燃料電池8
に供給する酸素含有ガスである空気(反応ガス)を加湿
する。燃料電池8の電解質膜が過剰に乾燥されると、燃
料電池8の発電効率が低下するためである。原料水供給
通路7には、原料水浄化用のフィルタ7a、弁7b、弁
7c、原料水の浄化度を高める水精製装置7d、水源
6、原料水搬送用のポンプ7f、開閉制御弁7hが設け
られている。
The fuel system gas supply passage 4 is connected to a city gas gas pipe or gas cylinder and supplies a fuel system gas containing at least one of methane, propane, butane and the like as a main component. The fuel system gas supply passage 4 is provided with a double valve 29 including two valves 27 and 28 arranged in parallel, a pump 4p for transporting the fuel system gas, a desulfurization section 4a, a valve 4b, and a confluence section 4c. . The merging portion 4c is provided in the fuel system gas supply passage 4
The fuel system gas from the above is mixed with the water vapor evaporated in the evaporation unit 2, and the mixture is supplied to the reforming unit 1 via the heat exchange unit 3. The air supply passage 16 is provided with a filter 16a for cleaning the air, a fan 16b (air carrying means) for carrying air, and a humidifying section 20 for humidifying air. The humidifying unit 20 includes the fuel cell 8
The air (reaction gas), which is the oxygen-containing gas supplied to, is humidified. This is because if the electrolyte membrane of the fuel cell 8 is excessively dried, the power generation efficiency of the fuel cell 8 will decrease. In the raw material water supply passage 7, there are provided a filter 7a for purifying raw material water, a valve 7b, a valve 7c, a water purifier 7d for enhancing the degree of purification of raw material water, a water source 6, a pump 7f for conveying raw material water, and an opening / closing control valve 7h. It is provided.

【0026】図1に示すように、燃料電池8の熱を奪う
冷却水が流れる冷却手段として機能する電池冷却通路2
2には、ポンプ22p、熱交換部23が設けられてい
る。燃料電池システム全体で発生する熱を奪って湯とし
て貯留する貯湯部26が設けられている。貯湯部26の
吐出口26iから延設された熱交換通路31には、冷却
水搬送用のポンプ31p(冷却水搬送手段)、凝縮部1
0が設けられており、更に適宜の部位に図略の複数の熱
交換部が設けられている。従って貯湯部26から熱交換
通路31を流れた冷却水は、凝縮部10を経て、更に適
宜の部位に設けた図略の複数の熱交換部を流れ、熱交換
により加熱され、熱交換部23を経て、貯湯部26の吸
入口26oに帰還する。このため、貯湯部26に貯留さ
れている冷却水は熱を帯び、湯となる。貯湯部26の冷
却水である湯は、他の用途への給湯源として利用でき
る。貯湯部26には給水源である水道から水が補給通路
26kを経て補給される。
As shown in FIG. 1, a cell cooling passage 2 which functions as a cooling means through which cooling water that removes heat from the fuel cell 8 flows.
2, a pump 22p and a heat exchange section 23 are provided. A hot water storage unit 26 is provided that takes away heat generated in the entire fuel cell system and stores it as hot water. In the heat exchange passage 31 extending from the discharge port 26i of the hot water storage unit 26, a cooling water transfer pump 31p (cooling water transfer means) and a condenser unit 1 are provided.
0 is provided, and a plurality of heat exchange parts (not shown) are provided at appropriate portions. Therefore, the cooling water flowing from the hot water storage portion 26 through the heat exchange passage 31 flows through the condenser portion 10 and further through a plurality of heat exchange portions (not shown) provided at appropriate portions, is heated by heat exchange, and is heated by the heat exchange portion 23. After that, it returns to the suction port 26o of the hot water storage unit 26. Therefore, the cooling water stored in the hot water storage unit 26 becomes hot and becomes hot water. The hot water that is the cooling water for the hot water storage unit 26 can be used as a hot water supply source for other purposes. Water is supplied to the hot water storage unit 26 from a water supply source through a supply passage 26k.

【0027】図1から理解できるように、燃料電池8の
燃料出口8eから排出された発電後の燃料極の高温のオ
フガスは、弁10a、凝縮部10を経て、更に弁10
c、燃料オフガス通路12を経て燃焼部13に流れる。
発電後の燃料極のオフガスは、燃料電池8の発電反応と
して消費されなかった未燃焼成分を有するため、燃焼部
13で燃焼される。
As can be understood from FIG. 1, the high-temperature off-gas of the fuel electrode after power generation, which is discharged from the fuel outlet 8e of the fuel cell 8, passes through the valve 10a and the condenser 10 and further to the valve 10.
c, flowing into the combustion section 13 through the fuel off-gas passage 12.
The off-gas of the fuel electrode after power generation has an unburned component that has not been consumed as a power generation reaction of the fuel cell 8, and thus is burned in the combustion unit 13.

【0028】さて図2に示すように燃料電池8には、前
記した加湿部20が隣設されている。加湿部20の空気
入口20aは空気供給通路16につながり、酸化剤ガス
である空気(反応ガス,酸素含有ガス)を燃料電池8の
スタック81の空気極の内部に供給する。加湿部20の
空気出口20cは空気オフガス通路18につながり、酸
化剤ガスである空気(反応ガス,酸素含有ガス)を燃料
電池8のスタック81外に吐出する。
As shown in FIG. 2, the fuel cell 8 is provided adjacent to the humidifying section 20. The air inlet 20a of the humidifying section 20 is connected to the air supply passage 16 and supplies air (reactant gas, oxygen-containing gas) that is an oxidant gas into the inside of the air electrode of the stack 81 of the fuel cell 8. The air outlet 20c of the humidifying part 20 is connected to the air off-gas passage 18 and discharges air (reactant gas, oxygen-containing gas) that is an oxidant gas to the outside of the stack 81 of the fuel cell 8.

【0029】本実施例に係るオフガス量可変手段200
は、加湿部20を通過しないように加湿部20を迂回す
るバイパス通路202と、逃がしバルブ210とで構成
されている。バイパス通路202の一端202aは空気
オフガス通路18のうち加湿部20の上流に連通してい
ると共に、バイパス通路202の他端202cは空気オ
フガス通路18のうち加湿部20の下流に連通してい
る。またバイパス通路202の他端202cは、空気オ
フガス通路18のうち熱交換器19の上流に連通してい
る。
The off-gas amount varying means 200 according to this embodiment.
Includes a bypass passage 202 that bypasses the humidifying section 20 so as not to pass through the humidifying section 20, and a relief valve 210. One end 202a of the bypass passage 202 communicates with the upstream portion of the humidifying portion 20 of the air off-gas passage 18, and the other end 202c of the bypass passage 202 communicates with the downstream portion of the humidifying portion 20 of the air off-gas passage 18. The other end 202c of the bypass passage 202 communicates with the upstream side of the heat exchanger 19 in the air off-gas passage 18.

【0030】逃がしバルブ210は、ガス通過量変更手
段として機能するものであり、空気オフガス通路18の
加湿部20に向かう空気のガス量を可変とするものでも
あり、逃がしバルブ210の開放量は複数段階または無
段階に調整可能とされている。図2に示すように加湿部
20は、ケース20mと、ケース20mに保持された湿
分保持性及びガスバリヤ性を併有するイオン交換膜で形
成された加湿部材20nと、燃料電池8に向かう空気が
通過する空気供給通路16に連通する第1通路20f
と、燃料電池8から吐出された発電後のオフガスを通過
させる空気オフガス通路18に連通する第2通路20s
とをもつ。
The relief valve 210 functions as a gas passage amount changing means, and also serves to change the gas amount of the air directed to the humidifying section 20 of the air off-gas passage 18, and the relief valve 210 can be opened in plural amounts. It can be adjusted in steps or in steps. As shown in FIG. 2, the humidifying section 20 includes a case 20m, a humidifying member 20n formed of an ion exchange membrane having both moisture retention and gas barrier properties, which is held in the case 20m, and air directed toward the fuel cell 8. The first passage 20f communicating with the passing air supply passage 16
And the second passage 20s communicating with the air off-gas passage 18 through which the off-gas after power generation discharged from the fuel cell 8 passes.
With and.

【0031】図2から理解できるように、燃料電池8の
空気極から吐出された発電後の空気のオフガスは、加湿
部20,熱交換器19を通過する。燃料電池8の空気極
から吐出された発電後の空気のオフガスは、熱を有する
と共に湿分を有しており、加湿部20の第2通路20s
を通過するとき加湿部材20nに接触するため、加湿部
材20nに熱及び湿分を与え、これにより加湿部材20
nは加熱されると共に加湿される。
As can be understood from FIG. 2, the off-gas of the air after power generation discharged from the air electrode of the fuel cell 8 passes through the humidifying section 20 and the heat exchanger 19. The off-gas of the air after power generation, which is discharged from the air electrode of the fuel cell 8, has heat and moisture, and the second passage 20 s of the humidifying section 20.
Since the humidifying member 20n comes into contact with the humidifying member 20n as it passes through, the humidifying member 20n is provided with heat and moisture.
n is heated and humidified.

【0032】一方、空気供給通路16を介して燃料電池
8の空気極に向かう発電前の空気は、加湿部20の第1
通路20fを通過するとき、加湿部材20nに接触して
加湿部材20nから熱及び湿分をもらう。これにより燃
料電池8に供給される発電前の空気は加熱されると共に
加湿され、燃料電池8の内部の温度及び加湿状態の維持
に有利となる。
On the other hand, the air before power generation, which is directed to the air electrode of the fuel cell 8 through the air supply passage 16, is the first air of the humidifying section 20.
When passing through the passage 20f, the humidifying member 20n is contacted to receive heat and moisture from the humidifying member 20n. As a result, the air before power generation supplied to the fuel cell 8 is heated and humidified, which is advantageous for maintaining the internal temperature and humidified state of the fuel cell 8.

【0033】さて燃料電池8付近について説明を加え
る。燃料電池8は高分子電解質型(PEFC)であり、
図3に示すように、複数個の電池セル80を厚み方向に
積層したスタック81と、スタック81を保持する基部
83とを有する。基部83は、スタック81の流路に連
通する空気流路及び燃料系ガス流路を有する流路形成部
84と、流路形成部84にスタック収容空間84xを介
して対向する対向部として機能するプレッシャープレー
ト85と、基部83とプレッシャープレート85とを連
結する連結部として機能するように並設された複数のロ
ッド86と、ロッド86とプレッシャープレート85と
を締結する締結部材として機能するナット87とを有す
る。基部83は燃料電池8を保持しつつ、基部83の撓
み変形が許容されている構造である。このため、過剰負
荷が燃料電池8に積層方向に作用せんとするときであっ
ても、過剰負荷が燃料電池8に作用することは、基部8
3の撓み変形により抑制される。なおナット87とプレ
ッシャープレート85との間に、過剰負荷軽減用のバネ
を介在させても良い。過剰負荷軽減のためにプレッシャ
ープレート85自体に撓み許容性をもたせても良い。
Now, the description of the vicinity of the fuel cell 8 will be added. The fuel cell 8 is a polymer electrolyte type (PEFC),
As shown in FIG. 3, it has a stack 81 in which a plurality of battery cells 80 are stacked in the thickness direction, and a base portion 83 that holds the stack 81. The base portion 83 functions as a flow passage forming portion 84 having an air flow passage and a fuel system gas flow passage that communicate with the flow passage of the stack 81, and a facing portion that faces the flow passage forming portion 84 via the stack accommodation space 84x. A pressure plate 85, a plurality of rods 86 arranged in parallel so as to function as a connecting portion that connects the base portion 83 and the pressure plate 85, and a nut 87 that functions as a fastening member that fastens the rod 86 and the pressure plate 85. Have. The base portion 83 has a structure in which the fuel cell 8 is held and the base portion 83 is allowed to flex and deform. Therefore, even when the excessive load acts on the fuel cell 8 in the stacking direction, the excessive load does not act on the fuel cell 8.
This is suppressed by the bending deformation of No. 3. A spring for reducing excessive load may be interposed between the nut 87 and the pressure plate 85. The pressure plate 85 itself may be allowed to bend in order to reduce an excessive load.

【0034】図4に示すように、電池セル80は、ME
A80xと、MEA80xを挟むと共に溝状の流路80
zをもつセパレータ80yとを有する。MEA80x
は、プロトン伝導性高分子膜で形成された電解質相とし
て機能する電解質膜80aと、電解質膜80aを挟装し
た正極80b及び負極80hとを有する。正極80bは
酸化剤極、酸素極、空気極とも呼ばれ、繊維集合体等の
通気性及び集電性を有する材料で形成されたガス透過層
80cと、正極活物質を得るための触媒物質を担持した
触媒層80dとで形成されている。負極80hは燃料極
とも呼ばれ、繊維集合体等の通気性及び集電性をもつ材
料で形成されたガス透過層80iと、負極活物質を得る
ための触媒物質を担持した触媒層80kとで形成されて
いる。水素は燃料電池8の燃料極(負極80h)で活物
質として機能する。酸素は燃料電池8の酸素極(正極8
0b)で活物質として機能する。
As shown in FIG. 4, the battery cell 80 is a ME
Groove-shaped channel 80 while sandwiching A80x and MEA80x
separator 80y with z. MEA80x
Has an electrolyte membrane 80a formed of a proton conductive polymer membrane and functioning as an electrolyte phase, and a positive electrode 80b and a negative electrode 80h sandwiching the electrolyte membrane 80a. The positive electrode 80b is also called an oxidizer electrode, an oxygen electrode, or an air electrode, and includes a gas permeable layer 80c formed of a material having air permeability and current collecting property such as a fiber aggregate, and a catalyst substance for obtaining a positive electrode active material. It is formed with the carried catalyst layer 80d. The negative electrode 80h is also called a fuel electrode, and is composed of a gas permeable layer 80i formed of a material having air permeability and current collecting property such as a fiber assembly, and a catalyst layer 80k supporting a catalyst substance for obtaining a negative electrode active material. Has been formed. Hydrogen functions as an active material at the fuel electrode (negative electrode 80h) of the fuel cell 8. Oxygen is the oxygen electrode of the fuel cell 8 (positive electrode 8
It functions as an active material in 0b).

【0035】図3に示すように基部83は、燃料系ガス
である水素含有ガスが供給される燃料入口83mと、燃
料系ガスをスタック81の外に吐出させる燃料出口8e
と、冷却手段としての電池冷却通路22に連通すると共
にスタック81内部に供給されてスタック81を冷却す
る冷却水が供給される冷却水入口83pと、スタック8
1の内部を通過してスタック81を冷却した冷却水をス
タック81外に吐出する冷却水出口83rと、発電の後
の空気のオフガスを吐出するバイパス通路202とを有
する。
As shown in FIG. 3, the base portion 83 has a fuel inlet 83m to which a hydrogen-containing gas as a fuel system gas is supplied and a fuel outlet 8e for discharging the fuel system gas to the outside of the stack 81.
A cooling water inlet 83p which is in communication with the battery cooling passage 22 as a cooling means and is supplied with cooling water supplied to the inside of the stack 81 to cool the stack 81;
1 has a cooling water outlet 83r for discharging the cooling water that has passed through the inside of the stack 1 and cooled the stack 81 to the outside of the stack 81, and a bypass passage 202 for discharging the off gas of the air after power generation.

【0036】図3に示すように、燃料電池8の電解質膜
80aの湿分を検出する燃料電池加湿状態検出手段とし
て機能する荷重計100が設けられている。荷重計10
0の検出原理は特に限定されるものではなく、ロードセ
ル式、歪みゲージ式、圧電式、磁歪式などを問わず、要
するに燃料電池8の積層方向における荷重変化を検出で
きるものであれば良い。燃料電池8が湿潤したときに
は、積層方向に寸法が増大して荷重が増加する場合と、
積層方向の寸法はあまり増大しないが、荷重が増加する
場合とがある。荷重計であれば、両者に対処することが
できる。
As shown in FIG. 3, there is provided a load cell 100 which functions as a fuel cell humidified state detecting means for detecting the moisture content of the electrolyte membrane 80a of the fuel cell 8. Load cell 10
The detection principle of 0 is not particularly limited, and may be a load cell type, a strain gauge type, a piezoelectric type, a magnetostrictive type, or the like as long as the load change in the stacking direction of the fuel cell 8 can be detected. When the fuel cell 8 gets wet, the dimension increases in the stacking direction and the load increases,
The dimension in the stacking direction does not increase so much, but the load may increase. If it is a load cell, both can be dealt with.

【0037】荷重計100の検出部100mは、燃料電
池8の積層方向の荷重を受け得るように、燃料電池8に
対向する対向部として機能するプレッシャプレート85
と燃料電池8の積層方向の端部81sとの間に介在され
ている。殊に検出部100mは、プレッシャプレート8
5の中央域と燃料電池8の積層方向の端部81sの中央
域との間に介在されている。荷重計100は、燃料電池
8の積層方向における荷重変化を検出し、その検出信号
を制御部39に信号線39mを介して検出部100mを
有する。
The detecting portion 100m of the load cell 100 functions as a facing portion facing the fuel cell 8 so as to receive the load in the stacking direction of the fuel cell 8.
And the end portion 81s of the fuel cell 8 in the stacking direction. Especially, the detection part 100m is used for the pressure plate 8
5 and the center area of the end portion 81s of the fuel cell 8 in the stacking direction. The load meter 100 detects a load change in the stacking direction of the fuel cells 8 and has a detection unit 100m for detecting the detection signal via the signal line 39m to the control unit 39.

【0038】燃料電池8のスタック81の流路における
湿分が過剰になると、電解質膜80aが湿潤に伴って積
層方向に膨潤するため、荷重計100で検出する荷重が
増大する。これに対して燃料電池8のスタック81の流
路における湿分が不足すると、燃料電池8のスタック8
1は積層方向において収縮気味となるため、荷重計10
0で検出する荷重が減少する。このように荷重計100
で計測される荷重値により、燃料電池8の電解質膜80
aの湿分状態を検出することができる。燃料電池8のサ
イズにもよるが、一般的には荷重値はkgf,tonf
の単位である。
When the moisture content in the flow path of the stack 81 of the fuel cell 8 becomes excessive, the electrolyte membrane 80a swells in the stacking direction as it wets, so that the load detected by the load meter 100 increases. On the other hand, when the moisture content in the flow path of the stack 81 of the fuel cell 8 is insufficient, the stack 8 of the fuel cell 8
Since No. 1 contracts in the stacking direction, the load cell 10
The load detected at 0 decreases. In this way, the load cell 100
The electrolyte membrane 80 of the fuel cell 8 is determined by the load value measured at
The moisture state of a can be detected. Generally, the load value is kgf, tonf, although it depends on the size of the fuel cell 8.
Is a unit of.

【0039】本実施例によれば、荷重計100によって
検出された燃料電池8の積層方向の寸法変化に関する荷
重値の計測値が所定値以内であるとき、加湿制御手段
は、燃料電池8を加湿する必要があると判定する。この
とき加湿制御手段は逃がしバルブ210を閉鎖する。こ
れにより、燃料電池8の空気極から吐出される発電後の
空気のオフガス(湿分を含む)を加湿部20の第2通路
20sに流すものの、バイパス通路202には流さな
い。この場合、発電後の空気のオフガス(湿分を含む)
が加湿部20の第2通路20sに流れる量が確保される
ため、加湿部材20nは加湿される。故に、燃料電池8
に向かう発電前の空気は加湿部材20nにより良好に加
湿され、燃料電池8の内部の乾燥し過ぎが抑制される。
According to the present embodiment, the humidification control means humidifies the fuel cell 8 when the measured load value, which is detected by the load cell 100 and is related to the dimensional change of the fuel cell 8 in the stacking direction, is within the predetermined value. Determine that it is necessary to do. At this time, the humidification control means closes the escape valve 210. As a result, the off gas (including moisture) of the air after power generation, which is discharged from the air electrode of the fuel cell 8, flows into the second passage 20s of the humidifying section 20, but does not flow into the bypass passage 202. In this case, off-gas (including moisture) of the air after power generation
Since the amount of flowing into the second passage 20s of the humidifying section 20 is secured, the humidifying member 20n is humidified. Therefore, the fuel cell 8
The air before power generation toward is satisfactorily humidified by the humidifying member 20n, and excessive drying of the inside of the fuel cell 8 is suppressed.

【0040】これに対して荷重計100によって検出さ
れた荷重値の計測値が増加しているとき、加湿制御手段
は、燃料電池8の内部の加湿がやや進行していると判定
する。このとき加湿制御手段は逃がしバルブ210の開
放量を増加させる。これにより、燃料電池8から吐出さ
れる発電後の空気のオフガス(湿分を含む)の一部がバ
イパス通路202に流される。この場合、燃料電池8の
空気極から吐出された発電後の空気のオフガス(湿分を
含む)は、加湿部20の第2通路20sにも流れるもの
の、加湿部20の第2通路20sに流れる量が低減さ
れ、従って加湿部材20nの湿分量はやや低下される。
故に、燃料電池8に向かう第1通路20f内の発電前の
空気は、その加湿量が低減され、ひいては燃料電池8の
内部の加湿過剰が抑制される。
On the other hand, when the measured value of the load value detected by the load meter 100 is increasing, the humidification control means determines that the inside of the fuel cell 8 is slightly humidified. At this time, the humidification control means increases the opening amount of the relief valve 210. As a result, part of the off gas (including moisture) of the air after power generation, which is discharged from the fuel cell 8, is caused to flow into the bypass passage 202. In this case, the off-gas (including moisture) of the air after power generation, which is discharged from the air electrode of the fuel cell 8, also flows into the second passage 20s of the humidifying unit 20, although it flows into the second passage 20s of the humidifying unit 20. Therefore, the amount of moisture in the humidifying member 20n is slightly reduced.
Therefore, the amount of humidification of the air before power generation in the first passage 20f toward the fuel cell 8 is reduced, and excessive humidification inside the fuel cell 8 is suppressed.

【0041】更に、荷重計100によって検出された荷
重値の計測値が更に増加しているとき、加湿制御手段
は、燃料電池8の内部の加湿がかなり進行していると判
定する。このとき加湿制御手段は逃がしバルブ210の
開放量を更に増加させる。これにより、燃料電池8の空
気極から吐出される発電後の空気のオフガス(湿分を含
む)のかなりの量がバイパス通路202に流される。こ
の場合、燃料電池8の空気極から吐出された発電後の空
気のオフガス(湿分を含む)は加湿部20の第2通路2
0sにも流れるものの、加湿部20の第2通路20sに
流れる量が更に低減され、ひいては加湿部材20nの湿
分量は更に低下される。故に、燃料電池8の空気極に向
かう第1通路20f内の発電前の空気の加湿量が更に低
減され、燃料電池8の内部の加湿過剰が抑制される。
Further, when the measured value of the load value detected by the load meter 100 is further increasing, the humidification control means determines that the inside of the fuel cell 8 is considerably humidified. At this time, the humidification control means further increases the opening amount of the relief valve 210. As a result, a considerable amount of off-gas (including moisture) of the air after power generation, which is discharged from the air electrode of the fuel cell 8, is caused to flow into the bypass passage 202. In this case, the off gas (including moisture) of the air after power generation, which is discharged from the air electrode of the fuel cell 8, receives the second passage 2 of the humidifying section 20.
Although flowing for 0 s, the amount flowing through the second passage 20 s of the humidifying section 20 is further reduced, and the amount of moisture of the humidifying member 20 n is further reduced. Therefore, the humidification amount of the air before power generation in the first passage 20f toward the air electrode of the fuel cell 8 is further reduced, and excessive humidification inside the fuel cell 8 is suppressed.

【0042】更にまた、荷重計100によって検出され
た荷重値の計測値が更に一層増加しているとき、加湿制
御手段は、燃料電池8の内部は加湿過剰状態であると判
定する。このとき加湿制御手段は逃がしバルブ210の
開放度を100%とする。これにより、燃料電池から吐
出される発電後の空気のオフガス(湿分を含む)のかな
りの量がバイパス通路202に流される。この場合、発
電後の空気のオフガス(湿分を含む)が加湿部20の第
2通路20sを流れる量が減るため、加湿部材20nの
湿分量は更に低下される。故に、燃料電池8の空気極に
向かう発電前の第1通路20fの空気の加湿量が更に低
減され、ひいては燃料電池8の内部の加湿過剰が抑制さ
れる。なお加湿制御手段は制御部39においてソフト的
に構成されている。
Furthermore, when the measured value of the load value detected by the load meter 100 is further increasing, the humidification control means determines that the inside of the fuel cell 8 is in the excessive humidification state. At this time, the humidification control means sets the opening degree of the relief valve 210 to 100%. As a result, a considerable amount of off-gas (including moisture) of the air after power generation discharged from the fuel cell is caused to flow into the bypass passage 202. In this case, the amount of off-gas (including moisture) of the air after power generation flowing through the second passage 20s of the humidifying section 20 is reduced, so that the amount of moisture of the humidifying member 20n is further reduced. Therefore, the humidification amount of the air in the first passage 20f before power generation toward the air electrode of the fuel cell 8 is further reduced, and excessive humidification inside the fuel cell 8 is suppressed. The humidification control means is configured as software in the control unit 39.

【0043】(制御)図5に示すように、制御部39
は、荷重計100からの検出信号(S1,S2)が入力
される入力処理回路39aと、CPUを含む制御回路3
9bと、逃がしバルブ210に制御信号を出力する出力
処理回路39cと、メモリ39eとをもつ。逃がしバル
ブ210の開放量に関する荷重計100の荷重値の目標
値は、メモリ39e(記憶手段)に記憶されている。本
実施例の制御は燃料電池8のスタック81の内部におけ
る湿分が適正範囲となり、電解質膜80aの湿分が適正
範囲となるように制御するものである。
(Control) As shown in FIG.
Is an input processing circuit 39a to which the detection signals (S1, S2) from the load cell 100 are input, and a control circuit 3 including a CPU.
9b, an output processing circuit 39c for outputting a control signal to the relief valve 210, and a memory 39e. The target value of the load value of the load meter 100 regarding the opening amount of the relief valve 210 is stored in the memory 39e (storage means). The control of the present embodiment is performed so that the moisture content inside the stack 81 of the fuel cell 8 is within the proper range and the moisture content of the electrolyte membrane 80a is within the proper range.

【0044】図6は燃料電池8の運転におけるバイパス
処理に関するフローチャートの一例を示す。まず荷重計
100の荷重値の目標値α1,α2をメモリ39eから
読込む(ステップS102,荷重値目標値読込手段,物
理量目標値読込手段)。更に荷重計10で計測されてい
る荷重値の計測値αを読み込む(ステップS104,荷
重値計測値読込手段,物理量計測値読込手段)。そし
て、荷重値で計測された荷重値の計測値αと、予めメモ
リ39eに記憶されている荷重値の目標値α1とを比較
する(ステップS106,比較手段)。燃料電池8の内
部の加湿状態が乾き過ぎ、つまり『加湿必要大』と判定
されるときには、逃がしバルブ210を閉鎖する(ステ
ップS108)。これにより燃料電池8の空気極から吐
出される発電後のオフガスの全部を加湿部20の第2通
路20sに流す。この場合、発電後のオフガスはバイパ
ス通路202には流れない。
FIG. 6 shows an example of a flow chart regarding the bypass process in the operation of the fuel cell 8. First, the target values α1 and α2 of the load values of the load meter 100 are read from the memory 39e (step S102, load value target value reading means, physical quantity target value reading means). Further, the measured value α of the load value measured by the load meter 10 is read (step S104, load value measured value reading means, physical quantity measured value reading means). Then, the measured value α of the load value measured by the load value is compared with the target value α1 of the load value stored in advance in the memory 39e (step S106, comparison means). When the humidified state inside the fuel cell 8 is too dry, that is, when it is determined that "humidification is necessary", the relief valve 210 is closed (step S108). As a result, all of the off-gas after power generation discharged from the air electrode of the fuel cell 8 flows into the second passage 20s of the humidifying section 20. In this case, the off gas after power generation does not flow into the bypass passage 202.

【0045】更に、ステップS106において燃料電池
8の乾き過ぎと判定されないときには、荷重値の計測値
αと、予めメモリ39eに記憶されている荷重値の目標
値α2とを比較する(ステップS120,比較手段)。
そして燃料電池8の内部の加湿状態は加湿の必要性があ
るものの、やや加湿気味と判定されるときには、逃がし
バルブ210の開放量を増加させ(ステップS12
2)、燃料電池8の空気極から吐出される発電後のオフ
ガスを加湿部20の第2通路20sに流しつつ、そのオ
フガスの一部をバイパス通路202に流す。
Furthermore, when it is not determined in step S106 that the fuel cell 8 is too dry, the measured load value α is compared with the target load value α2 stored in the memory 39e in advance (step S120, comparison). means).
Although the inside of the fuel cell 8 needs to be humidified, the amount of opening of the relief valve 210 is increased (step S12) when it is judged to be slightly humidified.
2) While flowing the off gas after power generation discharged from the air electrode of the fuel cell 8 into the second passage 20s of the humidifying section 20, a part of the off gas is caused to flow into the bypass passage 202.

【0046】更に、燃料電池8の内部が加湿過剰と判定
されるときには、逃がしバルブ210の開放量を更に増
加させ(ステップS132)、燃料電池8の空気極から
吐出される発電後のオフガスを加湿部20の第2通路2
0sに流すことをやめ、そのオフガスの全部を加湿部2
0を迂回させてバイパス通路202を経て熱交換部19
に流す。このように発電後の湿分を有するオフガスが加
湿部20を迂回するため、加湿部20の加湿部材20n
の湿分量が更に低減され、燃料電池8の内部の加湿過剰
が防止される。なおステップS102〜ステップS13
2は加湿制御手段を構成する。
Further, when it is determined that the inside of the fuel cell 8 is excessively humidified, the opening amount of the relief valve 210 is further increased (step S132), and the off gas after power generation discharged from the air electrode of the fuel cell 8 is humidified. Second passage 2 of section 20
Stop flowing for 0 s, and remove all of the off-gas from the humidifying section 2.
0 is bypassed and the heat exchange part 19 is passed through the bypass passage 202.
Shed on. In this way, since the off-gas having the moisture content after power generation bypasses the humidifying section 20, the humidifying member 20n of the humidifying section 20
The moisture content of the fuel cell 8 is further reduced, and excessive humidification inside the fuel cell 8 is prevented. Note that steps S102 to S13
Reference numeral 2 constitutes a humidification control means.

【0047】ところで図7は燃料電池8の出力と加湿状
態との関係を模式的に示す。図7の横軸は燃料電池8の
内部の加湿量を示し、縦軸は燃料電池8の出力状態を示
す。図7の特性線Aに示すように、燃料電池8の内部の
加湿状態が進行するにつれて、燃料電池8の出力電圧は
次第に増加し、燃料電池8が出力ピークを示す最適加湿
域AMが存在する。しかしながら燃料電池8の最適加湿
域AMを越えると、加湿量がわずかに増加しても、燃料
電池8の出力は急激に低下する傾向があることを本発明
者は知見した。そこで本発明者は、燃料電池8が出力ピ
ークを示す最適加湿域AMよりも、燃料電池8の内部が
ΔAぶん乾き気味となる状態で燃料電池8を運転するよ
うに、目標値α1,α2を設定している。このため、燃
料電池8の運転中において燃料電池8の出力の急激低下
を抑えることができ、安定的な運転に有利となる。
By the way, FIG. 7 schematically shows the relationship between the output of the fuel cell 8 and the humidified state. The horizontal axis of FIG. 7 represents the humidification amount inside the fuel cell 8, and the vertical axis represents the output state of the fuel cell 8. As indicated by the characteristic line A in FIG. 7, as the humidification state inside the fuel cell 8 progresses, the output voltage of the fuel cell 8 gradually increases, and there exists an optimum humidification area AM in which the fuel cell 8 exhibits an output peak. . However, the present inventor has found that the output of the fuel cell 8 tends to drastically decrease beyond the optimum humidification area AM of the fuel cell 8 even if the humidification amount slightly increases. Therefore, the present inventor sets the target values α1 and α2 so that the fuel cell 8 is operated in a state where the inside of the fuel cell 8 is slightly ΔA dry rather than the optimum humidification area AM where the fuel cell 8 shows an output peak. It is set. Therefore, it is possible to suppress a sharp decrease in the output of the fuel cell 8 during the operation of the fuel cell 8, which is advantageous for stable operation.

【0048】また燃料電池8の累積運転時間が長くなる
につれて燃料電池8の内部の素材におけるへたり等が発
生する。このため燃料電池8の累積運転時間が過剰に長
くなると、膨潤しても燃料電池8の寸法や荷重は増加し
にくくなる。そこで本実施例によれば、図8に示すよう
に、燃料電池8の累積運転時間を計測する(ステップS
202,累積運転時間計測手段)。そして燃料電池8の
累積運転時間が所定の更新時間を越えると、目標値α
1,α2に劣化補正係数を乗じることにより、目標値α
1,α2を低減させ、これを新しい目標値として更新す
る(ステップS204,206,目標値更新手段)。
Further, as the cumulative operating time of the fuel cell 8 becomes longer, the material inside the fuel cell 8 becomes sagged. Therefore, if the cumulative operating time of the fuel cell 8 becomes excessively long, the size and load of the fuel cell 8 are unlikely to increase even if the fuel cell 8 swells. Therefore, according to the present embodiment, as shown in FIG. 8, the cumulative operating time of the fuel cell 8 is measured (step S
202, means for measuring cumulative operating time). When the cumulative operating time of the fuel cell 8 exceeds the predetermined update time, the target value α
1 and α2 are multiplied by the deterioration correction coefficient to obtain the target value α
1 and α2 are reduced and updated as new target values (steps S204, 206, target value updating means).

【0049】(第2実施例)図9は第2実施例を示す。
第2実施例は前記した第1実施例と基本的には同様の構
成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。以下相
違する部分を中心として説明する。第2実施例は図1、
図3〜図5を準用することができる。同一機能を奏する
部位には同一の符号を付する。図9に示す第2実施例に
よれば、バイパス通路202,逃がし弁210が設けら
れている他に、発電前の空気を燃料電池8の空気極に供
給するための空気供給通路16には、加湿部20を通過
しないように加湿部20を迂回する第2バイパス通路2
25が設けられている。
(Second Embodiment) FIG. 9 shows a second embodiment.
The second embodiment has basically the same configuration as the above-mentioned first embodiment, and basically has the same operational effect. The difference will be mainly described below. The second embodiment is shown in FIG.
3 to 5 can be applied correspondingly. The parts having the same function are designated by the same reference numerals. According to the second embodiment shown in FIG. 9, in addition to the bypass passage 202 and the relief valve 210 being provided, the air supply passage 16 for supplying air before power generation to the air electrode of the fuel cell 8 includes: The second bypass passage 2 that bypasses the humidifying section 20 so as not to pass through the humidifying section 20.
25 are provided.

【0050】第2バイパス通路225の一端225aは
空気供給通路16のうち加湿部20の下流に連通してい
ると共に、第2バイパス通路225の他端225cは空
気供給通路16のうち加湿部20の上流に連通してい
る。第2バイパス通路225には第2逃がしバルブ23
0が設けられている。第2逃がしバルブ230は、第2
バイパス通路225に流れる発電前の空気のガス量を可
変とするものであり、ガス通過量変更手段として機能す
るものである。第2逃がしバルブ230の開放量は複数
段階または無段階に調整可能とされている。
One end 225a of the second bypass passage 225 communicates with the downstream of the humidifying section 20 of the air supply passage 16, and the other end 225c of the second bypass passage 225 of the humidifying section 20 of the air supply passage 16. It communicates with the upstream. The second bypass valve 225 includes a second relief valve 23.
0 is provided. The second relief valve 230 has a second
The gas amount of the air before power generation flowing in the bypass passage 225 is made variable, and it functions as a gas passage amount changing means. The opening amount of the second relief valve 230 can be adjusted in multiple steps or infinitely.

【0051】荷重計100によって検出された燃料電池
8の積層方向の荷重値の計測値が所定値以内であると
き、加湿制御手段は、燃料電池8を加湿する必要がある
と判定する。このとき加湿制御手段は逃がしバルブ21
0及び第2逃がしバルブ230の双方を閉鎖する。これ
により、燃料電池8の空気極から吐出される発電後の空
気のオフガス(湿分を含む)を加湿部20の第2通路2
0sに流すものの、バイパス通路202には流さない。
更に空気供給通路16に沿って燃料電池8に向かう発電
前の空気を、第2バイパス通路225に流さない。
When the measured load value in the stacking direction of the fuel cell 8 detected by the load meter 100 is within a predetermined value, the humidification control means determines that the fuel cell 8 needs to be humidified. At this time, the humidification control means releases the relief valve 21.
Both 0 and the second relief valve 230 are closed. As a result, the off-gas (including moisture) of the air after power generation discharged from the air electrode of the fuel cell 8 is supplied to the second passage 2 of the humidifying section 20.
Although it flows for 0 s, it does not flow for the bypass passage 202.
Further, the air before power generation, which goes toward the fuel cell 8 along the air supply passage 16, is not allowed to flow into the second bypass passage 225.

【0052】これに対して荷重計100によって検出さ
れた荷重値の計測値が増加しているとき、加湿制御手段
は、燃料電池8の内部の加湿がやや進行していると判定
する。このとき加湿制御手段は逃がしバルブ210の開
放量を増加させる。これにより、燃料電池8から吐出さ
れる発電後の空気のオフガス(湿分を含む)の一部がバ
イパス通路202に流される。この場合、第2逃がしバ
ルブ230は閉鎖していても良いし、あるいは、少し開
放しても良い。
On the other hand, when the measured value of the load value detected by the load meter 100 is increasing, the humidification control means determines that the inside of the fuel cell 8 is slightly humidified. At this time, the humidification control means increases the opening amount of the relief valve 210. As a result, part of the off gas (including moisture) of the air after power generation, which is discharged from the fuel cell 8, is caused to flow into the bypass passage 202. In this case, the second relief valve 230 may be closed or may be slightly opened.

【0053】更に、荷重計100によって検出された荷
重値の計測値が更に一層増加しているとき、加湿制御手
段は、燃料電池8の内部は加湿過剰状態であると判定す
る。このとき加湿制御手段は逃がしバルブ210の開放
度を増加させると共に、第2逃がしバルブ230の開放
量を増加させる。これにより、燃料電池8の空気極から
吐出される発電後の空気のオフガス(湿分を含む)のか
なりの量がバイパス通路202に流され、加湿部材20
nの湿分量は更に低下される。更に、空気供給通路16
において燃料電池8に向かう発電前の空気は、加湿部2
0の第1通路20fを迂回して第2バイパス通路225
にも流れる。このように加湿部20の第1通路20fを
迂回して燃料電池8の空気極に供給される空気量が増加
するため、燃料電池8の内部の加湿過剰が効果的に抑制
される。故に、燃料電池8の加湿過剰を防止する際の応
答性が向上する。
Further, when the measured value of the load value detected by the load meter 100 is further increasing, the humidification control means determines that the inside of the fuel cell 8 is in the excessive humidification state. At this time, the humidification control unit increases the opening degree of the relief valve 210 and increases the opening amount of the second relief valve 230. As a result, a considerable amount of the off-gas (including moisture) of the air after power generation, which is discharged from the air electrode of the fuel cell 8, is caused to flow into the bypass passage 202, and the humidifying member 20.
The moisture content of n is further reduced. Further, the air supply passage 16
In the air before power generation toward the fuel cell 8 in the
0 bypassing the first passage 20f to bypass the second bypass passage 225
Also flows. In this way, the amount of air supplied to the air electrode of the fuel cell 8 by bypassing the first passage 20f of the humidifying section 20 increases, so that excessive humidification inside the fuel cell 8 is effectively suppressed. Therefore, the responsiveness in preventing excessive humidification of the fuel cell 8 is improved.

【0054】(第3実施例)図10は第3実施例を示
す。第3実施例は前記した実施例と基本的には同様の構
成であり、以下相違する部分を中心として説明する。第
3実施例においては図10に示すように、バイパス通路
202の一端202aは、燃料電池8の空気極側のマニ
ホルド8mの底部に連通している。バイパス通路202
の他端202cは、加湿器20を迂回するように、空気
オフガス通路18のうち加湿器20の下流側に連通して
いる。このため逃がしバルブ210が開放したとき、バ
イパス通路202は、燃料電池8のマニホルド8mの底
部に溜まった水をマニホルド8m外に排出させるドレイ
ン機能も兼ねることができる。なお逃がしバルブ210
が閉鎖しているときには、燃料電池8から吐出される発
電後のオフガスは、バイパス通路202を流れず、空気
オフガス通路18、加湿部20の第2通路20s、熱交
換器19を経て吐出される。
(Third Embodiment) FIG. 10 shows a third embodiment. The third embodiment has basically the same configuration as the above-mentioned embodiments, and the different points will be mainly described below. In the third embodiment, as shown in FIG. 10, one end 202a of the bypass passage 202 communicates with the bottom of the manifold 8m on the air electrode side of the fuel cell 8. Bypass passage 202
The other end 202c of the air passage is connected to the downstream side of the humidifier 20 in the air off-gas passage 18 so as to bypass the humidifier 20. Therefore, when the relief valve 210 is opened, the bypass passage 202 can also serve as a drain function for discharging the water accumulated at the bottom of the manifold 8m of the fuel cell 8 to the outside of the manifold 8m. Relief valve 210
When the fuel cell 8 is closed, the off-gas discharged from the fuel cell 8 after power generation does not flow through the bypass passage 202 but is discharged through the air off-gas passage 18, the second passage 20s of the humidifying section 20, and the heat exchanger 19. .

【0055】(他の実施例)以下述べる他の実施例は、
前記した実施例と同様の構成であり、同様の作用効果を
奏する。以下相違する部分を中心として説明する。同一
機能を奏する部位には同一の符号を付する。図11に示
す実施例によれば、燃料電池8の電解質膜80aの湿分
を検出する燃料電池加湿状態検出手段として荷重計10
0が設けられている。荷重計100は、プレッシャプレ
ート85とスタック81との間にバネ部材100wと共
に介在されている。バネ部材100wは、燃料電池8の
積層方向における過剰負荷を軽減する過剰負荷軽減手段
として機能できるものである。バネ部材100wは、弾
性変形可能な部材、例えば、皿バネ、板バネ、コイルバ
ネ等のバネ、ゴム体、発泡体等の少なくとも一方で形成
することができる。燃料電池8の積層方向の寸法増大が
過剰なとき、バネ部材100wは、燃料電池8の内部に
作用する過剰負荷を軽減させる。
(Other Embodiments) Other embodiments described below are as follows.
The configuration is the same as that of the above-described embodiment, and the same operational effect is obtained. The difference will be mainly described below. The parts having the same function are designated by the same reference numerals. According to the embodiment shown in FIG. 11, the load cell 10 is used as the fuel cell humidified state detecting means for detecting the moisture content of the electrolyte membrane 80a of the fuel cell 8.
0 is provided. The load cell 100 is interposed between the pressure plate 85 and the stack 81 together with the spring member 100w. The spring member 100w can function as an excessive load reducing means for reducing an excessive load in the stacking direction of the fuel cells 8. The spring member 100w can be formed of at least one of an elastically deformable member, for example, a spring such as a disc spring, a leaf spring, and a coil spring, a rubber body, a foam body, or the like. When the size increase of the fuel cell 8 in the stacking direction is excessive, the spring member 100w reduces the excessive load acting on the inside of the fuel cell 8.

【0056】図12に示す実施例によれば、燃料電池加
湿状態検出手段として、燃料電池8の積層方向の寸法変
化または荷重変化を応力歪により検出する検出部102
mを有する応力状態検出手段102を用いている。プレ
ッシャプレート85と燃料電池8との間にはスペーサ部
材85aが介在している。検出部102mは歪みゲージ
であり、ロッド86の表面に設けられている。湿分増加
に伴い燃料電池8が湿潤してこれの積層方向に膨潤する
とき、ロッド86に作用する引張力が増加する。歪みゲ
ージである検出部102mはこれを検出する。この信号
は信号線39mを介して制御部39に入力される。これ
により燃料電池8の内部の加湿状態または乾き状態を検
出することができる。複数のロッド86のうちの少なく
とも1本に検出部102mを有する応力状態検出手段1
02を用いることができる。
According to the embodiment shown in FIG. 12, as the fuel cell humidified state detecting means, a detecting portion 102 for detecting a dimensional change or a load change in the stacking direction of the fuel cell 8 by stress strain.
The stress state detecting means 102 having m is used. A spacer member 85a is interposed between the pressure plate 85 and the fuel cell 8. The detection unit 102m is a strain gauge and is provided on the surface of the rod 86. When the fuel cell 8 gets wet and swells in the stacking direction as the moisture content increases, the tensile force acting on the rod 86 increases. The detection unit 102m, which is a strain gauge, detects this. This signal is input to the control unit 39 via the signal line 39m. This makes it possible to detect the humidified state or the dry state inside the fuel cell 8. Stress state detecting means 1 having a detecting portion 102m on at least one of the plurality of rods 86
02 can be used.

【0057】図13に示す実施例においては、燃料電池
加湿状態検出手段として、燃料電池8のスタック81の
積層方向の寸法変化を検出する検出部103mを有する
長さ検出手段103を用いている。検出部103mはリ
ニアポテンショメータなどの距離変化センサで形成され
ている。検出部103mの検出信号は信号線39mを介
して制御部39に入力される。これにより燃料電池8の
内部の加湿状態または乾き状態を検出することができ
る。必要に応じて、スタック81の積層方向の寸法変化
を拡大する変化拡大機構を設けることができる。
In the embodiment shown in FIG. 13, the length detecting means 103 having a detecting portion 103m for detecting a dimensional change in the stacking direction of the stack 81 of the fuel cell 8 is used as the fuel cell humidified state detecting means. The detection unit 103m is formed by a distance change sensor such as a linear potentiometer. The detection signal of the detection unit 103m is input to the control unit 39 via the signal line 39m. This makes it possible to detect the humidified state or the dry state inside the fuel cell 8. If necessary, a change magnifying mechanism for magnifying the dimensional change of the stack 81 in the stacking direction can be provided.

【0058】図14に示す実施例においては、燃料電池
加湿状態検出手段として機能する長さ検出手段104が
設けられている。長さ検出手段104の検出部104m
は、スタック81の端部81sに向けて検査光(レーザ
ビームなど)を燃料電池8の積層方向と交差する方向に
沿って発光させる発光部104aと、発光部104aか
らの光を受光する受光部104cとを有する。燃料電池
8の積層方向の寸法変化は、受光部104cにおける受
光量の大小として検出される。これにより燃料電池8の
内部の加湿状態または乾き状態を、燃料電池8に対して
非接触で検出することができる。
In the embodiment shown in FIG. 14, length detecting means 104 which functions as fuel cell humidified state detecting means is provided. Detection unit 104m of the length detection means 104
Is a light emitting portion 104a for emitting inspection light (laser beam or the like) toward the end portion 81s of the stack 81 along a direction intersecting the stacking direction of the fuel cell 8, and a light receiving portion for receiving light from the light emitting portion 104a. 104c. The dimensional change in the stacking direction of the fuel cell 8 is detected as the amount of light received by the light receiving unit 104c. As a result, the humidified state or the dry state inside the fuel cell 8 can be detected without contacting the fuel cell 8.

【0059】図15に示す実施例においては、燃料電池
加湿状態検出手段として、静電容量変化を検出する検出
部としての極板105a,105bを有する静電容量検
出手段105を用いている。湿分増加に基づいて燃料電
池8の積層方向の長さの変化が生じると、極板105
a,105b間の静電容量が変化するため、その信号が
信号線39mを介して制御部39に入力される。これに
より湿分増加に基づく燃料電池8の積層方向の寸法変化
を検出でき、ひいては燃料電池8の内部の加湿状態また
は乾き状態を検出できる。
In the embodiment shown in FIG. 15, the capacitance detecting means 105 having the electrode plates 105a and 105b as the detecting portions for detecting the capacitance change is used as the fuel cell humidification state detecting means. When the length of the fuel cell 8 in the stacking direction changes due to the increase in moisture, the electrode plate 105
Since the electrostatic capacitance between a and 105b changes, the signal is input to the control unit 39 via the signal line 39m. As a result, it is possible to detect a dimensional change in the stacking direction of the fuel cell 8 due to an increase in moisture content, and thus to detect a humidified state or a dry state inside the fuel cell 8.

【0060】図16に示す実施例においては、燃料電池
加湿状態検出手段として、磁気変化を検出する検出部と
しての磁石部106a,磁気を検知する検知部106b
を有する磁気検出手段106を用いている。湿分増加に
基づいて燃料電池8の積層方向の長さの変化が生じる
と、検知部106bが検知する磁気が変化するため、そ
の信号が信号線39mを介して制御部39に入力され
る。これにより湿分増加に基づく燃料電池8の積層方向
の寸法変化を検出でき、ひいては燃料電池8の内部の加
湿状態または乾き状態を検出できる。
In the embodiment shown in FIG. 16, the fuel cell humidifying state detecting means is a magnet section 106a as a detecting section for detecting a magnetic change, and a detecting section 106b for detecting magnetism.
The magnetic detection means 106 having When the length of the fuel cell 8 in the stacking direction changes due to the increase in humidity, the magnetism detected by the detection unit 106b changes, and the signal is input to the control unit 39 via the signal line 39m. As a result, it is possible to detect a dimensional change in the stacking direction of the fuel cell 8 due to an increase in moisture content, and thus to detect a humidified state or a dry state inside the fuel cell 8.

【0061】(その他)上記した実施例では、燃料電池
8からのオフガスを加湿部20を迂回させるように逃が
しバルブ210がバイパス通路202に設けられている
が、燃料電池8からのオフガスを加湿部20を迂回させ
る位置であれば、逃がしバルブ210はどこに設けられ
ていても良く、例えば、バイパス通路202と空気オフ
ガス通路18との接続部分に設けられていても良い。上
記した実施例ではバイパス通路202に逃がしバルブ2
10が設けられているが、これに代えて空気搬送用のポ
ンプを設け、バイパス通路202へ流す空気量をポンプ
の回転数により可変としても良い。上記した実施例では
燃料電池8の空気極に供給される反応ガスである空気を
加湿する加湿部20に適用されているが、場合によって
は、図示はしないものの、燃料電池8の燃料極に供給さ
れる反応ガスである燃料系ガスを加湿する加湿部に適用
することにしても良い。上記した実施例は定置用の燃料
電池システムに適用しているが、これに限らず、車両に
搭載される燃料電池システムに適用しても良い。上記し
た実施例は高分子電解質形の膜を有する燃料電池システ
ムに適用しているが、これに限られるものではない。燃
料として燃料系ガス(都市ガス等)を用いているが、こ
れに限られるものではない。酸化剤ガスとして空気を用
いているが、酸素富化ガスでも良い。その他、本発明は
上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を
逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものであ
る。
(Others) In the above embodiment, the escape valve 210 is provided in the bypass passage 202 so that the off gas from the fuel cell 8 bypasses the humidifying section 20, but the off gas from the fuel cell 8 is humidified by the humidifying section. The relief valve 210 may be provided anywhere as long as the bypass 20 is bypassed, for example, may be provided at a connection portion between the bypass passage 202 and the air off-gas passage 18. In the embodiment described above, the relief valve 2 is provided in the bypass passage 202.
Although 10 is provided, instead of this, a pump for air transportation may be provided, and the amount of air flowing into the bypass passage 202 may be variable depending on the rotation speed of the pump. In the above-described embodiment, the humidifying unit 20 that humidifies the air, which is the reaction gas supplied to the air electrode of the fuel cell 8, is applied, but depending on the case, although not shown, it is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 8. It may be applied to a humidifying section for humidifying the fuel gas, which is the reaction gas. Although the above-described embodiment is applied to the stationary fuel cell system, the present invention is not limited to this, and may be applied to a fuel cell system mounted on a vehicle. The above embodiment is applied to a fuel cell system having a polymer electrolyte membrane, but the invention is not limited to this. Fuel-based gas (such as city gas) is used as the fuel, but the fuel is not limited to this. Although air is used as the oxidant gas, an oxygen-enriched gas may be used. Besides, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with appropriate modifications within the scope not departing from the gist.

【0062】上記した記載から次の技術的思想も把握で
きる。 (付記項1)各請求項において、燃料電池の積層方向に
おける過剰負荷を軽減する過剰負荷軽減手段を具備する
ことを特徴とする燃料電池発電システム。 (付記項2)各請求項において、加湿制御手段は、燃料
電池が最高出力を示す最適加湿域よりも、燃料電池の内
部が乾き気味領域において燃料電池を運転することを特
徴とする燃料電池発電システム。この場合、燃料電池が
最高出力を示す最適加湿域よりも、燃料電池の内部が乾
き気味領域となるように、荷重値の目標値または燃料電
池の積層方向の寸法目標値を設定する。 (付記項3)付記項2において、加湿部を経て発電前の
反応ガスを燃料電池に供給する通路と、加湿部を経ない
で発電前の反応ガスを燃料電池に供給するバイパス通路
とを具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
発電前の反応ガスを加湿部を経ないで燃料電池に供給で
きる。このため、燃料電池の出力ピークを示す最適加湿
領域よりもわずかに乾き気味に維持するのに有利とな
る。
The following technical idea can be understood from the above description. (Additional Item 1) In each claim, the fuel cell power generation system is provided with an excessive load reducing means for reducing an excessive load in the stacking direction of the fuel cells. (Supplementary Note 2) In each claim, the humidification control means operates the fuel cell in a region where the inside of the fuel cell is dry rather than the optimum humidification region where the fuel cell shows the highest output. system. In this case, the target value of the load value or the dimensional target value in the stacking direction of the fuel cell is set so that the inside of the fuel cell becomes a dry region rather than the optimum humidification region where the fuel cell shows the highest output. (Additional Item 3) In the additional item 2, there is provided a passage for supplying the reaction gas before power generation to the fuel cell through the humidifying portion, and a bypass passage for supplying the reaction gas before power generation to the fuel cell without passing through the humidifying portion. A fuel cell power generation system characterized by:
The reaction gas before power generation can be supplied to the fuel cell without passing through the humidifying section. For this reason, it is advantageous to keep the temperature slightly dry compared to the optimum humidification region where the output peak of the fuel cell is shown.

【0063】[0063]

【発明の効果】本発明に係る燃料電池発電システムによ
れば、燃料電池加湿状態検出手段は、燃料電池の積層方
向の寸法変化または荷重変化に基づいて燃料電池内部の
加湿状態を検出する。燃料電池加湿状態検出手段で検出
された燃料電池の加湿状態に応じて、加湿制御手段は、
燃料電池から加湿部に向かう発電後の反応ガスのオフガ
スの量を可変とする。これにより、加湿部の加湿部材に
おける湿分は可変とされる。この結果、燃料電池に供給
される発電前の反応ガスの加湿状態は可変に制御され、
燃料電池の内部における乾燥し過ぎ、加湿過剰が回避ま
たは抑制される。
According to the fuel cell power generation system of the present invention, the fuel cell humidified state detecting means detects the humidified state inside the fuel cell based on the dimensional change or load change of the fuel cells in the stacking direction. Depending on the humidification state of the fuel cell detected by the fuel cell humidification state detection means, the humidification control means,
The amount of off-gas of the reaction gas after power generation from the fuel cell to the humidifying part is variable. As a result, the moisture content in the humidifying member of the humidifying section is variable. As a result, the humidification state of the reaction gas supplied to the fuel cell before power generation is variably controlled,
Overdrying and excessive humidification inside the fuel cell are avoided or suppressed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】燃料電池システムの概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of a fuel cell system.

【図2】加湿部付近の配管を示す配管図である。FIG. 2 is a piping diagram showing piping near a humidifying section.

【図3】燃料電池付近を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing the vicinity of a fuel cell.

【図4】電池セルの分解斜視図である。FIG. 4 is an exploded perspective view of a battery cell.

【図5】制御部に関係するブロック図である。FIG. 5 is a block diagram related to a control unit.

【図6】燃料電池の加湿部を用いた加湿制御に関するフ
ローチャートである。
FIG. 6 is a flow chart relating to humidification control using a humidification unit of a fuel cell.

【図7】燃料電池の加湿状態と燃料電池の出力との関係
を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the humidified state of the fuel cell and the output of the fuel cell.

【図8】目標値の更新に関するフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart for updating a target value.

【図9】他の実施例に係る加湿部付近の配管を示す配管
図である。
FIG. 9 is a piping diagram showing piping in the vicinity of a humidifying unit according to another embodiment.

【図10】他の実施例に係る加湿部付近の配管を示す配
管図である。
FIG. 10 is a piping diagram showing piping in the vicinity of a humidifying unit according to another embodiment.

【図11】他の実施例に係り、燃料電池加湿状態検出手
段を備えた燃料電池付近を示す平面図である。
FIG. 11 is a plan view showing the vicinity of a fuel cell provided with a fuel cell humidified state detecting means according to another embodiment.

【図12】他の実施例に係り、燃料電池加湿状態検出手
段を備えた燃料電池付近を示す平面図である。
FIG. 12 is a plan view showing the vicinity of a fuel cell provided with a fuel cell humidified state detecting means according to another embodiment.

【図13】他の実施例に係り、燃料電池加湿状態検出手
段を備えた燃料電池付近を示す平面図である。
FIG. 13 is a plan view showing the vicinity of a fuel cell provided with a fuel cell humidification state detecting means according to another embodiment.

【図14】他の実施例に係り、燃料電池加湿状態検出手
段を備えた燃料電池付近を示す平面図である。
FIG. 14 is a plan view showing the vicinity of a fuel cell equipped with a fuel cell humidified state detecting means according to another embodiment.

【図15】他の実施例に係り、燃料電池加湿状態検出手
段を備えた燃料電池付近を示す平面図である。
FIG. 15 is a plan view showing the vicinity of a fuel cell including a fuel cell humidification state detecting means according to another embodiment.

【図16】他の実施例に係り、燃料電池加湿状態検出手
段を備えた燃料電池付近を示す平面図である。
FIG. 16 is a plan view showing the vicinity of a fuel cell equipped with a fuel cell humidification state detecting means according to another embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

図中、8は燃料電池、39は制御部、100は荷重計
(燃料電池加湿状態検出手段)、200はオフガス量可
変手段、202はバイパス通路、210は逃がしバルブ
(ガス通過量変更手段)を示す。
In the figure, 8 is a fuel cell, 39 is a control unit, 100 is a load meter (fuel cell humidification state detecting means), 200 is an off gas amount varying means, 202 is a bypass passage, 210 is a relief valve (gas passage amount changing means). Show.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 國枝 健司 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 後藤 荘吾 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 HH05 HH09 HH10 5H027 AA06 BA01 BA09 DD06 KK31 MM08    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Kenji Kunieda             1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Auto             Car Co., Ltd. (72) Inventor Shogo Goto             1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Auto             Car Co., Ltd. F-term (reference) 5H026 AA06 HH05 HH09 HH10                 5H027 AA06 BA01 BA09 DD06 KK31                       MM08

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】反応ガスで発電する燃料電池と、 反応ガスを前記燃料電池に供給する供給通路と、 発電後の反応ガスのオフガスを前記燃料電池から吐出さ
せるオフガス通路と、 前記供給通路及び前記オフガス通路に接続され、吸湿可
能な加湿部材を有し、前記燃料電池から吐出された発電
後の反応ガスのオフガス中の水分を前記加湿部材が吸湿
すると共に、前記燃料電池に向かう発電前の反応ガスを
前記加湿部材で加湿させる加湿部とを有する燃料電池発
電システムにおいて、 前記燃料電池の湿潤に伴う積層方向の寸法変化または積
層方向の荷重変化を検出すると共に、前記寸法変化また
は前記荷重変化に基づいて前記燃料電池の内部の加湿状
態を検出する燃料電池加湿状態検出手段と、 前記燃料電池加湿状態検出手段で検出された前記燃料電
池の加湿状態に応じて、前記燃料電池から前記加湿部に
向かう発電後の反応ガスのオフガスの量を可変とするこ
とにより、前記加湿部の前記加湿部材における湿分を可
変とし、前記燃料電池に供給される発電前の反応ガスの
加湿状態を制御する加湿制御手段とを具備していること
を特徴とする燃料電池発電システム。
1. A fuel cell for generating power with a reaction gas, a supply passage for supplying the reaction gas to the fuel cell, an offgas passage for discharging offgas of the reaction gas after power generation from the fuel cell, the supply passage and the The humidifying member is connected to the off-gas passage and has a hygroscopic property, and the humidifying member absorbs moisture in the off-gas of the reaction gas discharged from the fuel cell after power generation, and the reaction before power generation toward the fuel cell. In a fuel cell power generation system having a humidifying section for humidifying gas with the humidifying member, while detecting a dimensional change in the stacking direction or a load change in the stacking direction due to wetting of the fuel cell, the dimensional change or the load change A fuel cell humidified state detecting means for detecting a humidified state inside the fuel cell based on the fuel cell; and the fuel detected by the fuel cell humidified state detecting means. By varying the amount of off-gas of the reaction gas after power generation from the fuel cell toward the humidifying section according to the humidification state of the cell, the humidity in the humidifying member of the humidifying section is made variable, and the fuel cell And a humidification control means for controlling the humidification state of the reaction gas before power generation supplied to the fuel cell power generation system.
【請求項2】請求項1において、前記燃料電池加湿状態
検出手段は、前記燃料電池を保持する基部と前記燃料電
池との間において前記燃料電池の積層方向の荷重変化を
検出できるように配置された荷重計であることを特徴と
する燃料電池発電システム。
2. The fuel cell humidified state detecting means according to claim 1, wherein the fuel cell humidified state detecting means is arranged so as to detect a load change in the stacking direction of the fuel cell between the base portion holding the fuel cell and the fuel cell. A fuel cell power generation system, which is a load cell.
【請求項3】請求項1において、前記燃料電池加湿状態
検出手段は、前記燃料電池を保持する基部の少なくとも
一部における応力状態を検出し、応力状態に基づいて前
記燃料電池の内部の加湿状態を検出することを特徴とす
る燃料電池発電システム。
3. The humidified state detecting means for fuel cell according to claim 1, wherein the humidified state detecting means detects a stress state in at least a part of a base portion holding the fuel cell, and the humidified state inside the fuel cell is detected based on the stress state. Is a fuel cell power generation system.
【請求項4】請求項1〜請求項3のいずれか一項におい
て、前記加湿制御手段は、 前記燃料電池加湿状態検出手段により前記燃料電池の内
部の加湿状態が過剰であると検出されたとき、前記燃料
電池から前記加湿部に向かう発電後の反応ガスのオフガ
スの量を減少させることにより、前記加湿部の前記加湿
部材の湿分を低減させ、且つ、前記燃料電池加湿状態検
出手段により前記燃料電池の内部の加湿が不足または必
要であると検出されたとき、前記燃料電池から前記加湿
部に向かう発電後の反応ガスのオフガスの量を増加させ
ることにより、前記加湿部の前記加湿部材の湿分を増加
させることを特徴とする燃料電池発電システム。
4. The humidification control means according to claim 1, wherein the humidification control means detects that the humidification state inside the fuel cell is excessive by the fuel cell humidification state detection means. Reducing the amount of off-gas of the reaction gas after power generation from the fuel cell toward the humidifying section to reduce the moisture content of the humidifying member of the humidifying section, and by the fuel cell humidifying state detecting means, When it is detected that the humidification inside the fuel cell is insufficient or necessary, by increasing the amount of off-gas of the reaction gas after power generation from the fuel cell toward the humidification unit, the humidification member of the humidification unit is increased. A fuel cell power generation system characterized by increasing moisture content.
【請求項5】請求項1〜請求項4のいずれか一項におい
て、前記加湿制御手段は、前記燃料電池の積層方向の寸
法値または荷重値が目標値となるように制御しており、
前記燃料電池の累積運転時間が長くなると、寸法値また
は荷重値の目標値を低減させることを特徴とする燃料電
池発電システム。
5. The humidification control means according to claim 1, wherein the humidification control means controls a dimension value or a load value of the fuel cell in a stacking direction to be a target value.
A fuel cell power generation system, wherein a target value of a dimension value or a load value is reduced when the cumulative operating time of the fuel cell becomes long.
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