JP2005276764A

JP2005276764A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2005276764A
Application number: JP2004092117A
Authority: JP
Inventors: Akinori Ichikawa; 明徳市川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】システムの体格を大きくすることなく、各種制御弁を効率よく暖機することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に水素を供給する水素供給系２０と、燃料電池１０から排出された水素を流通して再び燃料電池１０に供給する水素循環系３０と、前記水素の少なくとも一部を加熱する加熱装置５０と、加熱装置５０により加熱された水素を、水素循環系３０に設けられた制御弁３２及び３３に導くバイパス配管４０と、を備えてなる燃料電池システム１である。
【選択図】図１
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of efficiently warming up various control valves without increasing the size of the system.
SOLUTION: A fuel cell 10, a hydrogen supply system 20 for supplying hydrogen to the fuel cell 10, a hydrogen circulation system 30 for circulating hydrogen discharged from the fuel cell 10 and supplying it again to the fuel cell 10, and the hydrogen A fuel cell system 1 comprising: a heating device 50 that heats at least a part of the gas; and a bypass pipe 40 that guides hydrogen heated by the heating device 50 to control valves 32 and 33 provided in the hydrogen circulation system 30. It is.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、特に、燃料電池に反応ガスを供給するガス供給系及びガス循環系を備えた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 including a gas supply system for supplying a reaction gas to the fuel cell and a gas circulation system.

従来から、一般的な固体高分子型燃料電池として、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる燃料極（アノード電極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極（カソード電極）と、からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という）と、前記燃料極に燃料ガス（水素）を、酸化剤極に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを複数積層した構成のものがある。 Conventionally, as a general solid polymer fuel cell, an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane, a fuel electrode (anode electrode) composed of a catalyst layer and a diffusion layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane An oxidant electrode (cathode electrode) comprising a catalyst layer and a diffusion layer disposed on the other surface of the electrode, a membrane-electrode assembly (MEA) comprising: a fuel electrode; A separator comprising a separator for forming a fluid passage for supplying fuel gas (hydrogen) to the oxidant electrode (oxidation gas (oxygen, usually air)) and having a plurality of stacked cells There is.

このような燃料電池には、通常、燃料電池に燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系と、燃料電池から排出される未反応の水素を再度燃料電池に戻して有効利用する水素循環系が接続されており、水素循環系には、水素の供給状態を制御する電磁バルブが配設され、これらによって燃料電池システムを構成している。 Such a fuel cell usually has a hydrogen supply system that supplies hydrogen as fuel gas to the fuel cell, and a hydrogen circulation system that effectively returns the unreacted hydrogen discharged from the fuel cell to the fuel cell for effective use. The hydrogen circulation system is provided with an electromagnetic valve for controlling the supply state of hydrogen, and these constitute a fuel cell system.

しかしながら、このような燃料電池システムでは、燃料電池の発電時に、酸化剤極（カソード）側に生成水が発生し、この生成水が電解質膜を逆拡散して水素極（アノード）側に到達し、水素循環系の配管内やバルブを循環する。そして、低温時に、バルブに付着した生成水が凍結してバルブが作動しなくなるという虞があった。そこで、近年では、前記バルブが凍結することを防止するため、バルブを加熱することが行われている。 However, in such a fuel cell system, generated water is generated on the oxidant electrode (cathode) side during power generation of the fuel cell, and this generated water diffuses back through the electrolyte membrane and reaches the hydrogen electrode (anode) side. Circulate the piping and valves in the hydrogen circulation system. And at the time of low temperature, there existed a possibility that the produced | generated water adhering to the valve | bulb might freeze and a valve | bulb might stop working. Therefore, in recent years, the valve is heated to prevent the valve from freezing.

このような燃料電池システムとしては、例えば、燃料電池に断熱圧縮した酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出される排出反応ガスのガス流路上に設けられた制御弁と、前記酸化剤ガス供給手段から供給される前記酸化剤ガスとを熱交換することで前記制御弁を加熱する制御弁加熱手段と、を備えた燃料電池システムも紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３１３３８９号公報 As such a fuel cell system, for example, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas adiabatically compressed to the fuel cell, and a control valve provided on the gas flow path of the exhaust reaction gas discharged from the fuel cell. And a control valve heating means for heating the control valve by exchanging heat with the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means. (For example, refer to Patent Document 1).
JP 2002-313389 A

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、燃料ガス供給系の各種制御弁を暖機ボックス内に収納し、この暖機ボックス内にエアコンプレッサにて断熱圧縮した高温の空気を導入することにより前記制御弁を外側から加熱している。このため、前記暖機ボックスを設けるためのスペースを確保する必要がある。特に、多数の制御弁を加熱する場合、暖機ボックスの体格を大きくする必要があると共に、高温の空気を得るために行う断熱圧縮に必要なエネルギー消費も増大する。 However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, various control valves of the fuel gas supply system are housed in a warm-up box, and high-temperature air adiabatically compressed by an air compressor is introduced into the warm-up box. Thus, the control valve is heated from the outside. For this reason, it is necessary to secure a space for providing the warm-up box. In particular, when a large number of control valves are heated, it is necessary to increase the size of the warm-up box, and the energy consumption required for adiabatic compression performed to obtain high-temperature air also increases.

本発明は、このような従来の燃料電池システムを改良することを課題とするものであり、システムの体格を大きくすることなく、各種制御弁を効率よく暖機することが可能な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 improve such a conventional fuel cell system. A fuel cell system capable of efficiently warming up various control valves without increasing the size of the system is provided. The purpose is to provide.

この目的を達成するために本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給系と、前記燃料電池から排出された反応ガスを流通する排ガス流通系と、前記反応ガスの少なくとも一部を加熱する加熱装置と、前記加熱装置により加熱された反応ガスを、前記ガス供給系及び排ガス流通系の少なくとも一方に設けられた制御弁内の可動部に、反応ガス流路に設けられたシステム構成要素をバイパスして導くバイパス路と、を備えてなる燃料電池システムを提供するものである。 In order to achieve this object, the present invention provides a fuel cell, a gas supply system that supplies a reaction gas to the fuel cell, an exhaust gas circulation system that circulates the reaction gas discharged from the fuel cell, A heating device that heats at least a portion, and a reaction gas heated by the heating device is provided in a reaction gas flow path in a movable part in a control valve provided in at least one of the gas supply system and the exhaust gas circulation system. A fuel cell system comprising a bypass path that bypasses and guides the system components provided.

この構成を備えた燃料電池システムでは、ガス供給系及び／または排ガス流通系のガス流路上に設けられた制御弁内の可動部を、加熱装置により加熱された反応ガスにより直接暖機することができる。したがって、従来のように、制御弁を外側から暖機する暖機ボックス等を設ける必要がないため、燃料電池システムの体格を大きくすることなく、制御弁を効率よく暖機することができる。また、暖機に使用した後の反応ガスも、燃料電池に供給し、通常の反応ガスとして使用することができるため、無駄がない。 In the fuel cell system having this configuration, the movable part in the control valve provided on the gas flow path of the gas supply system and / or the exhaust gas circulation system can be directly warmed up by the reaction gas heated by the heating device. it can. Therefore, unlike the prior art, it is not necessary to provide a warm-up box or the like for warming up the control valve from the outside, so that the control valve can be warmed up efficiently without increasing the size of the fuel cell system. In addition, since the reaction gas after being used for warm-up can be supplied to the fuel cell and used as a normal reaction gas, there is no waste.

また、本発明にかかる燃料電池システムは、前記排ガス流通系を、前記燃料電池から排出された反応ガスを循環させて再び当該燃料電池に供給するガス循環系から構成し、前記バイパス路は、前記加熱装置により加熱された反応ガスを、前記ガス循環系に設けられた制御弁内の可動部に導く構成とすることができる。 In the fuel cell system according to the present invention, the exhaust gas circulation system includes a gas circulation system that circulates the reaction gas discharged from the fuel cell and supplies the gas again to the fuel cell. It can be set as the structure which guide | induces the reaction gas heated with the heating apparatus to the movable part in the control valve provided in the said gas circulation system.

また、本発明にかかる燃料電池システムは、前記加熱装置に、ガス供給系から供給される反応ガスを導入することができる。このようにすることで、前記利点に加え、反応ガスの圧力差によって反応ガスに流れを生じさせることができるため、加熱装置で加熱された反応ガスを下流側へ送るためのポンプ等を設ける必要がない。したがって、さらに小型化を達成することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, a reaction gas supplied from a gas supply system can be introduced into the heating device. In this way, in addition to the above advantages, a flow can be generated in the reaction gas due to the pressure difference of the reaction gas, so it is necessary to provide a pump or the like for sending the reaction gas heated by the heating device downstream. There is no. Therefore, further downsizing can be achieved.

さらにまた、本発明にかかる燃料電池システムでは、前記バイパス路を、前記ガス供給系のガス流路から分岐させて構成してもよく、そしてこのバイパス路に前記加熱装置を配設することもできる。 Furthermore, in the fuel cell system according to the present invention, the bypass path may be branched from the gas flow path of the gas supply system, and the heating device may be disposed in the bypass path. .

そしてまた、本発明にかかる燃料電池システムは、前記反応ガスが燃料ガスであり、前記ガス供給系が、燃料ガス供給源と、当該燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを流通させるガス流路と、当該ガス流路上に設けられた少なくとも一つの調圧弁を備え、前記加熱装置に、最下流側に配設された調圧弁よりも上流側から供給される燃料ガスを導入する構成とすることもできる。 In the fuel cell system according to the present invention, the reaction gas is a fuel gas, and the gas supply system circulates a fuel gas supply source and the fuel gas supplied from the fuel gas supply source. And at least one pressure regulating valve provided on the gas flow path, and the fuel gas supplied from the upstream side to the pressure regulating valve arranged on the most downstream side is introduced into the heating device. You can also.

さらにまた、本発明にかかる燃料電池システムは、前記反応ガスが酸化ガスであり、前記ガス供給系が、酸化ガス供給源と、当該酸化ガス供給源から供給される酸化ガスを流通させるガス流路と、当該ガス流路上に設けられたコンプレッサと、を備え、前記加熱装置に、当該コンプレッサよりも下流側から供給される酸化ガスを導入する構成とすることもできる。 Furthermore, in the fuel cell system according to the present invention, the reaction gas is an oxidizing gas, and the gas supply system distributes the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply source and the oxidizing gas supply source. And a compressor provided on the gas flow path, and an oxidizing gas supplied from a downstream side of the compressor may be introduced into the heating device.

また、前記システム構成要素としては、スタック、制御弁、レギュレータ等を挙げることができる。 Examples of the system components include a stack, a control valve, and a regulator.

本発明にかかる燃料電池システムは、ガス循環系のガス流路上に設けられた制御弁を、加熱装置により加熱された反応ガスによって暖機する構成を備えている。したがって、制御弁を収納して暖機する暖機ボックス等を別途設ける必要がないため、燃料電池システムの小型化が達成されると共に、制御弁を効率よく暖機することができる。さらに、暖機に使用した後の反応ガスも、通常の反応ガスとして使用することができるため、経済的である。 The fuel cell system according to the present invention has a configuration in which a control valve provided on a gas flow path of a gas circulation system is warmed up by a reaction gas heated by a heating device. Therefore, it is not necessary to separately provide a warm-up box or the like that houses and warms up the control valve, so that the fuel cell system can be downsized and the control valve can be warmed up efficiently. Furthermore, the reaction gas after being used for warm-up can be used as a normal reaction gas, which is economical.

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。 Next, a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, embodiment described below is the illustration for demonstrating this invention, and this invention is not limited only to these embodiment. Therefore, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist thereof.

図１は、本発明の実施例１にかかる燃料電池システムの概略図、図２は、図１に示す燃料電池システムのガス循環系に配設された制御弁の断面図である。 1 is a schematic view of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a control valve disposed in a gas circulation system of the fuel cell system shown in FIG.

図１に示すように、実施例１にかかる燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系２０と、燃料電池１０から排出された未反応の水素を循環させて再び燃料電池１０に供給する水素循環系３０と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the first embodiment includes a fuel cell 10, a hydrogen supply system 20 that supplies hydrogen as fuel gas to the fuel cell 10, and an unreacted exhaust from the fuel cell 10. A hydrogen circulation system 30 that circulates the hydrogen and supplies the hydrogen to the fuel cell 10 again.

水素供給系２０は、水素を貯蔵する高圧タンク２１及び２２と、高圧タンク２１に接続された配管２３と、高圧タンク２２に接続された配管２４と、配管２３及び２４が合流した配管２５と、配管２３に配設され、高圧タンク２１から供給される水素の圧力を調整する調圧弁２６と、配管２４に配設され、高圧タンク２２から供給される水素の圧力を調整する調圧弁２７と、配管２５に配設され、ここを流通する水素の圧力を調整する調圧弁２８と、を備えて構成されている。そして、配管２５は、調整弁２８よりも下流側が、後に詳述する配管３１と合流点Ａにおいて合流するよう構成されている。 The hydrogen supply system 20 includes high-pressure tanks 21 and 22 for storing hydrogen, a pipe 23 connected to the high-pressure tank 21, a pipe 24 connected to the high-pressure tank 22, a pipe 25 where the pipes 23 and 24 merge, A pressure regulating valve 26 which is disposed in the pipe 23 and adjusts the pressure of hydrogen supplied from the high pressure tank 21; a pressure regulating valve 27 which is disposed in the pipe 24 and adjusts the pressure of hydrogen supplied from the high pressure tank 22; It is provided with a pressure regulating valve 28 that is disposed in the pipe 25 and adjusts the pressure of hydrogen flowing therethrough. And the piping 25 is comprised so that the downstream side from the adjustment valve 28 may join the piping 31 and the junction point A which are explained in full detail later.

水素循環系３０は、燃料電池１０から排出された未反応の水素が排出されると共に、この水素を再び燃料電池１０に供給する配管３１と、配管３１の燃料電池１０から排出される水素の出側近傍に設けられた制御弁３２と、配管３１の燃料電池１０に供給される水素の入側近傍に設けられた制御弁３３と、を備えて構成されている。この配管３１は、合流点Ａにおいて、水素供給系２０の配管２５と合流する構成となっている。 The hydrogen circulation system 30 discharges unreacted hydrogen discharged from the fuel cell 10, and also supplies a pipe 31 for supplying this hydrogen to the fuel cell 10 again, and a discharge of hydrogen discharged from the fuel cell 10 in the pipe 31. The control valve 32 provided near the side and the control valve 33 provided near the inlet side of the hydrogen supplied to the fuel cell 10 of the pipe 31 are provided. The pipe 31 is configured to join the pipe 25 of the hydrogen supply system 20 at the junction A.

配管３１は、特に図２に示すように、その内部が水素流路４６となっており、後に詳述する制御弁３２及び３３が設けられる位置に、制御弁３３及び３４の内部と連通する開口部２９が形成されている。この配管３１の開口部２９が形成された位置には、制御弁３３及び３４の主弁３６と当接して水素流路４６を閉鎖する閉鎖部４７と、主弁３６を支持する支持部４８が形成されている。 As shown in FIG. 2 in particular, the piping 31 has a hydrogen flow path 46 inside, and an opening communicating with the inside of the control valves 33 and 34 at a position where the control valves 32 and 33 described later are provided. A portion 29 is formed. At the position where the opening 29 of the pipe 31 is formed, there are a closing portion 47 that contacts the main valve 36 of the control valves 33 and 34 and closes the hydrogen flow path 46, and a support portion 48 that supports the main valve 36. Is formed.

制御弁３２及び３３は、ケース３４の略中央部に、図２でいう上下方向に移動可能に設けられた可動アセンブリ３５と、可動アセンブリ３５の先端（図２でいう下端）に設けられた主弁３６を備え、ボンネット３７によって配管３１の開口部２９を閉鎖している。この制御弁３２及び３３は、電磁バルブであり、電磁石３８とスプリング３９により主弁３６を可動させている。具体的には、主弁３６を配管３１側（図２でいう下側）に移動させることにより、主弁３６の下面が閉鎖部４７に当接して水素流路４６を閉鎖すると共に、支持部４８によって支持される。一方、主弁３６を配管３１から離れる方向（図２でいう上側）に移動させることにより、閉鎖部４７と主弁３６の下面との間に空間を形成し、水素流路４６内を水素が流通するようにしている。 The control valves 32 and 33 are provided at a substantially central portion of the case 34 so as to be movable in the vertical direction as shown in FIG. 2 and a main assembly provided at the tip of the movable assembly 35 (lower end in FIG. 2). A valve 36 is provided, and an opening 29 of the pipe 31 is closed by a bonnet 37. The control valves 32 and 33 are electromagnetic valves, and the main valve 36 is moved by an electromagnet 38 and a spring 39. Specifically, by moving the main valve 36 to the pipe 31 side (the lower side in FIG. 2), the lower surface of the main valve 36 abuts against the closing portion 47 to close the hydrogen flow path 46, and the support portion. 48. On the other hand, by moving the main valve 36 in the direction away from the pipe 31 (the upper side in FIG. 2), a space is formed between the closed portion 47 and the lower surface of the main valve 36, so that I try to circulate.

配管３１とボンネット３７との固定部分には、主弁３６から延びるダイアフラム部４９が配設されており、この主弁３６によって水素流路４６と空間２９は遮断されている。制御弁３２の支持部４８と主弁３６との間に形成された空間４３（空間２９に連通している）には、配管４１の下流側先端が連通した状態で配設されている。同様に、制御弁３３の支持部４８と主弁３６との間に形成された空間４３（空間２９に連通している）には、配管４２の下流側先端が連通した状態で配設されている。この構成により、この空間４３には、後に詳述するが、配管４１及び４２を流通する高温の水素が供給され、この水素により、主弁３６は直接暖機されることになる。なお、図２に示す符号４４は、Ｏリングである。 A diaphragm portion 49 extending from the main valve 36 is disposed at a fixed portion between the pipe 31 and the bonnet 37, and the hydrogen flow path 46 and the space 29 are blocked by the main valve 36. A downstream end of the pipe 41 is disposed in a space 43 (communication with the space 29) formed between the support portion 48 of the control valve 32 and the main valve 36. Similarly, in the space 43 (communication with the space 29) formed between the support portion 48 of the control valve 33 and the main valve 36, the downstream end of the pipe 42 is disposed in communication. Yes. With this configuration, as will be described in detail later, this space 43 is supplied with high-temperature hydrogen flowing through the pipes 41 and 42, and the main valve 36 is directly warmed up by this hydrogen. In addition, the code | symbol 44 shown in FIG. 2 is an O-ring.

一方、水素供給系２０の配管２５の調圧弁２８よりも上流側には、配管２５に連通するバイパス配管４０が接続されている。このバイパス配管４０は、下流側が２つに分岐されており、一方の分岐配管４１が制御弁３２に、他方の分岐配管４２が制御弁３３に各々接続されている。バイパス配管４０には、バイパス配管４０内を流通する水素を加熱する加熱装置５０が配設されている。なお、このバイパス配管４０は、燃料電池システム１の構成要素である燃料電池１０のスタック、制御弁、レギュレータ（調整弁等）をバイパスしている。 On the other hand, a bypass pipe 40 communicating with the pipe 25 is connected upstream of the pressure regulating valve 28 of the pipe 25 of the hydrogen supply system 20. The bypass pipe 40 has two branches on the downstream side. One branch pipe 41 is connected to the control valve 32 and the other branch pipe 42 is connected to the control valve 33. The bypass pipe 40 is provided with a heating device 50 that heats hydrogen flowing through the bypass pipe 40. The bypass pipe 40 bypasses the stack, the control valve, and the regulator (regulating valve, etc.) of the fuel cell 10 that is a component of the fuel cell system 1.

加熱装置５０としては、例えば、耐圧性、シール性に優れた密閉した容器の周りにニクロム線を配した、電熱により水素を暖めるような構成の装置等が挙げられる。 Examples of the heating device 50 include a device configured to warm hydrogen by electric heating, in which a nichrome wire is disposed around a sealed container having excellent pressure resistance and sealing properties.

バイパス配管４０の加熱装置５０が配設された位置よりも下流側には、分配弁４５が設けられている。この分配弁４５は電磁バルブからなり、分配弁４５を開くことで、加熱装置５０を経て送られてくる水素を分岐配管４１及び４２を介して制御弁３２及び３３に供給し、閉じることで供給を停止する。 A distribution valve 45 is provided downstream of the position where the heating device 50 of the bypass pipe 40 is disposed. The distribution valve 45 is an electromagnetic valve. When the distribution valve 45 is opened, hydrogen supplied via the heating device 50 is supplied to the control valves 32 and 33 via the branch pipes 41 and 42, and is supplied by closing. To stop.

この構成を備えた燃料電池システム１において、燃料電池１０による発電を行う場合、先ず、高圧タンク２１及び２２から供給された水素が調圧弁２６及び２７により調圧され、配管２３及び２４を流通して配管２５に合流する。次に、配管２５を流通する水素は、調圧弁２８に供給されるものと、バイパス配管４０に供給されるものとに分配される。調圧弁２８に供給された水素は、ここでさらに調圧されて、合流点Ａを経て配管３１を流通し、制御弁３３を介して燃料電池１０の水素入口（図示せず）から水素供給路（図示せず）に供給される。一方、バイパス配管４０に供給された水素は、加熱装置５０で所望の温度に加熱される。なお、この時点では、分配弁４５は、閉じた状態となっている。 In the fuel cell system 1 having this configuration, when power generation is performed by the fuel cell 10, first, hydrogen supplied from the high pressure tanks 21 and 22 is regulated by the pressure regulating valves 26 and 27, and flows through the pipes 23 and 24. To join the pipe 25. Next, the hydrogen flowing through the pipe 25 is distributed to what is supplied to the pressure regulating valve 28 and what is supplied to the bypass pipe 40. The hydrogen supplied to the pressure regulating valve 28 is further regulated here, flows through the pipe 31 via the junction A, and passes through the control valve 33 to the hydrogen supply path from the hydrogen inlet (not shown) of the fuel cell 10. (Not shown). On the other hand, the hydrogen supplied to the bypass pipe 40 is heated to a desired temperature by the heating device 50. At this time, the distribution valve 45 is in a closed state.

これと同時に、燃料電池１０の空気供給路（図示せず）には、図示しない空気供給源から空気が供給される。 At the same time, air is supplied to an air supply path (not shown) of the fuel cell 10 from an air supply source (not shown).

燃料電池１０内の水素供給路に水素が、空気供給路に空気が各々供給されると、燃料電池１０を構成している各単セル（図示せず）内において、以下の電気化学反応が効率よく行われる。すなわち、
アノード電極側では、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード電極側では、（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池全体としては、Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ When hydrogen is supplied to the hydrogen supply path in the fuel cell 10 and air is supplied to the air supply path, the following electrochemical reaction is efficient in each single cell (not shown) constituting the fuel cell 10. Often done. That is,
On the anode electrode side, H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
On the cathode side, (1/2) O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O
As a whole fuel cell, H ₂ + (1/2) O ₂ → H ₂ O

この電気反応に使用されなかった水素は、燃料電池１０の水素排出口（図示せず）から配管３１に排気され、制御弁３２を通過して再び合流点Ａを経て燃料電池１０へと循環する。一方、この電気反応に使用されなかった空気は、燃料電池１０の空気排出口（図示せず）から排気される。 Hydrogen that has not been used for this electrical reaction is exhausted from the hydrogen discharge port (not shown) of the fuel cell 10 to the pipe 31, passes through the control valve 32, and circulates again to the fuel cell 10 via the junction A. . On the other hand, air that has not been used for this electrical reaction is exhausted from an air discharge port (not shown) of the fuel cell 10.

この燃料電池１０の発電時には、カソード電極側に生成水が発生し、この生成水が電解質膜を逆拡散してアノード電極側に到達し、水素循環系３０の配管３１内や制御弁３２及び３３を循環する。そして、低温時に、制御弁３２及び３３に付着した生成水が凍結して制御弁３２及び３３が作動しなくなる可能性がある。そこで、例えば、制御弁３２及び３３内の温度をモニタしたり、主弁３６の開閉作業にかかる負荷等をモニタする等して、分配弁４５の開閉を制御し、制御弁３２及び３３が凍結する前に、分配弁４５を開けて、加熱装置５０により加熱された水素を制御弁３２及び３３の空間４３に供給する。 During the power generation of the fuel cell 10, generated water is generated on the cathode electrode side, and this generated water back-diffuses the electrolyte membrane and reaches the anode electrode side, and the inside of the pipe 31 of the hydrogen circulation system 30 and the control valves 32 and 33. Circulate. And at the time of low temperature, the generated water adhering to the control valves 32 and 33 may freeze and the control valves 32 and 33 may not operate. Thus, for example, the opening and closing of the distribution valve 45 is controlled by monitoring the temperature in the control valves 32 and 33, or monitoring the load applied to the opening and closing operation of the main valve 36, and the control valves 32 and 33 are frozen. Before the operation, the distribution valve 45 is opened, and the hydrogen heated by the heating device 50 is supplied to the space 43 of the control valves 32 and 33.

この時、配管２５の調圧弁２８よりも上流側を流通する水素は、調圧弁２８よりも下流側を流通する水素よりも圧力が高いため、反応ガスの圧力差によって、バイパス配管４０に水素の流れを生じさせることができる。したがって、水素をバイパス配管４０や、加熱装置５０へ送るためのポンプ等を設ける必要がない。したがって、小型化を達成することができる。 At this time, the hydrogen flowing through the upstream side of the pressure regulating valve 28 of the pipe 25 has a higher pressure than the hydrogen flowing through the downstream side of the pressure regulating valve 28. A flow can be generated. Therefore, it is not necessary to provide a pump or the like for sending hydrogen to the bypass pipe 40 or the heating device 50. Therefore, downsizing can be achieved.

空間４３に供給された高温の水素は、制御弁３２及び３３の主弁２６（可動部）を直接暖機して、制御弁３２及び３３が凍結することを効率よく防止することができる。また、空間４３に供給された高温の水素は、主弁２６が配管３１から離れる方向に移動して、閉鎖部４７と主弁２６の下面との間に空間が形成された際に、この空間から水素流路４６に供給され、水素流路４６を流通する水素と共に、燃料電池１０内に供給される。したがって、暖機用に使用した水素も燃料ガスとして使用することができ、経済的である。 The high-temperature hydrogen supplied to the space 43 can directly warm up the main valve 26 (movable part) of the control valves 32 and 33 and efficiently prevent the control valves 32 and 33 from freezing. Further, the high-temperature hydrogen supplied to the space 43 moves in a direction in which the main valve 26 moves away from the pipe 31 and a space is formed between the closing portion 47 and the lower surface of the main valve 26. Is supplied to the hydrogen flow path 46, and is supplied into the fuel cell 10 together with the hydrogen flowing through the hydrogen flow path 46. Therefore, hydrogen used for warm-up can also be used as fuel gas, which is economical.

なお、実施例１では、２つの高圧タンク２１及び２２を配設した場合について説明したが、これに限らず、高圧タンクの配設は所望により決定することができる。また、高圧タンクを配設する他、ポンプ等を利用して燃料電池１０に水素を供給してもよい。 In addition, although Example 1 demonstrated the case where the two high pressure tanks 21 and 22 were arrange | positioned, not only this but arrangement | positioning of a high pressure tank can be determined as desired. In addition to providing a high-pressure tank, hydrogen may be supplied to the fuel cell 10 using a pump or the like.

また、実施例１では、水素循環系３０に２つの制御弁３２及び３３を配設した場合について説明したが、これに限らず、制御弁の配設数は所望により決定することができる。この場合、制御弁の設置数に応じて、バイパス配管４０の下流側を分岐させればよい。 In the first embodiment, the case where the two control valves 32 and 33 are disposed in the hydrogen circulation system 30 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the number of control valves can be determined as desired. In this case, the downstream side of the bypass pipe 40 may be branched according to the number of control valves installed.

さらにまた、実施例１では、水素循環系３０に配設された制御弁３２及び３３内の主弁２６（可動部）に、加熱装置５０にて加熱された水素ガスを導いた場合について説明したが、これに限らず、水素供給系２０の所望位置に配置された任意の弁（制御弁や調整弁等）の可動部に、加熱装置５０にて加熱された水素ガスを導いてもよい。 Furthermore, in Example 1, the case where the hydrogen gas heated by the heating device 50 was introduced to the main valve 26 (movable part) in the control valves 32 and 33 disposed in the hydrogen circulation system 30 was described. However, the present invention is not limited thereto, and the hydrogen gas heated by the heating device 50 may be guided to a movable part of an arbitrary valve (a control valve, a regulating valve, or the like) disposed at a desired position of the hydrogen supply system 20.

そしてまた、実施例１では、制御弁３２及び３３の空間４３に、バイパス配管４０の分岐配管４１及び４２をそれぞれ連通配置し、空間４３に加熱された水素を導入する構成とした場合について説明したが、これに限らず、制御弁３２及び３３の近傍（直前）で、一つの制御弁３２（３３）に対し、バイパス配管４０の下流側を複数本に分岐させ、制御弁３２（３３）のダイアフラム４９位置付近に配置させてもよい。 In the first embodiment, the branch pipes 41 and 42 of the bypass pipe 40 are communicated with the space 43 of the control valves 32 and 33, respectively, and heated hydrogen is introduced into the space 43. However, the present invention is not limited to this, and in the vicinity (immediately before) of the control valves 32 and 33, the downstream side of the bypass pipe 40 is branched into a plurality of pipes with respect to one control valve 32 (33), and You may arrange | position near the diaphragm 49 position.

また、実施例１では、配管２５の調圧弁２８よりも上流側にバイパス配管４０を接続した場合について説明したが、これに限らず、バイパス配管４０は、例えば、配管２３及び２４の調圧弁２６及び２７よりも上流側に、それぞれ接続させてもよい。また、バイパス配管４０は、合流点Ａと調圧弁２８との間に接続してもよい。 In the first embodiment, the case where the bypass pipe 40 is connected to the upstream side of the pressure regulating valve 28 of the pipe 25 has been described. However, the present invention is not limited to this example. And 27 may be connected to the upstream side. Further, the bypass pipe 40 may be connected between the junction point A and the pressure regulating valve 28.

次に、本発明の実施例２にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、実施例２では、実施例１で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 Next, a fuel cell system according to Example 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. In the second embodiment, the same members as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図３は、本発明の実施例２にかかる燃料電池システムの概略図である。図３に示すように、実施例２にかかる燃料電池システム２と、実施例１にかかる燃料電池システム１との異なる点は、水素供給系２０の代わりに、空気供給系６０を設け、水素循環系３０の代わりに空気排出系７０を設けた点である。 FIG. 3 is a schematic diagram of a fuel cell system according to Example 2 of the present invention. As shown in FIG. 3, the difference between the fuel cell system 2 according to the second embodiment and the fuel cell system 1 according to the first embodiment is that an air supply system 60 is provided instead of the hydrogen supply system 20, and hydrogen circulation is performed. The air discharge system 70 is provided instead of the system 30.

図３に示すように、空気供給系６０は、図示しない空気供給源に接続されたエアコンプレッサ６１と、エアコンプレッサ６１から送り出された空気を燃料電池１０に供給する配管６２を備えて構成されている。 As shown in FIG. 3, the air supply system 60 includes an air compressor 61 connected to an air supply source (not shown) and a pipe 62 that supplies air sent from the air compressor 61 to the fuel cell 10. Yes.

空気排出系７０は、燃料電池１０の空気排出口（図示せず）に接続され、ここから排出される空気を外部に排出させる配管６４と、配管６４の空気流通路に設けられた制御弁３２及び３３を備えて構成されている。 The air discharge system 70 is connected to an air discharge port (not shown) of the fuel cell 10, a pipe 64 for discharging the air discharged from the outside to the outside, and a control valve 32 provided in the air flow passage of the pipe 64. And 33.

配管６２には、バイパス配管４０が接続されており、このバイパス配管４０の一方の分岐配管４１が制御弁３２に、他方の分岐配管４２が制御弁３３に各々接続されている。バイパス配管４０には、バイパス配管４０内を流通する空気を加熱する加熱装置５０が配設されている。 A bypass pipe 40 is connected to the pipe 62. One branch pipe 41 of the bypass pipe 40 is connected to the control valve 32, and the other branch pipe 42 is connected to the control valve 33. The bypass pipe 40 is provided with a heating device 50 for heating the air flowing through the bypass pipe 40.

この構成を備えた燃料電池システム２は、燃料電池１０が、実施例１で説明したように発電を行う際に、加熱装置５０によって加熱された空気が、必要に応じて制御弁３２及び３３に導かれ、これらの弁を暖機する。また、電気反応に使用されなかった空気は、燃料電池１０の空気排出口（図示せず）から排気される。 In the fuel cell system 2 having this configuration, when the fuel cell 10 generates power as described in the first embodiment, air heated by the heating device 50 is supplied to the control valves 32 and 33 as necessary. Guided and warms up these valves. Air that has not been used for the electrical reaction is exhausted from an air discharge port (not shown) of the fuel cell 10.

なお、実施例２では、燃料電池１０から排出された空気を外部に排出する空気排出系７０を備えた場合について説明したが、これに限らず、燃料電池１０から排出された空気（あるいは、他の酸化ガス）を循環させて再び燃料電池１０に供給する空気循環系（酸化ガス循環系）を備えても良い。 In the second embodiment, the case where the air discharge system 70 that discharges the air discharged from the fuel cell 10 to the outside has been described. However, the present invention is not limited to this, and the air discharged from the fuel cell 10 (or other In this case, an air circulation system (oxidation gas circulation system) may be provided which circulates and supplies the fuel cell 10 again.

そしてまた、実施例１で説明した水素供給系２０及び水素循環系３０と、実施例２で説明した空気供給系６０及び空気排出系７０（あるいは、酸化ガス循環系）を組み合わせることも可能である。 It is also possible to combine the hydrogen supply system 20 and the hydrogen circulation system 30 described in the first embodiment with the air supply system 60 and the air exhaust system 70 (or the oxidizing gas circulation system) described in the second embodiment. .

本発明の実施例１にかかる燃料電池システムの概略図である。It is the schematic of the fuel cell system concerning Example 1 of this invention. 図１に示す燃料電池システムのガス循環系に配設された制御弁の断面図である。It is sectional drawing of the control valve arrange | positioned in the gas circulation system of the fuel cell system shown in FIG. 本発明の実施例２にかかる燃料電池システムの概略図である。It is the schematic of the fuel cell system concerning Example 2 of this invention.

Explanation of symbols

１、２燃料電池システム
１０燃料電池
２０水素供給系
３０水素循環系
３２、３３制御弁
３６主弁
４０バイパス配管
４１、４２分岐配管
４５分配弁
５０加熱装置
６０空気供給系
７０空気排出系 1, 2 Fuel cell system 10 Fuel cell 20 Hydrogen supply system 30 Hydrogen circulation system 32, 33 Control valve 36 Main valve 40 Bypass piping 41, 42 Branch piping 45 Distribution valve 50 Heating device 60 Air supply system 70 Air exhaust system

Claims

A fuel cell;
A gas supply system for supplying a reaction gas to the fuel cell;
An exhaust gas distribution system for distributing the reaction gas discharged from the fuel cell;
A heating device for heating at least a part of the reaction gas;
The reaction gas heated by the heating device is guided to a movable part in a control valve provided in at least one of the gas supply system and the exhaust gas circulation system, bypassing the system components provided in the reaction gas flow path. A bypass,
A fuel cell system comprising:

The exhaust gas circulation system is a gas circulation system that circulates the reaction gas discharged from the fuel cell and supplies the gas again to the fuel cell, and the bypass path supplies the reaction gas heated by the heating device to the gas The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is led to a movable part in a control valve provided in the circulation system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein a reaction gas supplied from a gas supply system is introduced into the heating device.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the bypass path is branched from a gas flow path of the gas supply system, and the heating device is disposed in the bypass path.

The reaction gas is a fuel gas, and the gas supply system includes a fuel gas supply source, a gas flow path for flowing the fuel gas supplied from the fuel gas supply source, and at least one provided on the gas flow path. The fuel gas supplied from the upstream side rather than the pressure regulation valve arrange | positioned in the most downstream side is introduced to the said heating apparatus. Fuel cell system.

The reaction gas is an oxidizing gas, and the gas supply system includes an oxidizing gas supply source, a gas flow path for circulating the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply source, and a compressor provided on the gas flow path. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein an oxidizing gas supplied from a downstream side of the compressor is introduced into the heating device.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the system components are a stack, a control valve, and a regulator.