JP2010086933A

JP2010086933A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2010086933A
Application number: JP2008258096A
Authority: JP
Inventors: Chikashige Konno; 周重紺野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2010-04-15

Abstract

【課題】燃料電池スタックを備える燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタックの端部に配置された単セルにおける電極間の温度勾配による生成水の移動を抑制する。
【解決手段】燃料電池システム１０００は、アノード側集電板３０ａとアノード側エンドプレート１０ａとの間に配置された電気ヒータ２２を備える燃料電池スタック１００と、燃料電池システム１０００の運転が停止されたときに、燃料電池スタック１００の内部に残留する残留ガスを利用して発電された電力を、電気ヒータ２２に供給するためのノーマリクローズのリレー２００と、を備える。
【選択図】図１When a fuel cell system including a fuel cell stack is stopped, movement of generated water due to a temperature gradient between electrodes in a single cell disposed at an end of the fuel cell stack is suppressed.
A fuel cell system includes a fuel cell stack including an electric heater disposed between an anode current collector plate and an anode end plate, and the operation of the fuel cell system is stopped. Sometimes, a normally closed relay 200 for supplying the electric heater 22 with electric power generated using the residual gas remaining in the fuel cell stack 100 is provided.
[Selection] Figure 1

Description

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

従来、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、燃料電池スタックは、複数の単セルを積層した積層体を備え、この積層体全体のアノード側の端部、および、カソード側の端部に、集電板や、エンドプレートを配置することによって構成される。 Conventionally, a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, oxygen) has attracted attention as an energy source. The fuel cell stack includes a laminated body in which a plurality of single cells are laminated, and a current collector plate and an end plate are arranged at the anode side end and the cathode side end of the whole laminated body. Consists of.

このような燃料電池スタックでは、各単セルのカソードにおいて、発電時に、カソード反応によって、水（生成水）が生成される。そして、燃料電池スタックにおいて、積層体の端部に配置された単セル（以下、端部セルと呼ぶ）は、放熱によって、中央部に配置された単セル（以下、中央部セルと呼ぶ）よりも温度が低くなるため、端部セルでは、飽和水蒸気が低下し、生成水が凝縮しやすくなり、フラッディングやガス分配の不均一が生じやすくなる。 In such a fuel cell stack, water (product water) is generated at the cathode of each single cell by a cathode reaction during power generation. In the fuel cell stack, a single cell (hereinafter referred to as an end cell) disposed at the end of the stack is more than a single cell (hereinafter referred to as a central cell) disposed at the center due to heat dissipation. However, since the temperature is lowered, the saturated water vapor is lowered in the end cells, the generated water is easily condensed, and flooding and gas distribution are likely to be uneven.

そこで、従来、燃料電池スタックにおいて、フラッディングやガス分配の不均一を抑制するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池スタックのアノード側エンドプレートに電気ヒータを内蔵し、この電気ヒータにヒータ用電源から電力を供給してアノード側エンドプレートを加熱し、単セルのアノードからカソードにかけて温度勾配を設けることが記載されている。 Therefore, conventionally, various techniques have been proposed for suppressing non-uniform flooding and gas distribution in the fuel cell stack. For example, in Patent Document 1 below, an electric heater is built in the anode side end plate of the fuel cell stack, and power is supplied from the heater power source to the electric heater to heat the anode side end plate. It is described that a temperature gradient is provided across the cathode.

特開２００８−３４３８１号公報JP 2008-34381 A 特開２００１−３４５１１４号公報JP 2001-345114 A 特開平０５−８９９００号公報JP 05-89900 A

しかし、上記特許文献１に記載された技術では、燃料電池システムの停止後には、ヒータ用電源を制御することができないため、単セルに温度勾配を設けることができなかった。このため、端部セルでは、燃料電池システムの停止後に、アノードとカソードとの間の極間温度差、および、飽和水蒸気圧差が、中央部セルよりも大きくなり、生成水が電解質膜を透過して、高温側（飽和水蒸気圧が高い側）から低温側（飽和水蒸気圧が低い側）に移動し、一方の電極に過剰な生成水が滞留することになる。この場合、端部セルにおいて、特に、燃料電池システムの低温始動時に、フラッディングやガス分配の不均一による電圧低下が発生しやすくなる。そして、このような不具合は、特に、アノード側で看過できない。アノードでは、発電時に、フラッディングによって、燃料ガスの供給が閉塞すると、アノードが備える触媒層が劣化するからである。 However, in the technique described in Patent Document 1, since the heater power source cannot be controlled after the fuel cell system is stopped, a single cell cannot be provided with a temperature gradient. For this reason, in the end cell, after the fuel cell system is stopped, the temperature difference between the anode and the cathode and the saturated water vapor pressure difference are larger than those in the center cell, and the generated water permeates the electrolyte membrane. Thus, it moves from the high temperature side (the side with a high saturated water vapor pressure) to the low temperature side (the side with a low saturated water vapor pressure), and excessive product water stays in one of the electrodes. In this case, in the end cells, particularly when the fuel cell system is started at a low temperature, a voltage drop due to flooding or nonuniform gas distribution tends to occur. Such a defect cannot be overlooked particularly on the anode side. This is because when the fuel gas supply is blocked by flooding during power generation, the catalyst layer included in the anode deteriorates.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを備える燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタックの端部に配置された単セルにおける電極間の温度勾配による生成水の移動を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is generated by a temperature gradient between electrodes in a single cell disposed at an end of the fuel cell stack when the fuel cell system including the fuel cell stack is stopped. The purpose is to suppress the movement of water.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 The present invention can be realized as the following forms or application examples in order to solve at least a part of the above-described problems.

［適用例１］燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックは、複数の単セルを積層した積層体と、前記積層体のアノード側の端部に配置されたアノード側集電板と、前記積層体のカソード側の端部に配置されたカソード側集電板と、前記アノード側集電板を挟んで前記積層体の反対側に配置されたアノード側エンドプレートと、前記カソード側集電板を挟んで前記積層体の反対側に配置されたカソード側エンドプレートと、前記アノード側集電板と前記アノード側エンドプレートとの間に配置された電気ヒータと、を備えており、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池システムの運転が停止されて、オープン状態に維持すべき制御信号の入力が途絶えたときに、クローズ状態になることによって、前記アノード側集電板、および、前記カソード側集電板によって集電された電力を、前記電気ヒータに供給するためのスイッチを備える、燃料電池システム。 Application Example 1 A fuel cell system including a fuel cell stack, wherein the fuel cell stack includes a stacked body in which a plurality of single cells are stacked, and an anode-side collector disposed at an end portion on the anode side of the stacked body. An electrical plate, a cathode current collector disposed at an end of the laminate on the cathode side, an anode end plate disposed on the opposite side of the laminate across the anode current collector, and A cathode-side end plate disposed on the opposite side of the laminate with the cathode-side current collector interposed therebetween, and an electric heater disposed between the anode-side current collecting plate and the anode-side end plate. The fuel cell system is further closed when the operation of the fuel cell system is stopped and the input of a control signal to be maintained in the open state is interrupted, Serial anode side collector plate, and the power that is a current collector by the cathode-side current collecting plate, a switch to be supplied to the electric heater, the fuel cell system.

ここで、アノード側集電板とは、燃料電池スタックにおいて、上記積層体の一方の端部に配置され、電流が流れ込む（電子が流れ出す）側の集電板を意味しており、カソード側集電板とは、燃料電池スタックにおいて、上記積層体の他方の端部に配置され、電流が流れ出す（電子が流れ込む）側の集電板を意味している。また、アノード側エンドプレートとは、アノード側集電板に近接して配置されるエンドプレートを意味しており、カソード側エンドプレートとは、カソード側集電板に近接して配置されるエンドプレートを意味している。 Here, the anode-side current collector plate means a current-collector plate on the side where current flows (electrons flow), which is disposed at one end of the stack in the fuel cell stack. In the fuel cell stack, the electric plate means a current collecting plate that is disposed on the other end of the laminate and from which current flows (electrons flow). The anode side end plate means an end plate arranged close to the anode side current collecting plate, and the cathode side end plate means an end plate arranged close to the cathode side current collecting plate. Means.

また、燃料電池システムの運転が停止されるとは、例えば、燃料電池システムの起動スイッチがオフにされる等、燃料電池システムの各部の制御が停止されることを意味している。したがって、燃料電池システムの各部の制御が停止された後に、例えば、燃料電池スタックへの燃料ガス、および、酸化剤ガスの供給が停止された後も、燃料電池スタックの内部に残留する燃料ガス、および、酸化剤ガスが拡散して発電が行われる等、燃料電池システムの一部が、各種制御信号とは無関係に作動する場合であっても、燃料電池システムの運転は停止されていることとなる。 Further, the operation of the fuel cell system being stopped means that the control of each part of the fuel cell system is stopped, for example, the start switch of the fuel cell system is turned off. Therefore, after the control of each part of the fuel cell system is stopped, for example, the fuel gas remaining in the fuel cell stack even after the supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell stack is stopped, Even when a part of the fuel cell system is operated independently of various control signals, such as when the oxidant gas is diffused and power generation is performed, the operation of the fuel cell system is stopped. Become.

適用例１の燃料電池システムは、燃料電池スタックが、アノード側集電板とアノード側エンドプレートとの間に電気ヒータを備えているので、この電気ヒータに電力を供給することによって、上記積層体のアノード側の端部セルにおいて、放熱により、より低温になりやすいアノードを加熱することができる。したがって、上記積層体のアノード側の端部セルにおける極間温度差を低減し、その端部セルにおけるカソード側からアノード側への生成水の移動を抑制することができる。 In the fuel cell system of Application Example 1, since the fuel cell stack includes an electric heater between the anode-side current collector plate and the anode-side end plate, by supplying electric power to the electric heater, the laminated body In the end cell on the anode side, it is possible to heat the anode that tends to become lower temperature by heat radiation. Therefore, the temperature difference between the electrodes in the end cell on the anode side of the laminate can be reduced, and the generated water can be suppressed from moving from the cathode side to the anode side in the end cell.

さらに、適用例１の燃料電池システムは、燃料電池システムの運転が停止されて、オープン状態に維持すべき制御信号の入力が途絶えたときに、クローズ状態になることによって、アノード側集電板、および、カソード側集電板によって集電された電力を、上記電気ヒータに供給するためのスイッチを備えているので、燃料電池システムが停止された後であっても、燃料電池スタック内に燃料ガス、および、酸化剤ガスが残留している間は、この残留ガスによって発電を継続し、電気ヒータに電力を供給することができる。 Furthermore, the fuel cell system according to the application example 1 is closed when the operation of the fuel cell system is stopped and the input of a control signal to be maintained in the open state is interrupted, whereby the anode-side current collector plate, And a switch for supplying the electric power collected by the cathode current collector plate to the electric heater, so that even after the fuel cell system is stopped, the fuel gas in the fuel cell stack As long as the oxidant gas remains, power generation can be continued with this residual gas and electric power can be supplied to the electric heater.

つまり、本適用例の燃料電池システムによって、燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタックの端部に配置された単セルにおける電極間の温度勾配による生成水の移動を抑制することができる。 That is, according to the fuel cell system of this application example, when the fuel cell system is stopped, movement of generated water due to the temperature gradient between the electrodes in the single cells arranged at the end of the fuel cell stack can be suppressed.

なお、本適用例の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転が停止された後、燃料電池スタック内の残留ガスが消費されて発電不能となったときには、上記スイッチはクローズ状態のまま、上記電気ヒータによる加熱は停止され、上記積層体のアノード側の端部セルの温度は低下するが、このときには、燃料電池システムが停止されてからの経過時間が十分に長いため、燃料電池スタック全体の温度が低下している。したがって、このときには、先に説明した端部セルにおける生成水の移動は少なく、フラッディングやガス分配の不均一は発生しにくい。 In the fuel cell system of this application example, when the operation of the fuel cell system is stopped and the residual gas in the fuel cell stack is consumed and power generation becomes impossible, the switch remains closed and the electric Heating by the heater is stopped, and the temperature of the end cell on the anode side of the laminate decreases, but at this time, since the elapsed time since the fuel cell system was stopped is sufficiently long, the temperature of the entire fuel cell stack Has fallen. Therefore, at this time, the generated water moves little in the end cells described above, and flooding and gas distribution are less likely to occur.

［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの運転が停止されたときに、前記電気ヒータに供給される電力は、前記燃料電池スタックの内部に残留する燃料ガス、および、酸化剤ガスを利用して発電された電力である、燃料電池システム。 Application Example 2 In the fuel cell system according to Application Example 1, when the operation of the fuel cell system is stopped, the electric power supplied to the electric heater is the fuel that remains in the fuel cell stack. A fuel cell system, which is electric power generated using gas and oxidant gas.

［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記スイッチをオープン状態に維持すべき制御信号を前記スイッチに出力することが可能なスイッチ制御部を備え、前記スイッチ制御部は、前記燃料電池システムの運転中に、前記制御信号の出力を停止する、燃料電池システム。 [Application Example 3] The fuel cell system according to Application Example 1 or 2, further comprising a switch control unit capable of outputting to the switch a control signal that should keep the switch open. The control unit stops the output of the control signal during operation of the fuel cell system.

適用例３の燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転中に、上記電気ヒータによって、アノード側の端部セルを加熱して、飽和水蒸気圧を上昇させることができる。したがって、放熱により、温度が低下しやすい端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一を抑制することができる。 In the fuel cell system of Application Example 3, during the operation of the fuel cell system, the end cell on the anode side can be heated by the electric heater to increase the saturated water vapor pressure. Accordingly, it is possible to suppress flooding and non-uniformity of gas distribution in the end cells, which are likely to decrease in temperature, due to heat dissipation.

［適用例４］適用例３記載の燃料電池システムであって、前記スイッチ制御部は、前記燃料電池スタックに、該燃料電池スタックの外部から、燃料ガス、および、酸化剤ガスが供給されている所定期間、前記制御信号の出力を停止する、燃料電池システム。 Application Example 4 The fuel cell system according to Application Example 3, wherein the switch control unit is supplied with fuel gas and oxidant gas from the outside of the fuel cell stack to the fuel cell stack. A fuel cell system that stops outputting the control signal for a predetermined period.

こうすることによって、燃料電池スタックに、燃料電池スタックの外部から、燃料ガス、および、酸化剤ガスが供給されて発電が行われている最中に、端部セルにおけるフラッディングを抑制することができる。 By doing so, flooding in the end cell can be suppressed while the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell stack from the outside of the fuel cell stack and the power generation is performed. .

なお、適用例４の燃料電池システムにおいて、さらに、端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一を検出する検出手段を設け、この検出手段によって、端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一が検出されたときに、上記電気ヒータに電力を供給して端部セルを加熱するようにしてもよい。こうすることによって、端部セルを不必要に加熱することによる燃料電池システムのエネルギ効率の低下を抑制することができる。 Note that the fuel cell system of Application Example 4 further includes detection means for detecting non-uniform flooding and gas distribution in the end cells, and this detection means detects non-uniform flooding and gas distribution in the end cells. When this is done, power may be supplied to the electric heater to heat the end cells. By doing so, it is possible to suppress a decrease in energy efficiency of the fuel cell system due to unnecessary heating of the end cells.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 1000 as an embodiment of the present invention.

燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各単セル４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却媒体（水、エチレングリコール等）の流路が形成されている。なお、単セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。 The fuel cell stack 100 has a stack structure in which a plurality of single cells 40 that generate power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen are stacked. Each single cell 40 is generally configured such that a membrane electrode assembly in which an anode and a cathode are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity is sandwiched between separators. Each of the anode and the cathode includes a catalyst layer bonded to each surface of the electrolyte membrane and a gas diffusion layer bonded to the surface of the catalyst layer. In this example, a solid polymer membrane such as Nafion (registered trademark) is used as the electrolyte membrane. Other electrolyte membranes such as solid oxides may be used as the electrolyte membrane. Each separator is provided with a hydrogen flow path as a fuel gas to be supplied to the anode, an air flow path as an oxidant gas to be supplied to the cathode, and a cooling medium (water, ethylene glycol, etc.) flow path. Has been. Note that the number of stacked single cells 40 can be arbitrarily set according to the output required for the fuel cell stack 100.

燃料電池スタック１００は、一端から、アノード側エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、電気ヒータ２２、アノード側集電板３０ａ、複数の単セル４０、カソード側集電板３０ｃ、絶縁板２０ｃ、カソード側エンドプレート１０ｃの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却媒体を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却媒体を、それぞれ各単セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却媒体供給マニホールド）や、各単セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却媒体を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却媒体排出マニホールド）が形成されている。 The fuel cell stack 100 includes an anode side end plate 10a, an insulating plate 20a, an electric heater 22, an anode side current collecting plate 30a, a plurality of single cells 40, a cathode side current collecting plate 30c, an insulating plate 20c, and a cathode side end from one end. The plates 10c are stacked in this order. These are provided with a supply port and a discharge port for flowing hydrogen, air, and a cooling medium in the fuel cell stack 100. Further, in the fuel cell stack 100, supply manifolds (hydrogen supply manifold, air supply manifold, cooling medium supply manifold) for distributing and supplying hydrogen, air, and a cooling medium to each single cell 40, respectively, A discharge manifold (anode off-gas discharge manifold, cathode off-gas discharge manifold) for collecting anode off-gas and cathode off-gas discharged from the anode and cathode of each unit cell 40 and discharging the cooling medium to the outside of the fuel cell stack 100 , A cooling medium discharge manifold) is formed.

燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。 Hydrogen as fuel gas is supplied to the anode of the fuel cell stack 100 from a hydrogen tank 50 that stores high-pressure hydrogen via a pipe 53. Instead of the hydrogen tank 50, a hydrogen-rich gas may be generated by a reforming reaction using alcohol, hydrocarbon, aldehyde or the like as a raw material, and supplied to the anode.

水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各単セル４０のアノードに供給される。各単セル４０から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管５６を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを燃料電池スタック１００の外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器等によって処理される。 The high-pressure hydrogen stored in the hydrogen tank 50 is adjusted in pressure and supply amount by a shut valve 51 and a regulator 52 provided at the outlet of the hydrogen tank 50, and is supplied to each unit cell 40 through the hydrogen supply manifold. Supplied to the anode. The anode off gas discharged from each single cell 40 can be discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via a discharge pipe 56 connected to the anode off gas discharge manifold. Note that when the anode off gas is discharged to the outside of the fuel cell stack 100, hydrogen contained in the anode off gas is processed by a diluter or the like (not shown).

また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。 Further, a circulation pipe 54 for recirculating the anode off gas to the pipe 53 is connected to the pipe 53 and the discharge pipe 56. An exhaust valve 57 is disposed on the downstream side of the connection portion between the discharge pipe 56 and the circulation pipe 54. The circulation pipe 54 is provided with a pump 55. By controlling the driving of the pump 55 and the exhaust valve 57, it is possible to appropriately switch whether the anode off gas is discharged to the outside or circulated through the pipe 53. By recirculating the anode off gas to the pipe 53, unconsumed hydrogen contained in the anode off gas can be efficiently used.

燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各単セル４０のカソードに供給される。各単セル４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。 Compressed air compressed by the compressor 60 is supplied to the cathode of the fuel cell stack 100 as an oxidant gas containing oxygen via a pipe 61. The compressed air is supplied to the cathode of each single cell 40 through an air supply manifold connected to the pipe 61. Cathode off gas discharged from the cathode of each single cell 40 is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via a discharge pipe 62 connected to the cathode off gas discharge manifold. From the discharge pipe 62, the generated water generated by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen at the cathode of the fuel cell stack 100 is discharged together with the cathode off-gas.

燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却媒体も供給される。この冷却媒体は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。 Since the fuel cell stack 100 generates heat by the above-described electrochemical reaction, the fuel cell stack 100 is also supplied with a cooling medium for cooling the fuel cell stack 100. This cooling medium flows through the pipe 72 by the pump 70, is cooled by the radiator 71, and is supplied to the fuel cell stack 100.

なお、燃料電池スタック１００では、複数の単セル４０のうちの端部に配置された端部セルは、放熱によって、中央部に配置された中央部セルよりも温度が低くなりやすい。さらに、端部セルでは、燃料電池システム１０００の停止後に、アノードとカソードとの間の極間温度差、および、飽和水蒸気圧差が大きくなり、発電時に生成された生成水が、電解質膜を透過して、高温側（飽和水蒸気圧が高い側）から低温側（飽和水蒸気圧が低い側）に移動し、一方の電極に過剰な生成水が滞留することになる。この場合、端部セルにおいて、特に、燃料電池システム１０００の低温始動時に、フラッディングやガス分配の不均一による電圧低下が発生しやすくなる。そして、このような不具合は、特に、アノード側で看過できない。アノードでは、発電時に、フラッディングによって、燃料ガス（水素）の供給が閉塞すると、アノード側の触媒層が劣化するからである。 Note that, in the fuel cell stack 100, the end cells arranged at the end of the plurality of single cells 40 tend to be lower in temperature than the center cells arranged in the center due to heat dissipation. Further, in the end cell, after the fuel cell system 1000 is stopped, the temperature difference between the anode and the cathode and the saturated water vapor pressure difference become large, and the generated water generated during power generation passes through the electrolyte membrane. Thus, it moves from the high temperature side (the side with a high saturated water vapor pressure) to the low temperature side (the side with a low saturated water vapor pressure), and excessive product water stays in one of the electrodes. In this case, in the end cells, particularly when the fuel cell system 1000 is started at a low temperature, a voltage drop due to flooding or nonuniform gas distribution tends to occur. Such a defect cannot be overlooked particularly on the anode side. This is because the anode-side catalyst layer deteriorates when the supply of fuel gas (hydrogen) is blocked by flooding during power generation.

そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、上述した端部セルにおける生成水の移動を抑制することが可能な構成を採用している。すなわち、燃料電池スタック１００が、アノード側集電板３０ａと絶縁板２０ａとの間に電気ヒータ２２を備えるようにし、ノーマリクローズ（Ｎ．Ｃ．）のリレー２００がクローズ状態になったときに、アノード側集電板３０ａ、および、カソード側集電板３０ｃによって集電された電力が電気ヒータ２２に供給され、アノード側の端部セルの、より低温になりやすいアノードを加熱する構成を採用している。 Therefore, the fuel cell system 1000 according to the present embodiment employs a configuration that can suppress the movement of the generated water in the end cells described above. That is, when the fuel cell stack 100 is provided with the electric heater 22 between the anode side current collecting plate 30a and the insulating plate 20a, and the normally closed (NC) relay 200 is in the closed state. The power collected by the anode side current collector plate 30a and the cathode side current collector plate 30c is supplied to the electric heater 22 to heat the anode of the end cell on the anode side, which tends to be colder. is doing.

燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット３００によって制御される。制御ユニット３００は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動や、リレー２００をオープン状態にする制御等、システムの運転を制御する。リレー２００は、本発明におけるスイッチに相当する。また、制御ユニット３００は、本発明におけるスイッチ制御部に相当する。 The operation of the fuel cell system 1000 is controlled by the control unit 300. The control unit 300 is configured as a microcomputer including a CPU, RAM, ROM, timer, and the like, and according to a program stored in the ROM, for example, various valves and pumps are driven, and the relay 200 is opened. Control system operation, such as The relay 200 corresponds to the switch in the present invention. The control unit 300 corresponds to the switch control unit in the present invention.

Ｂ．運転制御：
図２は、燃料電池システム１０００の運転制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット３００のＣＰＵが実行する処理である。 B. Operation control:
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of operation control of the fuel cell system 1000. This process is a process executed by the CPU of the control unit 300.

ＣＰＵは、例えば、燃料電池システム１０００の起動スイッチがオンにされ、燃料電池システム１０００を起動する旨の指示が入力されると、シャットバルブ５１、レギュレータ５２の開弁、コンプレッサ６０、ポンプ５５の起動等を行い、燃料電池スタック１００に水素、および、空気を供給する（ステップＳ１００）。そして、ＣＰＵは、リレー２００をオープン状態に維持すべき制御信号をリレー２００に出力して、リレー２００をオープン状態に維持する（ステップＳ１１０）。その後、ＣＰＵは、入力された要求出力等に基づいて、燃料電池スタック１００への水素、および、空気の供給量等の各種制御を行い、発電を行う。 For example, when the start switch of the fuel cell system 1000 is turned on and an instruction to start the fuel cell system 1000 is input, the CPU opens the shut valve 51, the regulator 52, the compressor 60, and the pump 55. Etc. to supply hydrogen and air to the fuel cell stack 100 (step S100). And CPU outputs the control signal which should maintain relay 200 in an open state to relay 200, and maintains relay 200 in an open state (step S110). After that, the CPU performs various controls such as the supply amount of hydrogen and air to the fuel cell stack 100 based on the input required output and the like to generate power.

そして、ＣＰＵは、例えば、燃料電池システム１０００の起動スイッチがオフにされ、燃料電池システム１０００を停止する旨の指示が入力されると、システム全体の制御を停止する（ステップＳ１２０）。このとき、燃料電池スタック１００への水素、および、空気の供給が停止される。また、制御ユニット３００からリレー２００へのリレー２００をオープン状態に維持すべき制御信号が途切れるので、リレー２００は自ずとクローズ状態になる。すると、燃料電池スタック１００の内部に残留する残留ガス（水素、および、空気）を利用して発電が継続され、アノード側集電板３０ａ、および、カソード側集電板３０ｃによって集電された電力が電気ヒータ２２に供給されて、端部セルの加熱が行われる。その後、燃料電池スタック１００の内部の残留ガスが消費されて発電不能になると、リレー２００はクローズ状態のまま、電気ヒータ２２による端部セルの加熱は停止される。 Then, for example, when the start switch of the fuel cell system 1000 is turned off and an instruction to stop the fuel cell system 1000 is input, the CPU stops the control of the entire system (step S120). At this time, supply of hydrogen and air to the fuel cell stack 100 is stopped. Moreover, since the control signal which should maintain the relay 200 from the control unit 300 to the relay 200 in an open state is interrupted, the relay 200 is naturally closed. Then, power generation is continued using the residual gas (hydrogen and air) remaining in the fuel cell stack 100, and the power collected by the anode-side current collector plate 30a and the cathode-side current collector plate 30c. Is supplied to the electric heater 22 to heat the end cells. Thereafter, when the residual gas in the fuel cell stack 100 is consumed and power generation becomes impossible, the relay 200 remains closed and the heating of the end cells by the electric heater 22 is stopped.

以上説明した本実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００が、アノード側集電板３０ａとアノード側エンドプレート１０ａとの間に電気ヒータ２２を備えているので、この電気ヒータ２２に電力を供給することによって、アノード側の端部セルにおいて、放熱により、より低温になりやすいアノードを加熱することができる。したがって、アノード側の端部セルにおける極間温度差を低減し、その端部セルにおけるカソード側からアノード側への生成水の移動を抑制することができる。 According to the fuel cell system 1000 of the present embodiment described above, the fuel cell stack 100 includes the electric heater 22 between the anode side current collecting plate 30a and the anode side end plate 10a. By supplying electric power to the anode, it is possible to heat the anode, which tends to have a lower temperature due to heat dissipation, in the end cell on the anode side. Therefore, the temperature difference between the electrodes in the end cell on the anode side can be reduced, and the generated water can be suppressed from moving from the cathode side to the anode side in the end cell.

さらに、本実施例の燃料電池システム１０００は、燃料電池システム１０００の運転が停止されて、オープン状態に維持すべき制御信号の入力が途絶えたときに、クローズ状態になることによって、アノード側集電板３０ａ、および、カソード側集電板３０ｃによって集電された電力を、電気ヒータ２２に供給するためのノーマリクローズのリレー２００を備えているので、燃料電池システム１０００が停止された後であっても、燃料電池スタック１００内に燃料ガス、および、酸化剤ガスが残留している間は、この残留ガスによって発電を継続し、電気ヒータ２２に電力を供給することができる。 Further, the fuel cell system 1000 according to the present embodiment is in a closed state when the operation of the fuel cell system 1000 is stopped and an input of a control signal to be maintained in the open state is interrupted, whereby the anode side current collector is Since the normally closed relay 200 for supplying the electric power collected by the plate 30a and the cathode side current collecting plate 30c to the electric heater 22 is provided, the fuel cell system 1000 is stopped after the stop. However, while the fuel gas and the oxidant gas remain in the fuel cell stack 100, power generation can be continued with the residual gas and power can be supplied to the electric heater 22.

つまり、本実施例の燃料電池システム１０００によって、燃料電池システム１０００の停止時に、燃料電池スタック１００の端部に配置された単セル４０における電極間の温度勾配による生成水の移動を抑制することができる。 That is, by the fuel cell system 1000 of the present embodiment, when the fuel cell system 1000 is stopped, the movement of the generated water due to the temperature gradient between the electrodes in the single cell 40 disposed at the end of the fuel cell stack 100 can be suppressed. it can.

なお、本実施例の燃料電池システム１０００において、燃料電池スタック１００内の残留ガスが消費されて発電不能となったときには、リレー２００はクローズ状態のまま、電気ヒータ２２による加熱は停止され、アノード側の端部セルの温度は低下するが、このときには、燃料電池システム１０００が停止されてからの経過時間が十分に長いため、燃料電池スタック１００全体の温度が低下している。したがって、このときには、先に説明した端部セルにおける生成水の移動は少なく、フラッディングやガス分配の不均一は発生しにくい。 In the fuel cell system 1000 of this embodiment, when the residual gas in the fuel cell stack 100 is consumed and power generation becomes impossible, the relay 200 remains closed and the heating by the electric heater 22 is stopped, and the anode side However, at this time, since the elapsed time after the fuel cell system 1000 is stopped is sufficiently long, the temperature of the entire fuel cell stack 100 is decreased. Therefore, at this time, the generated water moves little in the end cells described above, and flooding and gas distribution are less likely to occur.

また、本実施例の燃料電池システム１０００では、電気ヒータ２２に電力を供給するための外部電源を備える必要がないので、燃料電池システム１０００の小型化を図ることができる。 Further, in the fuel cell system 1000 of the present embodiment, it is not necessary to provide an external power source for supplying electric power to the electric heater 22, and therefore the fuel cell system 1000 can be reduced in size.

また、本実施例の燃料電池システム１０００では、電気ヒータ２２が、アノード側集電板３０ａとアノード側エンドプレート１０ａとの間に配置されているので、例えば、熱容量が比較的大きいアノード側エンドプレート１０ａの内部に電気ヒータ２２を内蔵する場合よりも、効果的に端部セルの加熱を行うことができる。 Further, in the fuel cell system 1000 of the present embodiment, the electric heater 22 is disposed between the anode side current collecting plate 30a and the anode side end plate 10a, and therefore, for example, the anode side end plate having a relatively large heat capacity. The end cells can be heated more effectively than the case where the electric heater 22 is built in the interior of 10a.

Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。 C. Variation:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.

Ｃ．変形例１：
上記実施例では、リレー２００は、燃料電池システム１０００の運転が停止されたときに、クローズ状態になるものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池システム１０００の運転中に、制御ユニット３００からリレー２００へのリレー２００をオープン状態に維持すべき制御信号の出力を停止して、リレー２００をクローズ状態にするようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池システム１０００の運転中に電気ヒータ２２を起動して、端部セルを加熱して飽和水蒸気圧を上昇させ、放熱によって温度が低下しやすい端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一を抑制することができる。 C. Modification 1:
In the above embodiment, the relay 200 is in the closed state when the operation of the fuel cell system 1000 is stopped, but the present invention is not limited to this. During the operation of the fuel cell system 1000, the output of the control signal that should keep the relay 200 from the control unit 300 to the relay 200 open may be stopped and the relay 200 may be closed. By doing so, the electric heater 22 is activated during the operation of the fuel cell system 1000 to heat the end cells to increase the saturated water vapor pressure, and the flooding and gas distribution in the end cells where the temperature tends to decrease due to heat dissipation. Can be suppressed.

なお、このような態様では、燃料電池システム１０００に、さらに、端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一を検出する検出手段を設け、この検出手段によって、端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一が検出されたときに、電気ヒータ２２に電力を供給して端部セルを加熱するようにしてもよい。こうすることによって、端部セルを不必要に加熱することによる燃料電池システム１０００のエネルギ効率の低下を抑制することができる。 In such an embodiment, the fuel cell system 1000 is further provided with detection means for detecting non-uniform flooding and gas distribution in the end cells, and the detection means prevents flooding and gas distribution in the end cells. When uniformity is detected, power may be supplied to the electric heater 22 to heat the end cells. By doing so, a decrease in energy efficiency of the fuel cell system 1000 due to unnecessary heating of the end cells can be suppressed.

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、電気ヒータ２２は、アノード側集電板３０ａとアノード側エンドプレート１０ａとの間に配置されるものとしたが、本発明は、これに限られない。さらに、カソード側集電板３０ｃとカソード側エンドプレート１０ｃとの間にも、燃料電池スタック１００によって発電された電力によって加熱を行う電気ヒータを配置するようにしてもよい。こうすることによって、２つの電気ヒータによって燃料電池スタック１００における両端部の端部セルを加熱して、これらにおけるフラッディングやガス分配の不均一を抑制するようにすることができる。 C2. Modification 2:
In the above embodiment, the electric heater 22 is disposed between the anode side current collecting plate 30a and the anode side end plate 10a, but the present invention is not limited to this. Furthermore, an electric heater that performs heating with electric power generated by the fuel cell stack 100 may be disposed between the cathode-side current collecting plate 30c and the cathode-side end plate 10c. By doing so, the end cells at both ends of the fuel cell stack 100 can be heated by the two electric heaters, and flooding and gas distribution non-uniformity in these can be suppressed.

本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system 1000 as one Example of this invention. 燃料電池システム１０００の運転制御の流れを示すフローチャートである。5 is a flowchart showing a flow of operation control of the fuel cell system 1000.

Explanation of symbols

１０００…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０ａ…アノード側エンドプレート
１０ｃ…カソード側エンドプレート
２０ａ，２０ｃ…絶縁板
２２…電気ヒータ
３０ａ…アノード側集電板
３０ｃ…カソード側集電板
４０…単セル
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…循環配管
５５…ポンプ
５６…排出配管
５７…排気バルブ
６０…コンプレッサ
６１…配管
６２…排出配管
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
２００…リレー
３００…制御ユニット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1000 ... Fuel cell system 100 ... Fuel cell stack 10a ... Anode side end plate 10c ... Cathode side end plate 20a, 20c ... Insulating plate 22 ... Electric heater 30a ... Anode side current collecting plate 30c ... Cathode side current collecting plate 40 ... Single cell DESCRIPTION OF SYMBOLS 50 ... Hydrogen tank 51 ... Shut valve 52 ... Regulator 53 ... Piping 54 ... Circulation piping 55 ... Pump 56 ... Discharge piping 57 ... Exhaust valve 60 ... Compressor 61 ... Piping 62 ... Discharge piping 70 ... Pump 71 ... Radiator 72 ... Piping 200 ... Relay 300 ... Control unit

Claims

A fuel cell system comprising a fuel cell stack,
The fuel cell stack is
A laminate in which a plurality of single cells are laminated;
An anode current collector disposed at an end of the laminate on the anode side;
A cathode current collector disposed at the cathode side end of the laminate;
An anode side end plate disposed on the opposite side of the laminate with the anode side current collector sandwiched therebetween,
A cathode-side end plate disposed on the opposite side of the laminate with the cathode-side current collector plate in between;
An electric heater disposed between the anode-side current collector plate and the anode-side end plate;
With
The fuel cell system further includes:
A switch for supplying power collected by the anode-side current collector plate and the cathode-side current collector plate to the electric heater after the operation of the fuel cell system is stopped;
Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
When the operation of the fuel cell system is stopped, the electric power supplied to the electric heater is the electric power generated using the fuel gas remaining in the fuel cell stack and the oxidant gas. ,
Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The switch is a switch that is in a closed state when the operation of the fuel cell system is stopped and an input of a control signal to be maintained in an open state is interrupted,
Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 3, further comprising:
A switch control unit capable of outputting to the switch a control signal to maintain the switch in an open state;
The switch control unit stops outputting the control signal during operation of the fuel cell system.
Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 4, wherein
The switch control unit stops the output of the control signal for a predetermined period in which fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell stack from the outside of the fuel cell stack;
Fuel cell system.