JP5538192B2

JP5538192B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5538192B2
Application number: JP2010264519A
Authority: JP
Inventors: 隆夫福水; 顕一村上; 昌弘毛里
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-11-29
Also published as: JP2012114056A

Description

本発明は、酸化剤ガス流路からカソード側に供給される空気及び燃料ガス流路からアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池に前記空気を供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関する。 The present invention includes a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction of air supplied from an oxidant gas channel to the cathode side and fuel gas supplied from the fuel gas channel to the anode side, and a plurality of the fuel cells are stacked. The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack, an oxidant gas supply device that supplies the air to the fuel cell, and a fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel cell.

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。 In a fuel cell, a fuel gas (a gas mainly containing hydrogen, for example, hydrogen gas) and an oxidant gas (a gas mainly containing oxygen, for example, air) are supplied to an anode electrode and a cathode electrode to be electrochemical. It is a system that obtains direct-current electric energy by reacting with. This system is incorporated in a fuel cell vehicle for in-vehicle use as well as stationary use.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between a pair of separators. Yes. A fuel gas passage for supplying fuel gas to the anode electrode is formed between one separator and the electrolyte membrane / electrode structure, and between the other separator and the electrolyte membrane / electrode structure. Is formed with an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode electrode.

ところで、燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、燃料ガス流路内に前記燃料ガスが残留する一方、酸化剤ガス流路内に前記酸化剤ガスが残留している。従って、特に燃料電池の停止期間が長くなると、燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混在するおそれがある。 By the way, when the fuel cell is stopped, the supply of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, but the fuel gas remains in the fuel gas flow channel, while the oxidant gas remains in the oxidant gas flow channel. ing. Therefore, especially when the stop period of the fuel cell becomes long, the fuel gas and the oxidant gas may permeate the electrolyte membrane, and the fuel gas and the oxidant gas may be mixed.

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置が知られている。この燃料電池装置は、少なくとも改質装置、アノード電極からなるアノードラインと、少なくともカソード電極を備えるカソードラインと、前記アノードラインの改質装置とアノード電極及び前記カソードラインのカソード電極に当該電池の起動時及び停止時に窒素ガスでパージするための窒素ガス導入ラインとを備えている。 Therefore, for example, a fuel cell device disclosed in Patent Document 1 is known. The fuel cell device includes at least a reformer, an anode line including an anode electrode, a cathode line including at least a cathode electrode, and the anode line reformer, the anode electrode, and the cathode electrode of the cathode line. And a nitrogen gas introduction line for purging with nitrogen gas at the time and during stoppage.

そして、この燃料電池装置は、アノード電極及びカソード電極のそれぞれに窒素ガスが各々の電極を迂回して流れるバイパスラインを備えるとともに、前記バイパスラインに前記窒素ガスの流通を遮断する遮断弁を備えている。 The fuel cell device includes a bypass line through which each of the anode electrode and the cathode electrode flows nitrogen gas, and a cutoff valve that blocks the flow of the nitrogen gas in the bypass line. Yes.

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムの運転方法では、燃料電池のカソード電極に空気が供給され、空気中の酸素が消費された後のガスが再度、循環されてアノード電極に供給されている。これにより、濃縮窒素が生成され、該濃縮窒素によるパージ処理が行われている。 Further, in the operation method of the fuel cell system disclosed in Patent Document 2, air is supplied to the cathode electrode of the fuel cell, and the gas after consumption of oxygen in the air is circulated again and supplied to the anode electrode. Has been. Thereby, concentrated nitrogen is produced | generated and the purge process by this concentrated nitrogen is performed.

特公平８−１５０９１号公報Japanese Patent Publication No. 8-15091 米国特許第６，９３９，６３３号明細書US Pat. No. 6,939,633

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池装置が燃料電池車両に搭載される際、窒素ボンベを使用する必要がある。このため、定期的に窒素ボンベに窒素を補充する作業を行わなければならず、この種の作業が煩雑化するという問題がある。 However, in the above Patent Document 1, it is necessary to use a nitrogen cylinder when the fuel cell device is mounted on a fuel cell vehicle. For this reason, there is a problem that the operation of periodically replenishing the nitrogen cylinder with nitrogen must be performed, and this type of operation becomes complicated.

また、上記の特許文献２では、システム容量が相当に大きくなり、消費電力が増大して経済的ではないという問題がある。 Moreover, in the above-mentioned Patent Document 2, there is a problem that the system capacity becomes considerably large and the power consumption increases, which is not economical.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制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。 The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of the fuel cell as much as possible with a simple and compact configuration.

本発明は、酸化剤ガス流路からカソード側に供給される空気及び燃料ガス流路からアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガス供給流路を介して前記燃料電池に前記空気を供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。 The present invention includes a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction of air supplied from an oxidant gas channel to the cathode side and fuel gas supplied from the fuel gas channel to the anode side, and a plurality of the fuel cells are stacked. A fuel cell stack, an oxidant gas supply device for supplying the air to the fuel cell via an oxidant gas supply channel, and a fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell The present invention relates to a battery system.

この燃料電池システムは、燃料電池スタックによる通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで運転を行うとともに、カソード出口側に前記燃料電池スタックのカソード側出口よりも窒素リッチな排ガスを生成する補助燃料電池スタックを備えている。 This fuel cell system operates with a low oxygen stoichiometry lower than the oxygen stoichiometry during normal power generation by the fuel cell stack, and generates an auxiliary gas that produces nitrogen-rich exhaust gas at the cathode outlet side than the cathode side outlet of the fuel cell stack. It has a fuel cell stack.

燃料電池スタックの酸化剤ガス流路の入口は、酸化剤ガス供給流路に連通し、前記燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路の出口は、補助燃料電池スタックの酸化剤ガス流路の入口に連通することにより、前記燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路と前記補助燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路とは、酸化剤ガス供給装置に対して直列に接続されている。 Inlet of the oxidizing gas channel of the fuel cell stack is in communication with oxidant gas supply channel, an outlet of the oxidant gas flow path of the fuel cell stack, the auxiliary fuel cell stack oxidant gas channel by communicating with the inlet, said a fuel cell stack wherein the oxidant gas flow path and the oxidant gas flow path and the auxiliary fuel cell stack are connected in series with the oxidant gas supply device.

さらにまた、この燃料電池システムでは、補助燃料電池スタックの酸化剤ガス流路から排出される排ガスを加圧貯蔵するとともに、前記排ガスを少なくとも燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路に供給自在な排ガス貯蔵装置を備えることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell system, the exhaust gas discharged from the oxidant gas flow path of the auxiliary fuel cell stack is pressurized and stored, and the exhaust gas can be supplied to at least the oxidant gas flow path of the fuel cell stack. A storage device is preferably provided.

本発明では、補助燃料電池スタックが低酸素ストイキの酸化剤ガスにより発電されるため、前記補助燃料電池スタックのカソード側出口には、窒素リッチ（窒素濃度の高い）な排ガスが生成される。従って、窒素リッチな排ガスは、燃料電池スタックの、例えば、酸化剤ガス流路をパージするためのパージガスとして利用することができる。 In the present invention, since the auxiliary fuel cell stack is generated by the low-oxygen stoichiometric oxidant gas, a nitrogen-rich (high nitrogen concentration) exhaust gas is generated at the cathode side outlet of the auxiliary fuel cell stack. Therefore, the nitrogen-rich exhaust gas can be used as a purge gas for purging, for example, an oxidant gas flow path of the fuel cell stack.

このため、燃料電池スタックのカソード側には、窒素ガスが充満して酸素濃度が低下し、燃料電池及びガス配管内を前記窒素ガスにより満たすことが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能になる。 For this reason, the cathode side of the fuel cell stack is filled with nitrogen gas, the oxygen concentration is lowered, and the fuel cell and the gas pipe can be filled with the nitrogen gas. Thereby, it becomes possible to suppress deterioration of the fuel cell as much as possible with a simple and compact configuration.

しかも、酸化剤ガスが低酸素ストイキで供給される補助燃料電池スタックでは、発電が行われている。このため、補助燃料電池スタックの発電により発生した電力は、補器類の駆動電源として有効に利用することができ、エネルギロスを可及的に抑制して経済的である。 In addition, power generation is performed in the auxiliary fuel cell stack in which the oxidant gas is supplied with low oxygen stoichiometry. For this reason, the electric power generated by the power generation of the auxiliary fuel cell stack can be effectively used as a driving power source for the auxiliary devices, and it is economical by suppressing energy loss as much as possible.

本発明に関連する燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of a fuel cell system that are related to the present invention. 前記燃料電池システムを構成する補助燃料電池スタックのガス流路説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of gas flow paths of an auxiliary fuel cell stack constituting the fuel cell system. 前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。It is circuit explanatory drawing which comprises the said fuel cell system. 前記燃料電池システムの動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the said fuel cell system. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of a fuel cell system according to the implementation embodiments of the present invention.

図１に示すように、本発明に関連する燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２による通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで運転を行うとともに、カソード出口側に前記燃料電池スタック１２のカソード側出口よりも窒素リッチな排ガスを生成する補助燃料電池スタック１８と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ２０とを備える。燃料電池システム１０は、図示しないが、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。補助燃料電池スタック１８は、酸化剤ガス供給装置１４に対して並列に接続される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 that relate to the present invention includes a fuel cell stack 12, an oxidizing gas supply device 14 for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack 12, the fuel cell stack 12 A fuel gas supply device 16 for supplying fuel gas to the fuel cell stack 12 and a low oxygen stoichiometry lower than the oxygen stoichiometry during normal power generation by the fuel cell stack 12, and the cathode side outlet of the fuel cell stack 12 on the cathode outlet side And an auxiliary fuel cell stack 18 that generates exhaust gas richer in nitrogen, and a controller 20 that controls the entire fuel cell system 10. Although not shown, the fuel cell system 10 is mounted on a fuel cell vehicle such as a fuel cell vehicle. The auxiliary fuel cell stack 18 is connected in parallel to the oxidant gas supply device 14.

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２２を積層して構成される。各燃料電池２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２４をカソード電極２６とアノード電極２８とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３０を備える。 The fuel cell stack 12 is configured by stacking a plurality of fuel cells 22. Each fuel cell 22 includes, for example, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) 30 in which a solid polymer electrolyte membrane 24 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water is sandwiched between a cathode electrode 26 and an anode electrode 28. .

カソード電極２６及びアノード電極２８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金（又は白金合金等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２４の両面に形成される。 The cathode electrode 26 and the anode electrode 28 have a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and porous carbon particles carrying platinum (or a platinum alloy or the like) on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And an electrode catalyst layer formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 24.

電解質膜・電極構造体３０は、カソード側セパレータ３２及びアノード側セパレータ３４で挟持される。カソード側セパレータ３２及びアノード側セパレータ３４は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。 The electrolyte membrane / electrode structure 30 is sandwiched between a cathode side separator 32 and an anode side separator 34. The cathode side separator 32 and the anode side separator 34 are constituted by, for example, a carbon separator or a metal separator.

カソード側セパレータ３２と電解質膜・電極構造体３０との間には、酸化剤ガス流路３６が設けられるとともに、アノード側セパレータ３４と前記電解質膜・電極構造体３０との間には、燃料ガス流路３８が設けられる。 An oxidant gas flow path 36 is provided between the cathode side separator 32 and the electrolyte membrane / electrode structure 30, and a fuel gas is provided between the anode side separator 34 and the electrolyte membrane / electrode structure 30. A flow path 38 is provided.

燃料電池スタック１２には、各燃料電池２２の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。 The fuel cell stack 12 communicates with each other in the stacking direction of the fuel cells 22 to supply an oxidant gas, for example, an oxidant gas inlet communication hole 40a for supplying an oxygen-containing gas (hereinafter also referred to as air), a fuel gas, For example, a fuel gas inlet communication hole 42a for supplying a hydrogen-containing gas (hereinafter also referred to as hydrogen gas), a cooling medium inlet communication hole (not shown) for supplying a cooling medium, and an oxidant gas outlet for discharging the oxidant gas A communication hole 40b, a fuel gas outlet communication hole 42b for discharging the fuel gas, and a cooling medium outlet communication hole (not shown) for discharging the cooling medium are provided.

酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ（コンプレッサ）５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２は、開閉弁５４ａを介装するとともに、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに連通する。 The oxidant gas supply device 14 includes an air pump (compressor) 50 that compresses and supplies air from the atmosphere, and the air pump 50 is disposed in the air supply flow path 52. The air supply channel 52 is provided with an on-off valve 54 a and communicates with the oxidant gas inlet communication hole 40 a of the fuel cell stack 12.

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁（背圧弁）５８が設けられる。 The oxidant gas supply device 14 includes an air discharge channel 56 that communicates with the oxidant gas outlet communication hole 40b. The air discharge channel 56 has a back pressure control valve (back pressure valve) 58 with an adjustable opening for adjusting the pressure of air supplied from the air pump 50 through the air supply channel 52 to the fuel cell stack 12. Provided.

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク６０を備える。水素タンク６０は、水素供給流路６２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４２ａに連通するとともに、前記水素供給流路６２に開閉弁５４ｂが配設される。この水素供給流路６２には、遮断弁６４及びエゼクタ６６が設けられる。 The fuel gas supply device 16 includes a hydrogen tank 60 that stores high-pressure hydrogen. The hydrogen tank 60 communicates with the fuel gas inlet communication hole 42 a of the fuel cell stack 12 through the hydrogen supply channel 62, and an open / close valve 54 b is disposed in the hydrogen supply channel 62. The hydrogen supply channel 62 is provided with a shutoff valve 64 and an ejector 66.

エゼクタ６６は、水素タンク６０から供給される水素ガスを、水素供給流路６２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。 The ejector 66 supplies the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 60 to the fuel cell stack 12 through the hydrogen supply flow path 62 and exhaust gas containing unused hydrogen gas that has not been used in the fuel cell stack 12. Then, the gas is sucked from the hydrogen circulation path 68 and supplied again as fuel gas to the fuel cell stack 12.

燃料ガス出口連通孔４２ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、前記オフガス流路７０には、パージ弁である開閉弁５４ｃを介して図示しない希釈ボックスが接続される。希釈ボックスには、必要に応じて空気排出流路５６から希釈用空気が供給される。 The off gas passage 70 communicates with the fuel gas outlet communication hole 42b. A hydrogen circulation path 68 communicates with the off-gas flow path 70, and a dilution box (not shown) is connected to the off-gas flow path 70 via an on-off valve 54c that is a purge valve. Dilution air is supplied to the dilution box from the air discharge channel 56 as necessary.

補助燃料電池スタック１８は、燃料電池システム１０に交換可能に装着されるとともに、複数の燃料電池２２ａを積層して構成される。各燃料電池２２ａは、固体高分子電解質膜２４ａをカソード電極２６ａとアノード電極２８ａとで挟持した電解質膜・電極構造体３０ａを備える。電解質膜・電極構造体３０ａは、カソード側セパレータ３２ａ及びアノード側セパレータ３４ａで挟持される。 The auxiliary fuel cell stack 18 is replaceably mounted on the fuel cell system 10 and is configured by stacking a plurality of fuel cells 22a. Each fuel cell 22a includes an electrolyte membrane / electrode structure 30a in which a solid polymer electrolyte membrane 24a is sandwiched between a cathode electrode 26a and an anode electrode 28a. The electrolyte membrane / electrode structure 30a is sandwiched between the cathode side separator 32a and the anode side separator 34a.

カソード側セパレータ３２ａと電解質膜・電極構造体３０ａとの間には、酸化剤ガス流路３６ａが設けられるとともに、アノード側セパレータ３４ａと前記電解質膜・電極構造体３０ａとの間には、燃料ガス流路３８ａが設けられる。酸化剤ガス流路３６ａと燃料電池スタック１２の酸化剤ガス流路３６とは、酸化剤ガス供給装置１４に対して並列に接続される。 An oxidant gas flow path 36a is provided between the cathode side separator 32a and the electrolyte membrane / electrode structure 30a, and a fuel gas is provided between the anode side separator 34a and the electrolyte membrane / electrode structure 30a. A flow path 38a is provided. The oxidant gas flow path 36 a and the oxidant gas flow path 36 of the fuel cell stack 12 are connected in parallel to the oxidant gas supply device 14.

補助燃料電池スタック１８には、各燃料電池２２ａの積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔７２ａ、燃料ガス入口連通孔７４ａ、冷却媒体入口連通孔（図示せず）、酸化剤ガス出口連通孔７２ｂ、燃料ガス出口連通孔７４ｂ及び冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。 The auxiliary fuel cell stack 18 communicates with each other in the stacking direction of the fuel cells 22a, and includes an oxidant gas inlet communication hole 72a, a fuel gas inlet communication hole 74a, a cooling medium inlet communication hole (not shown), an oxidant gas. An outlet communication hole 72b, a fuel gas outlet communication hole 74b, and a cooling medium outlet communication hole (not shown) are provided.

図２に示すように、燃料電池２２ａは、低酸素ストイキで発電可能な均一なガス分布になるように、すなわち、供給される反応ガスの濃度分布が生じ難い構造となるように、酸化剤ガス入口連通孔７２ａ、燃料ガス入口連通孔７４ａ、酸化剤ガス出口連通孔７２ｂ及び燃料ガス出口連通孔７４ｂが各辺に沿って流路幅よりも長尺に形成される。酸化剤ガス流路３６ａと燃料ガス流路３８ａとは、互いに公差、好ましくは、互いに直交する。 As shown in FIG. 2, the fuel cell 22a has an oxidant gas so as to have a uniform gas distribution capable of generating power with a low oxygen stoichiometry, that is, a structure in which the concentration distribution of the supplied reaction gas is difficult to occur. An inlet communication hole 72a, a fuel gas inlet communication hole 74a, an oxidant gas outlet communication hole 72b, and a fuel gas outlet communication hole 74b are formed longer than the channel width along each side. The oxidant gas flow path 36a and the fuel gas flow path 38a are mutually tolerance, preferably orthogonal to each other.

さらに、酸化剤ガス流路３６ａ及び燃料ガス流路３８ａは、それぞれ複数本の直線状溝部を有するとともに、電極面積が小さく設定される。補助燃料電池スタック１８は、燃料電池スタック１２よりも低出力に設定され、電極面積が前記燃料電池スタック１２の数分の１程度で、積層数も少なく設定される。 Further, each of the oxidant gas flow path 36a and the fuel gas flow path 38a has a plurality of linear grooves, and the electrode area is set small. The auxiliary fuel cell stack 18 is set to a lower output than the fuel cell stack 12, the electrode area is about a fraction of that of the fuel cell stack 12, and the number of stacked layers is also set to be small.

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔７２ａには、空気供給分岐流路７６の一端が接続されるとともに、前記空気供給分岐流路７６の他端は、開閉弁５４ａの上流に位置して空気供給流路５２に接続される。この空気供給分岐流路７６には、開閉弁５４ｄが配設される。 As shown in FIG. 1, one end of an air supply branch passage 76 is connected to the oxidant gas inlet communication hole 72a, and the other end of the air supply branch passage 76 is located upstream of the on-off valve 54a. Thus, the air supply channel 52 is connected. The air supply branch flow path 76 is provided with an on-off valve 54d.

酸化剤ガス出口連通孔７２ｂには、空気排出分岐流路７８の一端が接続されるとともに、前記空気排出分岐流路７８の他端は、開閉弁５４ａの下流に位置して空気供給流路５２に接続される。空気排出分岐流路７８には、逆止弁付きポンプ８０、窒素ガスタンク（排ガス貯蔵装置）８４及び開閉弁５４ｅが配設される。なお、窒素ガスタンク８４の下流には、減圧弁（図示せず）を設けてもよい。 One end of an air discharge branch flow path 78 is connected to the oxidant gas outlet communication hole 72b, and the other end of the air discharge branch flow path 78 is located downstream of the on-off valve 54a. Connected to. A pump 80 with a check valve, a nitrogen gas tank (exhaust gas storage device) 84, and an on-off valve 54e are disposed in the air discharge branch flow path 78. A pressure reducing valve (not shown) may be provided downstream of the nitrogen gas tank 84.

燃料ガス入口連通孔７４ａには、水素供給分岐流路８６の一端が接続されるとともに、前記水素供給分岐流路８６の他端は、開閉弁５４ｂの上流に位置して水素供給流路６２に接続される。この水素供給分岐流路８６には、開閉弁５４ｆが配設される。燃料ガス出口連通孔７４ｂには、水素排出分岐流路８８の一端が接続されるとともに、前記水素排出分岐流路８８の他端は、オフガス流路７０に接続される。水素排出分岐流路８８には、開閉弁５４ｇが配設される。 One end of a hydrogen supply branch flow path 86 is connected to the fuel gas inlet communication hole 74a, and the other end of the hydrogen supply branch flow path 86 is located upstream of the on-off valve 54b and is connected to the hydrogen supply flow path 62. Connected. An open / close valve 54 f is disposed in the hydrogen supply branch flow path 86. One end of the hydrogen discharge branch flow path 88 is connected to the fuel gas outlet communication hole 74 b, and the other end of the hydrogen discharge branch flow path 88 is connected to the off gas flow path 70. The hydrogen discharge branch flow path 88 is provided with an on-off valve 54g.

図３に示すように、燃料電池スタック１２には、バスライン９０の一端が接続されるとともに、前記バスライン９０の他端がインバータ９２に接続される。インバータ９２には、三相の車両走行用の駆動モータ９４が接続される。なお、バスライン９０は、実質的には、プラスとマイナスの２本の電線が用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記バスライン９０で記載する。 As shown in FIG. 3, one end of a bus line 90 is connected to the fuel cell stack 12, and the other end of the bus line 90 is connected to an inverter 92. A drive motor 94 for three-phase vehicle travel is connected to the inverter 92. In addition, although the bus line 90 substantially uses two wires, a plus and a minus, for the sake of simplifying the description, it is described as a single bus line 90.

バスライン９０には、ＦＣコンタクタ９６が配設されるとともに、電力線９８の一端が接続され、前記電力線９８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００及びバッテリコンタクタ１０２を介装して二次電池１０４が接続される。バスライン９０には、ＦＣコンタクタ１０６及びＤＣ／ＤＣコンバータ１０８を介して補助燃料電池スタック１８が接続される。 An FC contactor 96 is disposed on the bus line 90 and one end of a power line 98 is connected to the power line 98, and a secondary battery 104 is connected to the power line 98 via a DC / DC converter 100 and a battery contactor 102. Is done. The auxiliary fuel cell stack 18 is connected to the bus line 90 via the FC contactor 106 and the DC / DC converter 108.

補助燃料電池スタック１８は、補器類１１０に余剰電力を供給可能であるとともに、電力不足時には、二次電池１０４から前記補器類１１０に電力の供給が行われる。補器類１１０は、エアポンプ５０、逆止弁付きポンプ８０、開閉弁５４ａ〜５４ｇ、背圧制御弁５８及び遮断弁６４等を含む。 The auxiliary fuel cell stack 18 can supply surplus power to the auxiliary devices 110, and power is supplied from the secondary battery 104 to the auxiliary devices 110 when power is insufficient. The auxiliary devices 110 include an air pump 50, a pump 80 with a check valve, open / close valves 54a to 54g, a back pressure control valve 58, a shutoff valve 64, and the like.

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。 The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

先ず、燃料電池システム１０の運転開始時には、二次電池１０４から補器類１１０に電力が供給されて燃料電池スタック１２の発電が開始される。この燃料電池スタック１２では、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに供給され、各燃料電池２２に設けられている酸化剤ガス流路３６に沿って移動することにより、カソード電極２６に供給される。 First, at the start of operation of the fuel cell system 10, power is supplied from the secondary battery 104 to the auxiliary devices 110 and power generation of the fuel cell stack 12 is started. In the fuel cell stack 12, air is sent to the air supply flow path 52 via the air pump 50 constituting the oxidant gas supply device 14. This air is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 40a of the fuel cell stack 12, and is supplied to the cathode electrode 26 by moving along the oxidant gas flow path 36 provided in each fuel cell 22. .

使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから空気排出流路５６に排出された後、背圧制御弁５８を介して排出される。 The used air is discharged from the oxidant gas outlet communication hole 40 b to the air discharge passage 56 and then discharged through the back pressure control valve 58.

一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁６４が開放されることにより、水素タンク６０から減圧弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路６２に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２２の燃料ガス流路３８に沿って移動することにより、アノード電極２８に供給される。 On the other hand, in the fuel gas supply device 16, the shutoff valve 64 is opened so that the pressure is reduced from the hydrogen tank 60 by a pressure reducing valve (not shown), and then the hydrogen gas is supplied to the hydrogen supply flow path 62. This hydrogen gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 42 a of the fuel cell stack 12 through the hydrogen supply channel 62. The hydrogen gas supplied into the fuel cell stack 12 is supplied to the anode electrode 28 by moving along the fuel gas flow path 38 of each fuel cell 22.

使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２６に供給される空気とアノード電極２８に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。このため、燃料電池スタック１２から駆動モータ９４に電力が供給され、燃料電池車両が走行可能になる。 The used hydrogen gas is sucked into the ejector 66 from the fuel gas outlet communication hole 42b through the hydrogen circulation path 68, and is supplied again to the fuel cell stack 12 as fuel gas. Accordingly, the air supplied to the cathode electrode 26 and the hydrogen gas supplied to the anode electrode 28 react electrochemically to generate power. For this reason, electric power is supplied from the fuel cell stack 12 to the drive motor 94, and the fuel cell vehicle can run.

次いで、補助燃料電池スタック１８の発電が開始される。補助燃料電池スタック１８では、開閉弁５４ｄが開放されることにより、酸化剤ガス供給装置１４が酸化剤ガス流路３６ａに連通し、この酸化剤ガス流路３６ａに空気が供給される。その際、供給される空気は、通常運転よりも低酸素ストイキに設定される。燃料電池スタック１２よりもストイキが低い。さらに、補助燃料電池スタック１８では、開閉弁５４ｆ、５４ｇが開放されることにより、燃料ガス供給装置１６が燃料ガス流路３８に連通する。 Next, power generation of the auxiliary fuel cell stack 18 is started. In the auxiliary fuel cell stack 18, when the on-off valve 54d is opened, the oxidant gas supply device 14 communicates with the oxidant gas flow path 36a, and air is supplied to the oxidant gas flow path 36a. At that time, the supplied air is set to a lower oxygen stoichiometric state than in normal operation. The stoichiometry is lower than that of the fuel cell stack 12. Further, in the auxiliary fuel cell stack 18, the fuel gas supply device 16 communicates with the fuel gas flow path 38 by opening the on-off valves 54 f and 54 g.

これにより、各燃料電池２２ａでは、カソード電極２６ａに供給される空気とアノード電極２８ａに供給される水素ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。そして、補助燃料電池スタック１８から補器類１１０に電力が供給される一方、二次電池１０４は、放電モードから充電モードに移行する。 Thereby, in each fuel cell 22a, the air supplied to the cathode electrode 26a and the hydrogen gas supplied to the anode electrode 28a react electrochemically to generate power. Then, electric power is supplied from the auxiliary fuel cell stack 18 to the auxiliary devices 110, while the secondary battery 104 shifts from the discharge mode to the charge mode.

補助燃料電池スタック１８に供給される空気は、該空気中の酸素ストイキが通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキに設定されている。具体的には、低酸素ストイキは、１〜１．２程度に設定される。従って、補助燃料電池スタック１８では、Ｏ_２リーンの状態で発電が行われ、カソード側では、酸素濃度が減少して窒素濃度が上昇し、排ガスとして高濃度（例えば、９０％以上）の窒素ガスが発生する。 The air supplied to the auxiliary fuel cell stack 18 is set to a low oxygen stoichiometry in which the oxygen stoichiometry in the air is lower than the oxygen stoichiometry during normal power generation. Specifically, the low oxygen stoichiometry is set to about 1 to 1.2. Therefore, in the auxiliary fuel cell stack 18, power generation is performed in an O ₂ lean state, and on the cathode side, the oxygen concentration decreases and the nitrogen concentration increases, and nitrogen gas having a high concentration (for example, 90% or more) as exhaust gas. Will occur.

窒素リッチガスである排ガスは、空気排出分岐流路７８に排出され、逆止弁付きポンプ８０の駆動作用下に、窒素ガスタンク８４内に圧入される。窒素ガスタンク８４内に充填された排ガスの圧力が設定圧力に至ると、補助燃料電池スタック１８への水素及び空気の供給が停止される。 The exhaust gas, which is a nitrogen-rich gas, is discharged to the air discharge branch passage 78 and is press-fitted into the nitrogen gas tank 84 under the driving action of the pump 80 with a check valve. When the pressure of the exhaust gas filled in the nitrogen gas tank 84 reaches the set pressure, the supply of hydrogen and air to the auxiliary fuel cell stack 18 is stopped.

次に、燃料電池システム１０の運転が停止される際には、図４に示すように、開閉弁５４ａ、５４ｂ及び遮断弁６４が閉塞されて、燃料電池スタック１２と酸化剤ガス供給装置１４及び燃料ガス供給装置１６とが遮断される。この状態で、開閉弁５４ｅが開放されると、窒素ガスタンク８４内に圧入されている排ガス（窒素リッチガス）が、空気供給流路５２から燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス流路３６に供給される。 Next, when the operation of the fuel cell system 10 is stopped, as shown in FIG. 4, the on-off valves 54a and 54b and the shutoff valve 64 are closed, and the fuel cell stack 12, the oxidant gas supply device 14 and The fuel gas supply device 16 is shut off. When the on-off valve 54e is opened in this state, the exhaust gas (nitrogen rich gas) press-fitted into the nitrogen gas tank 84 is supplied from the air supply channel 52 to the oxidant gas channel 36 in the fuel cell stack 12. The

このため、燃料電池スタック１２では、残存する空気中の酸素と水素ガスとにより発電（ディスチャージ）が行われ、アノード側の水素濃度が減少する一方、カソード側には、窒素リッチガスが供給されている。従って、アノード側では、水素濃度の低下により負圧状態となり、カソード側からアノード側に窒素ガスの透過が行われる。燃料電池スタック１２内に窒素リッチガスが十分に供給された後、開閉弁５４ｅが閉塞されて前記窒素リッチガスの供給が停止される。 For this reason, in the fuel cell stack 12, power is generated (discharged) by the remaining oxygen and hydrogen gas in the air, and the hydrogen concentration on the anode side is reduced, while nitrogen-rich gas is supplied to the cathode side. . Therefore, on the anode side, a negative pressure state is caused by a decrease in the hydrogen concentration, and nitrogen gas is transmitted from the cathode side to the anode side. After the nitrogen rich gas is sufficiently supplied into the fuel cell stack 12, the on-off valve 54e is closed and the supply of the nitrogen rich gas is stopped.

この場合、燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１２とは個別に且つ交換自在に補助燃料電池スタック１８が設けられている。補助燃料電池スタック１８は、低酸素ストイキの酸化剤ガス（空気）で発電されるため、前記補助燃料電池スタック１８のカソード側出口には、窒素リッチ（窒素濃度の高い）な排ガスが生成されている。 In this case, in the fuel cell system 10 , the auxiliary fuel cell stack 18 is provided separately from the fuel cell stack 12 and is replaceable. Since the auxiliary fuel cell stack 18 generates power with a low-oxygen stoichiometric oxidant gas (air), exhaust gas rich in nitrogen (high in nitrogen concentration) is generated at the cathode side outlet of the auxiliary fuel cell stack 18. Yes.

排ガスは、窒素ガスタンク８４内に圧入されており、燃料電池スタック１２の、例えば、停止時に、残存する水素及び酸素を排出するためのパージガスとして利用することができる。このため、カソード側には、窒素ガスが充満して酸素濃度が低下し、燃料電池２２及びガス配管内を不活性ガスである前記窒素ガスにより満たすことが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池２２の劣化を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。 The exhaust gas is press-fitted into the nitrogen gas tank 84 and can be used as a purge gas for discharging the remaining hydrogen and oxygen when the fuel cell stack 12 is stopped, for example. For this reason, the cathode side is filled with nitrogen gas, the oxygen concentration is lowered, and the fuel cell 22 and the gas pipe can be filled with the nitrogen gas which is an inert gas. Thereby, the effect that it becomes possible to suppress deterioration of the fuel cell 22 as much as possible with a simple and compact configuration is obtained.

しかも、酸化剤ガスが低酸素ストイキで供給される補助燃料電池スタック１８では、発電が行われている。このため、補助燃料電池スタック１８の発電により発生した電力は、補器類１１０の駆動電源として有効に利用することができ、エネルギロスを可及的に抑制して経済的である。その上、窒素リッチガスは、窒素ガスタンク８４に加圧貯蔵されているため、多量の前記窒素リッチガスを効率的に貯蔵することが可能になる。 In addition, power generation is performed in the auxiliary fuel cell stack 18 to which the oxidant gas is supplied with low oxygen stoichiometry. For this reason, the electric power generated by the power generation of the auxiliary fuel cell stack 18 can be effectively used as a driving power source for the auxiliary devices 110, and the energy loss is suppressed as much as possible, which is economical. Moreover, since the nitrogen-rich gas is stored under pressure in the nitrogen gas tank 84, a large amount of the nitrogen-rich gas can be efficiently stored.

さらに、補助燃料電池スタック１８を構成する燃料電池２２ａでは、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔７２ａ、燃料ガス入口連通孔７４ａ、酸化剤ガス出口連通孔７２ｂ及び燃料ガス出口連通孔７４ｂが各辺に沿って長尺に形成されるとともに、酸化剤ガス流路３６ａ及び燃料ガス流路３８ａは、それぞれ複数本の直線状溝部を有している。従って、燃料電池２２ａは、低酸素ストイキで発電可能な均一なガス分布になり、ストイキ１程度でも、電極触媒層にダメージを与えることなく、効率的に濃縮窒素を製造することが可能になる。 Further, in the fuel cell 22a constituting the auxiliary fuel cell stack 18, as shown in FIG. 2, the oxidant gas inlet communication hole 72a, the fuel gas inlet communication hole 74a, the oxidant gas outlet communication hole 72b, and the fuel gas outlet communication hole. 74b is formed long along each side, and the oxidant gas flow path 36a and the fuel gas flow path 38a each have a plurality of linear grooves. Accordingly, the fuel cell 22a has a uniform gas distribution capable of generating power with low oxygen stoichiometry, and even with stoichiometry about 1, it is possible to efficiently produce concentrated nitrogen without damaging the electrode catalyst layer.

さらにまた、補助燃料電池スタック１８では、発電出力が、燃料電池スタック１２よりも低く発電出力の５％〜５０％程度であり、定格電流密度が、前記補助燃料電池スタック１２よりも低く２０％〜３０％程度であり、使用電位域が、触媒担体腐食電位の０．８Ｖ以下に設定されている。 Furthermore, in the auxiliary fuel cell stack 18, the power generation output is lower than that of the fuel cell stack 12 and is about 5% to 50% of the power generation output, and the rated current density is 20% lower than that of the auxiliary fuel cell stack 12. It is about 30%, and the use potential region is set to 0.8 V or less of the catalyst carrier corrosion potential.

発電出力が５％未満であると、酸素消費可能なガス量が不足して燃料電池スタック１２内の酸素排出に必要なガス生成に時間が掛かってしまう。一方、発電出力が５０％を超えると、補助燃料電池スタック１８が劣化し易くなり、この補助燃料電池スタック１８の交換頻度が高くなって経済的ではない。 If the power generation output is less than 5%, the amount of gas that can be consumed by oxygen is insufficient, and it takes time to generate gas necessary for oxygen discharge in the fuel cell stack 12. On the other hand, if the power generation output exceeds 50%, the auxiliary fuel cell stack 18 is likely to deteriorate, and the replacement frequency of the auxiliary fuel cell stack 18 increases, which is not economical.

また、補助燃料電池スタック１８の定格電流密度は、小さ過ぎると触媒担体の腐食が惹起する一方、大き過ぎると生成水量が増加し、流路溝の詰まりが発生して電極面で均一な発電がなされないという問題がある。 On the other hand, if the rated current density of the auxiliary fuel cell stack 18 is too small, corrosion of the catalyst carrier is caused. On the other hand, if the rated current density is too large, the amount of generated water increases and clogging of the channel groove occurs, resulting in uniform power generation on the electrode surface. There is a problem that it is not done.

図５は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略構成図である。なお、燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。 Figure 5 is a schematic block diagram of a fuel cell system 120 according to the implementation embodiments of the present invention. Note that the fuel cell system 10 same components and are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

燃料電池システム１２０は、燃料電池スタック１２２と、前記燃料電池スタック１２２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１２４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１２６と、前記燃料電池スタック１２２による通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで運転を行うとともに、カソード出口側に前記燃料電池スタック１２２のカソード側出口よりも窒素リッチな排ガスを生成する補助燃料電池スタック１２８と、前記燃料電池システム１２０全体の制御を行うコントローラ２０とを備える。 The fuel cell system 120 includes a fuel cell stack 122, an oxidant gas supply device 124 that supplies oxidant gas to the fuel cell stack 122, a fuel gas supply device 126 that supplies fuel gas to the fuel cell stack 12, An auxiliary fuel cell stack that operates with a low oxygen stoichiometry lower than that during normal power generation by the fuel cell stack 122 and generates exhaust gas richer in nitrogen than the cathode side outlet of the fuel cell stack 122 on the cathode outlet side 128, and a controller 20 that controls the entire fuel cell system 120.

燃料電池スタック１２２には、酸化剤ガス流路３６に連通する窒素ガス入口連通孔１３０ａ及び窒素ガス出口連通孔１３０ｂと、燃料ガス流路３８に連通する窒素ガス入口連通孔１３２ａ及び窒素ガス出口連通孔１３２ｂとが設けられる。 The fuel cell stack 122 has a nitrogen gas inlet communication hole 130 a and a nitrogen gas outlet communication hole 130 b communicating with the oxidant gas flow path 36, and a nitrogen gas inlet communication hole 132 a and a nitrogen gas outlet communication communicating with the fuel gas flow path 38. A hole 132b is provided.

酸化剤ガス供給装置１２４を構成する空気排出流路５６には、補助燃料電池スタック１２８、逆止弁付きポンプ８０、窒素ガスタンク８４及び背圧制御弁５８が設けられる。 An auxiliary fuel cell stack 128, a pump 80 with a check valve, a nitrogen gas tank 84, and a back pressure control valve 58 are provided in the air discharge flow path 56 that constitutes the oxidant gas supply device 124.

空気排出流路５６は、補助燃料電池スタック１２８の酸化剤ガス入口連通孔７２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔７２ｂに連通する。補助燃料電池スタック１２８の燃料ガス入口連通孔７４ａ及び燃料ガス出口連通孔７４ｂには、水素供給分岐流路８６及び水素排出分岐流路８８が接続される。 The air discharge channel 56 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 72 a and the oxidant gas outlet communication hole 72 b of the auxiliary fuel cell stack 128. A hydrogen supply branch flow path 86 and a hydrogen discharge branch flow path 88 are connected to the fuel gas inlet communication hole 74 a and the fuel gas outlet communication hole 74 b of the auxiliary fuel cell stack 128.

窒素ガスタンク８４には、窒素ガス排出路１３４、１３６の一端が接続される。窒素ガス排出路１３４、１３６の他端は、燃料電池スタック１２２の窒素ガス入口連通孔１３０ａ、１３２ａに接続される。窒素ガス出口連通孔１３０ｂ、１３２ｂには、開閉弁５４ｈ、５４ｉが配設される。窒素ガス排出路１３４、１３６は、減圧弁（図示せず）により減圧されたガスを窒素ガス入口連通孔１３０ａ、１３２ａに供給することが好ましい。 One end of nitrogen gas discharge paths 134 and 136 is connected to the nitrogen gas tank 84. The other ends of the nitrogen gas discharge paths 134 and 136 are connected to the nitrogen gas inlet communication holes 130 a and 132 a of the fuel cell stack 122. On-off valves 54h and 54i are disposed in the nitrogen gas outlet communication holes 130b and 132b. The nitrogen gas discharge paths 134 and 136 preferably supply gas decompressed by a pressure reducing valve (not shown) to the nitrogen gas inlet communication holes 130a and 132a.

燃料電池システム１０では、補助燃料電池スタック１８が酸化剤ガス供給装置１４に対して並列に接続されるのに対し、本実施形態では、補助燃料電池スタック１２８が酸化剤ガス供給装置１２４に対して直列に接続される。 In the fuel cell system 10 , the auxiliary fuel cell stack 18 is connected in parallel to the oxidant gas supply device 14, whereas in this embodiment, the auxiliary fuel cell stack 128 is connected to the oxidant gas supply device 124. Connected in series.

このように構成される本実施形態では、燃料電池スタック１２２による通常発電時に、前記燃料電池スタック１２２の酸化剤ガス流路３６に供給された空気は、排ガスとして酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから補助燃料電池スタック１２８の酸化剤ガス流路３６ａに送られる。この排ガスは、補助燃料電池スタック１２８を通って窒素ガスタンク８４に導入され、背圧制御弁５８を介して排出される。 In the present embodiment configured as described above, the air supplied to the oxidant gas flow path 36 of the fuel cell stack 122 during the normal power generation by the fuel cell stack 122 is supplemented from the oxidant gas outlet communication hole 40b as exhaust gas. It is sent to the oxidant gas flow path 36 a of the fuel cell stack 128. The exhaust gas is introduced into the nitrogen gas tank 84 through the auxiliary fuel cell stack 128 and is discharged through the back pressure control valve 58.

一方、燃料電池システム１２０の停止時には、補助燃料電池スタック１２８の酸化剤ガス流路３６ａに燃料電池スタック１２２の酸化剤ガス流路３６から排出された酸素濃度が低い空気が供給されるとともに、燃料ガス流路３８ａに燃料ガス供給装置１２６から水素が供給される。このため、補助燃料電池スタック１２８で発電が開始され、酸素が殆ど消費されて酸化剤ガス出口連通孔７２ｂから窒素リッチな排ガスが排出される。 On the other hand, when the fuel cell system 120 is stopped, air having a low oxygen concentration discharged from the oxidant gas flow path 36 of the fuel cell stack 122 is supplied to the oxidant gas flow path 36a of the auxiliary fuel cell stack 128, and the fuel. Hydrogen is supplied from the fuel gas supply device 126 to the gas flow path 38a. Therefore, power generation is started in the auxiliary fuel cell stack 128, oxygen is almost consumed, and nitrogen-rich exhaust gas is discharged from the oxidant gas outlet communication hole 72b.

この排ガスは、窒素ガスタンク８４に加圧貯蔵されるとともに、窒素ガス排出路１３４、１３６から燃料電池スタック１２２の窒素ガス入口連通孔１３０ａ、１３２ａに供給される。排ガスは、燃料電池スタック１２２内の酸化剤ガス流路３６及び燃料ガス流路３８に導入され、酸素及び水素を前記燃料電池スタック１２２から排出する。 The exhaust gas is pressurized and stored in the nitrogen gas tank 84 and supplied to the nitrogen gas inlet communication holes 130 a and 132 a of the fuel cell stack 122 from the nitrogen gas discharge paths 134 and 136. The exhaust gas is introduced into the oxidant gas passage 36 and the fuel gas passage 38 in the fuel cell stack 122, and oxygen and hydrogen are discharged from the fuel cell stack 122.

これにより、本実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池２２の劣化を可及的に抑制することが可能になる等、上記の燃料電池システム１０と同様の効果が得られる。 Thus, in the present embodiment, the same effects as those of the fuel cell system 10 described above can be obtained, such as the deterioration of the fuel cell 22 can be suppressed as much as possible with a simple and compact configuration.

なお、通常発電時には、逆止弁付きポンプ８０及び窒素ガスタンク８４をバイパスして、酸化剤ガス出口連通孔７２ｂと背圧制御弁５８とを直接連結してもよい。 During normal power generation, the oxidant gas outlet communication hole 72b and the back pressure control valve 58 may be directly connected, bypassing the pump 80 with check valve and the nitrogen gas tank 84.

１０、１２０…燃料電池システム１２、１２２…燃料電池スタック
１４、１２４…酸化剤ガス供給装置１６、１２６…燃料ガス供給装置
１８、１２８…補助燃料電池スタック２０…コントローラ
２２、２２ａ…燃料電池２４、２４ａ…固体高分子電解質膜
２６、２６ａ…カソード電極２８、２８ａ…アノード電極
３０、３０ａ…電解質膜・電極構造体
３２、３２ａ、３４、３４ａ…セパレータ
３６、３６ａ…酸化剤ガス流路３８、３８ａ…燃料ガス流路
４０ａ、７２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ、７２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ、７４ａ…燃料ガス入口連通孔４２ｂ、７４ｂ…燃料ガス出口連通孔
５０…エアポンプ５２…空気供給流路
５４ａ〜５４ｉ…開閉弁５６…空気排出流路
５８…背圧制御弁６０…水素タンク
６２…水素供給流路６４…遮断弁
６６…エゼクタ６８…水素循環路
７６…空気供給分岐流路７８…空気排出分岐流路
８０…逆止弁付きポンプ８４…窒素ガスタンク
８６…水素供給分岐流路８８…水素排出分岐流路
９４…駆動モータ１１０…補器類
１３０ａ、１３２ａ…窒素ガス入口連通孔
１３０ｂ、１３２ｂ…窒素ガス出口連通孔
１３４、１３６…窒素ガス排出路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 120 ... Fuel cell system 12, 122 ... Fuel cell stack 14, 124 ... Oxidant gas supply device 16, 126 ... Fuel gas supply device 18, 128 ... Auxiliary fuel cell stack 20 ... Controller 22, 22a ... Fuel cell 24, 24a ... solid polymer electrolyte membrane 26, 26a ... cathode electrode 28, 28a ... anode electrode 30, 30a ... electrolyte membrane / electrode structure 32, 32a, 34, 34a ... separator 36, 36a ... oxidant gas channel 38, 38a ... fuel gas flow paths 40a, 72a ... oxidant gas inlet communication holes 40b, 72b ... oxidant gas outlet communication holes 42a, 74a ... fuel gas inlet communication holes 42b, 74b ... fuel gas outlet communication holes 50 ... air pump 52 ... air supply Flow path 54a-54i ... Open / close valve 56 ... Air discharge flow path 58 ... Back pressure control valve 60 ... Hydrogen tank 62 ... Water Element supply passage 64 ... Shut-off valve 66 ... Ejector 68 ... Hydrogen circulation passage 76 ... Air supply branch passage 78 ... Air discharge branch passage 80 ... Pump with check valve 84 ... Nitrogen gas tank 86 ... Hydrogen supply branch passage 88 ... Hydrogen discharge branch flow path 94 ... Drive motor 110 ... Auxiliary devices 130a, 132a ... Nitrogen gas inlet communication holes 130b, 132b ... Nitrogen gas outlet communication holes 134, 136 ... Nitrogen gas discharge path

Claims

A fuel cell comprising a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of air supplied from an oxidant gas channel to the cathode side and fuel gas supplied from the fuel gas channel to the anode side, wherein a plurality of the fuel cells are stacked Stack,
An oxidant gas supply device for supplying the air to the fuel cell via an oxidant gas supply channel ;
A fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell;
A fuel cell system comprising:
An auxiliary fuel cell stack that operates with a low oxygen stoichiometry lower than the oxygen stoichiometry during normal power generation by the fuel cell stack and generates exhaust gas richer in nitrogen than the cathode side outlet of the fuel cell stack on the cathode outlet side ,
The inlet of the oxidant gas channel of the fuel cell stack communicates with the oxidant gas supply channel, and the outlet of the oxidant gas channel of the fuel cell stack is the oxidant of the auxiliary fuel cell stack By communicating with the inlet of the gas flow path, the oxidant gas flow path of the fuel cell stack and the oxidant gas flow path of the auxiliary fuel cell stack are connected in series to the oxidant gas supply device. the fuel cell system according to claim Rukoto is.

In claim 1 Symbol placement of the fuel cell system, the addition to the pressurized stored the exhaust gas discharged from the oxidant gas flow path of the auxiliary fuel cell stack, the oxidant gas flow path of at least the fuel cell stack the gas A fuel cell system comprising an exhaust gas storage device that can be freely supplied to a fuel cell.