JP2002015749A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】異なる種類の燃料電池を組み合わせて互いの利
点を有効に活用することができ、運転条件の自由度を向
上させることを可能とする。
【解決手段】リン酸型燃料電池スタック12と、固体高
分子型燃料電池スタック14と、前記リン酸型燃料電池
スタック12および前記固体高分子型燃料電池スタック
14に燃料ガスを個別におよび同時に供給可能な燃料ガ
ス供給機構16と、前記リン酸型燃料電池スタック12
および前記固体高分子型燃料電池スタック14に酸化剤
ガスを供給する酸化剤ガス供給機構18とを備える。具
体的には、外気温度による始動時には先に固体高分子型
燃料電池スタックを始動させ、得られた電力をリン酸型
燃料電池スタックの加熱エネルギーに利用する。
(57) [Summary] (Modifications) [PROBLEMS] To combine fuel cells of different types to effectively utilize each other's advantages, and to improve the degree of freedom in operating conditions. A phosphoric acid fuel cell stack, a polymer electrolyte fuel cell stack, and a fuel gas individually and simultaneously supplied to the phosphoric acid fuel cell stack and the polymer electrolyte fuel cell stack. Possible fuel gas supply mechanism 16 and the phosphoric acid type fuel cell stack 12
And an oxidizing gas supply mechanism 18 for supplying an oxidizing gas to the polymer electrolyte fuel cell stack 14. Specifically, at the time of startup based on the outside air temperature, the polymer electrolyte fuel cell stack is started first, and the obtained electric power is used for heating energy of the phosphoric acid type fuel cell stack.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質をアノード
側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を
有し、前記接合体をセパレータにより挟持した複数の発
電セルが積層される燃料電池スタックを備えた燃料電池
システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel comprising a joined body comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, wherein a plurality of power generation cells having the joined body sandwiched by separators are laminated. The present invention relates to a fuel cell system including a battery stack.
【0002】[0002]
【従来の技術】例えば、リン酸型燃料電池(PAFC)
は、炭化珪素多孔質(マトリックス)に濃厚リン酸を含
浸させた電解質層の両側に、それぞれカーボンを主体と
するアノード側電極およびカソード側電極を対設して構
成される接合体を、セパレータ(バイポーラ板)によっ
て挟持することにより構成される発電セルを備えてお
り、通常、この発電セルを所定数だけ積層して燃料電池
スタックとして使用している。2. Description of the Related Art For example, a phosphoric acid fuel cell (PAFC)
Is a method in which a bonded body composed of an anode electrode and a cathode electrode mainly composed of carbon is provided on both sides of an electrolyte layer in which concentrated phosphoric acid is impregnated in porous silicon carbide (matrix), and a separator ( A power generation cell configured by being sandwiched by bipolar plates is provided. Usually, a predetermined number of the power generation cells are stacked and used as a fuel cell stack.
【0003】一方、固体高分子型燃料電池(SPFC)
は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電
解質膜を採用しており、同様に前記電解質膜により構成
される接合体とセパレータとにより構成される発電セル
を所定数だけ積層して燃料電池スタックとして用いてい
る。On the other hand, a solid polymer fuel cell (SPFC)
Employs an electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). Similarly, a predetermined number of power generation cells composed of a joined body composed of the electrolyte membrane and a separator are laminated. It is used as a fuel cell stack.
【0004】この種の燃料電池スタックにおいて、アノ
ード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を
含有するガス(水素含有ガス)は、触媒電極上で水素が
イオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移
動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、
直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード
側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有する
ガスあるいは空気(酸素含有ガス)が供給されているた
めに、このカソード側電極において、水素イオン、電子
および酸素が反応して水が生成される。In this type of fuel cell stack, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hydrogen-containing gas), is ionized on the catalyst electrode and passes through the electrolyte. It moves to the cathode side electrode side. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit,
Used as DC electrical energy. Since an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (oxygen-containing gas) is supplied to the cathode side electrode, hydrogen ions, electrons and oxygen react at the cathode side electrode. Water is produced.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】一般に、リン酸型燃料
電池では、運転温度が比較的高温(120℃〜200℃
前後)に設定されているために、運転に伴って発生する
生成水が水蒸気化されて外部に排出されている。ところ
が、運転起動時のように100℃以下の比較的低い温度
下においては、生成水が液状水として存在してしまい、
電解質層および電極に蓄積可能な量を超える液状水が反
応ガス流路に導入されるおそれがある。Generally, in a phosphoric acid fuel cell, the operating temperature is relatively high (120 ° C. to 200 ° C.).
(Before and after), generated water generated during operation is vaporized and discharged to the outside. However, at a relatively low temperature of 100 ° C. or less, such as at the time of starting operation, generated water exists as liquid water,
Liquid water exceeding the amount that can be stored in the electrolyte layer and the electrode may be introduced into the reaction gas channel.
【0006】しかしながら、電解質層を構成するリン酸
は、親水性がきわめて高く、反応ガス流路に導入された
液状水とともに電解質層および電極から流出してしま
う。これにより、発電セルの発電性能が低下するととも
に、燃料電池自体の寿命が短くなるという問題が指摘さ
れている。However, the phosphoric acid constituting the electrolyte layer has a very high hydrophilicity and flows out of the electrolyte layer and the electrode together with the liquid water introduced into the reaction gas flow path. As a result, it has been pointed out that the power generation performance of the power generation cell is reduced and the life of the fuel cell itself is shortened.
【0007】一方、固体高分子型燃料電池では、高分子
イオン交換膜、例えば、ナフィオン112(デュポン社
製)に含水させた電解質膜が用いられており、電解質膜
中の水素イオン伝導性が該電解質膜の含水量に大きく依
存しているために、前記電解質膜中に液状水を保持する
必要がある。従って、燃料電池の発電温度(作動温度)
を液状水の沸点温度以上に設定することができず、通
常、発電温度として80℃〜90℃以下に制御しなけれ
ばならず、システム全体が複雑化するとともに、制御が
煩雑化するという問題がある。On the other hand, in a polymer electrolyte fuel cell, a polymer ion exchange membrane, for example, an electrolyte membrane impregnated with Nafion 112 (manufactured by DuPont) is used, and the hydrogen ion conductivity in the electrolyte membrane is increased. Since it largely depends on the water content of the electrolyte membrane, it is necessary to retain liquid water in the electrolyte membrane. Therefore, the power generation temperature (operating temperature) of the fuel cell
Cannot be set to a temperature higher than the boiling point of liquid water, and usually the power generation temperature must be controlled to 80 ° C. to 90 ° C. or lower, which causes a problem that the whole system becomes complicated and the control becomes complicated. is there.
【0008】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、異なる種類の燃料電池を組み合わせて互いの利点を
有効に活用することができ、運転条件の自由度の高い燃
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 kind of problem, and provides a fuel cell system in which different types of fuel cells can be combined to effectively utilize each other's advantages and have a high degree of freedom in operating conditions. The purpose is to:
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に係る
燃料電池システムでは、リン酸型燃料電池スタックと、
空冷式の固体高分子型燃料電池スタックとが設けられる
とともに、前記リン酸型燃料電池スタックおよび前記固
体高分子型燃料電池スタックには、燃料ガス供給機構を
介して燃料ガスが個別におよび同時に供給可能である一
方、酸化剤ガス供給機構を介して酸化剤ガスが供給され
る。このため、リン酸型燃料電池スタックと固体高分子
型燃料電池スタックのそれぞれの欠点を補完しつつ、そ
れぞれの利点を有効に活用することができ、運転状況の
自由度が大幅に向上する。According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: a phosphoric acid type fuel cell stack;
An air-cooled polymer electrolyte fuel cell stack is provided, and fuel gas is individually and simultaneously supplied to the phosphoric acid fuel cell stack and the polymer electrolyte fuel cell stack via a fuel gas supply mechanism. While possible, the oxidizing gas is supplied via an oxidizing gas supply mechanism. Therefore, the advantages of each of the phosphoric acid type fuel cell stack and the polymer electrolyte fuel cell stack can be effectively utilized while complementing the respective drawbacks, and the degree of freedom of the operating condition is greatly improved.
【0010】具体的には、外気温度による始動時には、
燃料ガス供給機構から固体高分子型燃料電池スタックに
のみ燃料ガスが供給されるとともに、前記固体高分子型
燃料電池スタックに酸化剤ガス供給機構から酸化剤ガス
が供給される。これにより、リン酸型燃料電池スタック
の作動温度外で必要とされる電力を、固体高分子型燃料
電池スタックにより補うことができるとともに、前記固
体高分子型燃料電池スタックを介して前記リン酸型燃料
電池が作動温度に達するまでの加熱エネルギを供給する
ことが可能になる。[0010] Specifically, at the time of starting by the outside air temperature,
The fuel gas is supplied only from the fuel gas supply mechanism to the polymer electrolyte fuel cell stack, and the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply mechanism to the polymer electrolyte fuel cell stack. Thus, the electric power required outside the operating temperature of the phosphoric acid type fuel cell stack can be supplemented by the polymer electrolyte fuel cell stack, and the phosphoric acid type fuel cell stack can be supplied through the polymer electrolyte fuel cell stack. It becomes possible to supply heating energy until the fuel cell reaches the operating temperature.
【0011】次に、リン酸型燃料電池スタックが作動温
度に達すると、燃料ガス供給機構を介して前記リン酸型
燃料電池スタックに燃料ガスが供給される。従って、リ
ン酸型燃料電池スタックでは、燃料ガスと酸化剤ガスと
が供給されて発電が開始される。その際、リン酸型燃料
電池スタックは、所定の作動温度まで加熱されているた
め、反応生成水が液状水としてリン酸とともに流出する
ことを阻止でき、発電性能を有効に維持することが可能
になる。Next, when the phosphoric acid type fuel cell stack reaches the operating temperature, fuel gas is supplied to the phosphoric acid type fuel cell stack via a fuel gas supply mechanism. Therefore, in the phosphoric acid type fuel cell stack, the fuel gas and the oxidizing gas are supplied, and power generation is started. At this time, since the phosphoric acid type fuel cell stack is heated to a predetermined operating temperature, the reaction product water can be prevented from flowing out as liquid water together with phosphoric acid, and the power generation performance can be effectively maintained. Become.
【0012】さらに、リン酸型燃料電池スタックを常用
電力源として使用し、高負荷時に不足する電力を固体高
分子型燃料電池スタックにより供給することができる。
すなわち、燃料ガス供給機構からリン酸型燃料電池スタ
ックおよび固体高分子型燃料電池スタックに燃料ガスを
同時に供給するとともに、酸化剤ガス供給機構から前記
リン酸型燃料電池スタックおよび前記固体高分子型燃料
電池スタックに酸化剤ガスを供給すればよい。Further, the phosphoric acid type fuel cell stack can be used as a normal power source, and insufficient electric power can be supplied by the polymer electrolyte fuel cell stack at the time of high load.
That is, a fuel gas is simultaneously supplied from the fuel gas supply mechanism to the phosphoric acid type fuel cell stack and the polymer electrolyte fuel cell stack, and the phosphoric acid type fuel cell stack and the polymer electrolyte fuel cell are supplied from the oxidizing gas supply mechanism. An oxidizing gas may be supplied to the battery stack.
【0013】また、本発明の請求項2に係る燃料電池シ
ステムでは、リン酸型燃料電池スタック内に温度調整用
媒体を供給する媒体供給機構が、前記リン酸型燃料電池
スタックの媒体入口と媒体出口とに連通する媒体循環経
路を有するとともに、前記媒体循環経路には、媒体循環
用のポンプと、媒体加熱用のヒータと、熱交換器と、前
記熱交換器の入口側および出口側を開閉する第1および
第2開閉弁と、前記第1および第2開閉弁の外側で分岐
するバイパス経路と、前記バイパス経路を開閉する第3
開閉弁とが配設されている。In the fuel cell system according to a second aspect of the present invention, a medium supply mechanism for supplying a temperature adjusting medium into the phosphoric acid type fuel cell stack includes a medium inlet and a medium of the phosphoric acid type fuel cell stack. A medium circulation path communicating with the outlet is provided, and the medium circulation path includes a medium circulation pump, a medium heating heater, a heat exchanger, and an inlet and an outlet of the heat exchanger. First and second opening / closing valves, a bypass path branched outside the first and second opening / closing valves, and a third path for opening / closing the bypass path.
An on-off valve is provided.
【0014】そこで、外気温度による始動時や低負荷時
等のように、リン酸型燃料電池スタックの自己発熱によ
るスタック温度の維持が困難である際には、まず、固体
高分子型燃料電池スタックのみによる発電が行われる。
この固体高分子型燃料電池スタックによる発電電力は、
リン酸型燃料電池スタックの作動温度外で必要とされる
電力を補うとともに、媒体供給機構を構成する媒体加熱
用のヒータに供給される。Therefore, when it is difficult to maintain the stack temperature due to self-heating of the phosphoric acid type fuel cell stack, for example, at the time of starting due to the outside air temperature or at the time of low load, first, the polymer electrolyte fuel cell stack Only power generation is performed.
The power generated by this polymer electrolyte fuel cell stack is
The electric power required outside the operating temperature of the phosphoric acid type fuel cell stack is supplemented and supplied to the heater for heating the medium constituting the medium supply mechanism.
【0015】このため、媒体加熱用のヒータを介して、
媒体循環経路で媒体が加熱され、この加熱された媒体が
リン酸型燃料電池スタック内を循環することによって、
前記リン酸型燃料電池スタックを作動温度まで効率よく
昇温させることができる。その際、第1および第2開閉
弁が閉塞される一方、第3開閉弁が開放されており、加
熱された媒体は熱交換器で放熱されることなくバイパス
経路を通って循環し、リン酸型燃料電池スタックを効率
的に昇温することが可能になる。For this reason, via a heater for heating the medium,
The medium is heated in the medium circulation path, and the heated medium circulates through the phosphoric acid type fuel cell stack,
The phosphoric acid type fuel cell stack can be efficiently heated to the operating temperature. At this time, the first and second on-off valves are closed, while the third on-off valve is open, and the heated medium circulates through the bypass without being radiated by the heat exchanger, It is possible to efficiently raise the temperature of the fuel cell stack.
【0016】リン酸型燃料電池スタックが作動温度に至
ると、固体高分子型燃料電池スタックの発電が停止され
るとともに、媒体加熱用のヒータへの電力の供給も停止
される。次いで、第3開閉弁が閉塞される一方、第1お
よび第2開閉弁が開放され、媒体循環経路を循環する媒
体は熱交換器を通過することにより冷却される。これに
より、リン酸型燃料電池スタックを所定の作動温度に確
実に維持(冷却)することができる。When the phosphoric acid type fuel cell stack reaches the operating temperature, the power generation of the polymer electrolyte fuel cell stack is stopped, and the supply of electric power to the heater for heating the medium is also stopped. Next, while the third on-off valve is closed, the first and second on-off valves are opened, and the medium circulating in the medium circulation path is cooled by passing through the heat exchanger. This makes it possible to reliably maintain (cool) the phosphoric acid type fuel cell stack at a predetermined operating temperature.
【0017】さらに、本発明の請求項3に係る燃料電池
システムでは、酸化剤ガス供給機構が、送風手段と、固
体高分子型燃料電池スタックとの間に設けられる第1外
部マニホールドと、前記固体高分子型燃料電池スタック
とリン酸型燃料電池スタックとの間に設けられる第2外
部マニホールドとを備えている。このため、送風手段の
作用下に、空気等の酸化剤ガスが第1外部マニホールド
から固体高分子型燃料電池スタックに導入される。Further, in the fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the oxidizing gas supply mechanism includes a first external manifold provided between the blowing means and the polymer electrolyte fuel cell stack, A second external manifold is provided between the polymer fuel cell stack and the phosphoric acid fuel cell stack. Therefore, an oxidizing gas such as air is introduced into the polymer electrolyte fuel cell stack from the first external manifold under the action of the blowing means.
【0018】固体高分子型燃料電池スタックでは、上記
のように導入される酸化剤ガスの一部が反応に使用され
て、残部がこの固体高分子型燃料電池スタックから第2
外部マニホールドに排出される。その際、固体高分子型
燃料電池スタック内で発生した反応生成水が蒸発し、気
化熱を介して前記固体高分子型燃料電池スタックが冷却
される。一方、固体高分子型燃料電池スタックから第2
外部マニホールドに排出される酸化剤ガスは、気化熱に
よって昇温されており、リン酸型燃料電池スタックを加
温する熱源としての機能を有することができる。In the polymer electrolyte fuel cell stack, a part of the oxidant gas introduced as described above is used for the reaction, and the remainder is separated from the polymer electrolyte fuel cell stack by the second.
Discharged to external manifold. At this time, the reaction product water generated in the polymer electrolyte fuel cell stack evaporates, and the polymer electrolyte fuel cell stack is cooled via heat of vaporization. On the other hand, from the polymer electrolyte fuel cell stack,
The oxidizing gas discharged to the external manifold is heated by the heat of vaporization, and can function as a heat source for heating the phosphoric acid type fuel cell stack.
【0019】さらにまた、本発明の請求項4に係る燃料
電池システムでは、第2外部マニホールドに酸化剤ガス
を加温するための加熱手段が配設されている。従って、
固体高分子型燃料電池スタックから排出された酸化剤ガ
スは、加熱手段を介してさらに加温された後、リン酸型
燃料電池スタック内に供給されるため、このリン酸型燃
料電池スタックを所定の作動温度に迅速に加熱すること
が可能になる。Further, in the fuel cell system according to claim 4 of the present invention, a heating means for heating the oxidizing gas is provided in the second external manifold. Therefore,
The oxidizing gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell stack is further heated through heating means and then supplied into the phosphoric acid fuel cell stack. Can be quickly heated to the operating temperature of
【0020】また、本発明の請求項5に係る燃料電池シ
ステムでは、酸化剤ガス供給機構が、第2外部マニホー
ルドに切り換え手段を介して選択的に連通する第1およ
び第2供給流路を備えており、前記第1供給流路に送風
手段が設けられる一方、前記第2供給流路に過給器およ
び冷却器が設けられている。Further, in the fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the oxidizing gas supply mechanism includes first and second supply passages selectively communicating with the second external manifold via switching means. And a blower is provided in the first supply flow path, and a supercharger and a cooler are provided in the second supply flow path.
【0021】このため、始動時には、第1供給流路を介
して固体高分子型燃料電池スタックに酸化剤ガスが供給
される。一方、リン酸型燃料電池スタックを作動させる
際には、過給器と冷却器とが配置された第2供給流路を
介して酸化剤ガスが大量に供給され、前記リン酸型燃料
電池スタックによる高負荷運転が容易に遂行可能にな
る。For this reason, at the time of startup, the oxidizing gas is supplied to the polymer electrolyte fuel cell stack through the first supply channel. On the other hand, when operating the phosphoric acid type fuel cell stack, a large amount of oxidizing gas is supplied through the second supply passage in which the supercharger and the cooler are arranged, , High-load operation can be easily performed.
【0022】[0022]
【発明の実施の形態】図1は、本発明の第1の実施形態
に係る燃料電池システム10の概略構成説明図である。FIG. 1 is a schematic structural explanatory view of a fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention.
【0023】燃料電池システム10は、リン酸型燃料電
池スタック12と、空冷式の固体高分子型燃料電池スタ
ック14と、前記リン酸型燃料電池スタック12および
前記固体高分子型燃料電池スタック14に燃料ガスを個
別におよび同時に供給可能な燃料ガス供給機構16と、
前記リン酸型燃料電池スタック12および前記固体高分
子型燃料電池スタック14に酸化剤ガスを供給する酸化
剤ガス供給機構18とを備える。リン酸型燃料電池スタ
ック12は、発電セル20を備えており、この発電セル
20が矢印A方向に所定数だけ積層されるとともに、そ
の積層方向両端側にエンドプレート21、23が配置さ
れる。The fuel cell system 10 includes a phosphoric acid type fuel cell stack 12, an air-cooled solid polymer type fuel cell stack 14, the phosphoric acid type fuel cell stack 12, and the solid polymer type fuel cell stack 14. A fuel gas supply mechanism 16 capable of supplying fuel gas individually and simultaneously;
An oxidizing gas supply mechanism 18 that supplies an oxidizing gas to the phosphoric acid type fuel cell stack 12 and the polymer electrolyte fuel cell stack 14 is provided. The phosphoric acid type fuel cell stack 12 includes power generation cells 20, and a predetermined number of the power generation cells 20 are stacked in the direction of arrow A, and end plates 21 and 23 are arranged at both ends in the stacking direction.
【0024】発電セル20は、炭化珪素多孔質、また
は、塩基性ポリマー、例えば、ポリベンズイミダゾール
にリン酸を含浸させた電解質層22を挟んでカソード側
電極24およびアノード側電極26が配設される接合体
28を有するとともに、前記カソード側電極24および
前記アノード側電極26には、例えば、多孔質層である
多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配設され
る。接合体28の両側にバイポーラ板として一対のセパ
レータ30が配置されることにより、発電セル20が構
成される。The power generation cell 20 is provided with a cathode electrode 24 and an anode electrode 26 with an electrolyte layer 22 made of porous silicon carbide or a basic polymer, for example, polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid interposed therebetween. The cathode electrode 24 and the anode electrode 26 are provided with a gas diffusion layer made of, for example, porous carbon paper, which is a porous layer. The power generation cell 20 is configured by disposing a pair of separators 30 as bipolar plates on both sides of the joined body 28.
【0025】セパレータ30のカソード側電極24に対
向する面には、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路3
2が形成されるとともに、前記セパレータ30のアノー
ド側電極26に対向する面には、燃料ガスを供給するた
めの燃料ガス流路34が形成される。An oxidizing gas passage 3 for supplying an oxidizing gas is provided on the surface of the separator 30 facing the cathode electrode 24.
2 and a fuel gas flow path 34 for supplying a fuel gas is formed on the surface of the separator 30 facing the anode 26.
【0026】エンドプレート21には、燃料ガス入口3
6が設けられる一方、エンドプレート23には、燃料ガ
ス出口38が設けられており、前記燃料ガス入口36と
前記燃料ガス出口38とは、リン酸型燃料電池スタック
12内に設けられている図示しない内部マニホールドを
介して各燃料ガス流路34に連通している。The end plate 21 has a fuel gas inlet 3
6, the end plate 23 is provided with a fuel gas outlet 38, and the fuel gas inlet 36 and the fuel gas outlet 38 are provided in the phosphoric acid type fuel cell stack 12 in the drawing. It communicates with each fuel gas flow path 34 via an internal manifold that is not used.
【0027】固体高分子型燃料電池スタック14は、上
記のリン酸型燃料電池スタック12と略同様に構成され
ており、同一の構成要素には同一の参照数字に符号aを
付してその詳細な説明は省略する。固体高分子型燃料電
池スタック14を構成する発電セル20aは、高分子イ
オン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜22a
を備えている。The polymer electrolyte fuel cell stack 14 is constructed in substantially the same manner as the phosphoric acid fuel cell stack 12 described above. Detailed description is omitted. The power generation cell 20a constituting the polymer electrolyte fuel cell stack 14 includes an electrolyte membrane 22a made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane).
It has.
【0028】燃料ガス供給機構16は燃料ガス経路40
を備え、この燃料ガス経路40から2方向に分岐する分
岐経路42a、42bが、リン酸型燃料電池スタック1
2の燃料ガス入口36と、固体高分子型燃料電池スタッ
ク14の燃料ガス入口36aとに接続される。分岐経路
42a、42bの途上には、それぞれ入口側開閉弁44
a、44bが配設される。The fuel gas supply mechanism 16 includes a fuel gas path 40
And two branch paths 42a and 42b branching from the fuel gas path 40 in two directions.
2 and a fuel gas inlet 36 a of the polymer electrolyte fuel cell stack 14. On the way of the branch paths 42a and 42b, the inlet-side on-off valves 44 are respectively provided.
a, 44b are provided.
【0029】リン酸型燃料電池スタック12の燃料ガス
出口38と、固体高分子型燃料電池スタック14の燃料
ガス出口38aとに接続された分岐経路42a、42b
の途上に、出口側開閉弁46a、46bが配設されると
ともに、前記分岐経路42a、42bが燃料ガス経路4
0に合流する。Branch paths 42a, 42b connected to the fuel gas outlet 38 of the phosphoric acid type fuel cell stack 12 and the fuel gas outlet 38a of the polymer electrolyte fuel cell stack 14.
On the way, the outlet-side on-off valves 46a and 46b are provided, and the branch paths 42a and 42b
Merge to 0.
【0030】酸化剤ガス供給機構18は、送風手段であ
るブロア50と、このブロア50と固体高分子型燃料電
池スタック14との間に設けられ、前記ブロア50を介
して前記固体高分子型燃料電池スタック14内の酸化剤
ガス流路32aに酸化剤ガスを供給するための第1外部
マニホールド52と、前記固体高分子型燃料電池スタッ
ク14とリン酸型燃料電池スタック12との間に設けら
れ、該固体高分子型燃料電池スタック14内の酸化剤ガ
ス流路32aから排出される前記酸化剤ガスを前記リン
酸型燃料電池スタック12内の酸化剤ガス流路32に供
給するための第2外部マニホールド54とを備える。第
2外部マニホールド54内には、酸化剤ガスを加温する
ための加熱コイル(加熱手段)56が配置される。The oxidizing gas supply mechanism 18 is provided between the blower 50 serving as an air blowing means and the blower 50 and the polymer electrolyte fuel cell stack 14. A first external manifold 52 for supplying an oxidizing gas to the oxidizing gas passage 32a in the battery stack 14 is provided between the polymer electrolyte fuel cell stack 14 and the phosphoric acid fuel cell stack 12. A second oxidizing gas discharged from the oxidizing gas flow channel 32 a in the polymer electrolyte fuel cell stack 14 to the oxidizing gas flow channel 32 in the phosphoric acid fuel cell stack 12. An external manifold 54 is provided. In the second external manifold 54, a heating coil (heating means) 56 for heating the oxidizing gas is disposed.
【0031】このように構成される第1の実施形態に係
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 according to the first embodiment configured as described above will be described below.
【0032】燃料電池システム10の運転開始時には、
図2に示すように、入口側開閉弁44bおよび出口側開
閉弁46bが連通位置(開放位置)に配置されるととも
に、入口側開閉弁44aおよび出口側開閉弁46aが閉
塞位置に配置される。このため、燃料ガス経路40から
分岐経路42bを介して固体高分子型燃料電池スタック
14を構成するエンドプレート21aの燃料ガス入口3
6aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。At the start of operation of the fuel cell system 10,
As shown in FIG. 2, the inlet-side on-off valve 44b and the outlet-side on-off valve 46b are arranged at the communicating position (open position), and the inlet-side on-off valve 44a and the outlet-side on-off valve 46a are arranged at the closed position. Therefore, the fuel gas inlet 3 of the end plate 21a constituting the polymer electrolyte fuel cell stack 14 from the fuel gas path 40 via the branch path 42b
A fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to 6a.
【0033】一方、酸化剤ガス供給機構18では、ブロ
ア50が駆動されて空気または酸素含有ガスである酸化
剤ガスが、第1外部マニホールド52を介して固体高分
子型燃料電池スタック14を構成する酸化剤ガス流路3
2aに導入される。このため、固体高分子型燃料電池ス
タック14内では、酸化剤ガスがセパレータ30aの酸
化剤ガス流路32aを介してカソード側電極24aに供
給されるとともに、燃料ガスが、セパレータ30aの燃
料ガス流路34aを介してアノード側電極26aに供給
される。これにより、各発電セル20aで発電が行わ
れ、モータ等の負荷に電力が供給されることになる。On the other hand, in the oxidizing gas supply mechanism 18, the blower 50 is driven and the oxidizing gas, which is air or an oxygen-containing gas, forms the polymer electrolyte fuel cell stack 14 through the first external manifold 52. Oxidant gas flow path 3
2a. For this reason, in the polymer electrolyte fuel cell stack 14, the oxidizing gas is supplied to the cathode 24a via the oxidizing gas flow path 32a of the separator 30a, and the fuel gas is supplied to the fuel gas flow of the separator 30a. It is supplied to the anode-side electrode 26a via the path 34a. As a result, power is generated in each power generation cell 20a, and power is supplied to a load such as a motor.
【0034】各発電セル20aでは、第1外部マニホー
ルド52から供給される酸化剤ガスの一部が発電に使用
されるとともに、未使用の酸化剤ガスが前記酸化剤ガス
流路32aから第2外部マニホールド54に排出され
る。第2外部マニホールド54に排出された酸化剤ガス
は、発電セル20aを冷却することにより昇温されてお
り、前記第2外部マニホールド54からリン酸型燃料電
池スタック12を構成する酸化剤ガス流路32に供給さ
れる。このため、各発電セル20は、加温されている酸
化剤ガスを介して加熱される。In each power generation cell 20a, a part of the oxidizing gas supplied from the first external manifold 52 is used for power generation, and an unused oxidizing gas is supplied from the oxidizing gas flow passage 32a to the second external gas passage 32a. It is discharged to the manifold 54. The temperature of the oxidizing gas discharged to the second external manifold 54 is increased by cooling the power generation cell 20a, and the oxidizing gas flow path forming the phosphoric acid type fuel cell stack 12 from the second external manifold 54. 32. Therefore, each power generation cell 20 is heated via the heated oxidizing gas.
【0035】さらに、固体高分子型燃料電池スタック1
4内では、酸化剤ガス流路32aに生成される反応生成
水が蒸発することにより生じる気化熱を介して前記固体
高分子型燃料電池スタック14を冷却するとともに、排
出される酸化剤ガスが前記気化熱を介して昇温されてい
る。従って、比較的高温に昇温された酸化剤ガスを介し
てリン酸型燃料電池スタック12が所望の作動温度に加
熱される。Further, the polymer electrolyte fuel cell stack 1
4, the polymer electrolyte fuel cell stack 14 is cooled through heat of vaporization generated by the evaporation of the reaction water generated in the oxidant gas passage 32 a, and the discharged oxidant gas is The temperature is raised via heat of vaporization. Accordingly, the phosphoric acid type fuel cell stack 12 is heated to a desired operating temperature via the oxidizing gas which has been heated to a relatively high temperature.
【0036】リン酸型燃料電池スタック12が所望の作
動温度に至ると、燃料ガス供給機構16を構成する入口
側開閉弁44aおよび出口側開閉弁46aが開放される
とともに、入口側開閉弁44bおよび出口側開閉弁46
bが閉塞される(図1参照)。このため、燃料ガス経路
40から分岐経路42aを介してリン酸型燃料電池スタ
ック12内に燃料ガスが供給され、この燃料ガスがセパ
レータ30の燃料ガス流路34を介してアノード側電極
26に供給される。When the phosphoric acid type fuel cell stack 12 reaches a desired operating temperature, the inlet opening / closing valve 44a and the outlet opening / closing valve 46a constituting the fuel gas supply mechanism 16 are opened, and the inlet opening / closing valves 44b and 44b are opened. Outlet valve 46
b is closed (see FIG. 1). Therefore, fuel gas is supplied from the fuel gas path 40 into the phosphoric acid type fuel cell stack 12 via the branch path 42a, and this fuel gas is supplied to the anode 26 via the fuel gas flow path 34 of the separator 30. Is done.
【0037】一方、酸化剤ガス供給機構18を構成する
ブロア50の作用下に、第1外部マニホールド52から
固体高分子型燃料電池スタック14内の酸化剤ガス流路
32aを通って第2外部マニホールド54に排出された
酸化剤ガスは、リン酸型燃料電池スタック12を構成す
るセパレータ30の酸化剤ガス流路32を介してカソー
ド側電極24に供給される。これにより、各発電セル2
0で発電が行われ、リン酸型燃料電池スタック12を介
してモータ等の負荷に所望の電力が供給される。On the other hand, under the action of the blower 50 constituting the oxidizing gas supply mechanism 18, the second external manifold 52 passes from the first external manifold 52 through the oxidizing gas flow path 32a in the polymer electrolyte fuel cell stack 14. The oxidizing gas discharged to 54 is supplied to the cathode 24 via the oxidizing gas flow path 32 of the separator 30 constituting the phosphoric acid type fuel cell stack 12. Thereby, each power generation cell 2
0, power is generated, and desired electric power is supplied to a load such as a motor via the phosphoric acid type fuel cell stack 12.
【0038】このように、第1の実施形態では、比較的
高温(120℃〜200℃)で運転されるリン酸型燃料
電池スタック12と、100℃以下の比較的低温で運転
される固体高分子型燃料電池スタック14とを併用して
いる。そして、燃料電池システム10の運転開始時のよ
うに、リン酸型燃料電池スタック12が外気温度となっ
て良好に運転し難い際には、固体高分子型燃料電池スタ
ック14のみが運転される。このため、必要とされる電
力を補うとともに、リン酸型燃料電池スタック12が作
動温度に達するまでの加熱エネルギを供給することがで
きる。As described above, in the first embodiment, the phosphoric acid type fuel cell stack 12 operated at a relatively high temperature (120 ° C. to 200 ° C.) and the solid fuel cell stack operated at a relatively low temperature of 100 ° C. or lower. The molecular fuel cell stack 14 is used in combination. Then, when the phosphoric acid type fuel cell stack 12 becomes difficult to operate satisfactorily due to the outside air temperature as in the start of operation of the fuel cell system 10, only the polymer electrolyte fuel cell stack 14 is operated. Therefore, it is possible to supplement the required electric power and supply the heating energy until the phosphoric acid type fuel cell stack 12 reaches the operating temperature.
【0039】次いで、リン酸型燃料電池スタック12が
作動温度に至ると、固体高分子型燃料電池スタック14
の運転を停止し、前記リン酸型燃料電池スタック12に
よる発電が行われる。従って、リン酸型燃料電池スタッ
ク12と固体高分子型燃料電池スタック14のそれぞれ
の欠点を補完しつつ、それぞれの利点を有効に活用する
ことができ、運転条件の自由度が大幅に向上するという
効果が得られる。Next, when the phosphoric acid type fuel cell stack 12 reaches the operating temperature, the polymer electrolyte fuel cell stack 14
Is stopped, and power is generated by the phosphoric acid type fuel cell stack 12. Therefore, the advantages of the phosphoric acid type fuel cell stack 12 and the polymer electrolyte fuel cell stack 14 can be effectively utilized while complementing the respective disadvantages, and the degree of freedom in operating conditions is greatly improved. The effect is obtained.
【0040】さらに、第1の実施形態では、リン酸型燃
料電池スタック12を常用電力源として用い、固体高分
子型燃料電池スタック14を併用することによって高負
荷時に不足する電力を十分に供給することが可能にな
る。Further, in the first embodiment, the phosphoric acid type fuel cell stack 12 is used as a normal power source, and the polymer electrolyte fuel cell stack 14 is used in combination to sufficiently supply insufficient electric power at high load. It becomes possible.
【0041】すなわち、燃料ガス供給機構16を構成す
る入口側開閉弁44a、44bと、出口側開閉弁46
a、46bとを開放状態にし、リン酸型燃料電池スタッ
ク12および固体高分子型燃料電池スタック14の燃料
ガス流路34、34aに燃料ガスを供給する一方、酸化
剤ガス供給機構18を介して酸化剤ガス流路32a、3
2に酸化剤ガスが供給される。これにより、リン酸型燃
料電池スタック12と固体高分子型燃料電池スタック1
4とは、同時に運転可能な状態になり、十分な電力を供
給することができる。That is, the inlet side opening / closing valves 44a and 44b constituting the fuel gas supply mechanism 16 and the outlet side opening / closing valve 46
a and 46b open to supply the fuel gas to the fuel gas flow paths 34 and 34a of the phosphoric acid type fuel cell stack 12 and the polymer electrolyte fuel cell stack 14, and via the oxidizing gas supply mechanism 18. Oxidant gas flow paths 32a, 3
An oxidant gas is supplied to 2. Thereby, the phosphoric acid type fuel cell stack 12 and the polymer electrolyte fuel cell stack 1
4 can be operated at the same time, and sufficient power can be supplied.
【0042】さらにまた、第2外部マニホールド54内
には、酸化剤ガスを加温するための加熱手段として、例
えば、加熱コイル56が配置されている。このため、固
体高分子型燃料電池スタック14から第2外部マニホー
ルド54に排出される酸化剤ガスは、加熱コイル56を
介してさらに昇温され、リン酸型燃料電池スタック12
の昇温が短時間で確実に遂行されるという利点が得られ
る。Further, in the second external manifold 54, for example, a heating coil 56 is disposed as a heating means for heating the oxidizing gas. Therefore, the oxidant gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell stack 14 to the second external manifold 54 is further heated through the heating coil 56, and
This has the advantage that the temperature rise is reliably performed in a short time.
【0043】図3は、本発明の第2の実施形態に係る燃
料電池システム60の概略構成説明図である。なお、上
記の第1の実施形態に係る燃料電池システム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。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 60 according to a second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell system 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
【0044】この燃料電池システム60は、酸化剤ガス
供給機構62を備えており、この酸化剤ガス供給機構6
2は、第1外部マニホールド52にロータリ式切り換え
バルブ64を介して選択的に連通する第1供給流路66
および第2供給流路68を備える。第1供給流路66
は、送風手段として、例えば、ブロア70を備える一
方、第2供給流路68は、過給器(スーパーチャージ
ャ)72と、冷却器(インタークーラ)74とを備えて
いる。The fuel cell system 60 includes an oxidizing gas supply mechanism 62.
2 is a first supply passage 66 selectively connected to the first external manifold 52 via a rotary switching valve 64.
And a second supply channel 68. First supply channel 66
Has a blower 70 as a blowing means, for example, while the second supply flow path 68 has a supercharger (supercharger) 72 and a cooler (intercooler) 74.
【0045】このように構成される第2の実施形態に係
る燃料電池システム60では、始動時には、図4に示す
ように、切り換えバルブ64を操作して第1外部マニホ
ールド52に第1供給流路66が連通するとともに、入
口側開閉弁44aと出口側開閉弁46aとが閉塞される
一方、入口側開閉弁44bと出口側開閉弁46bとが開
放される。このため、燃料ガスが固体高分子型燃料電池
スタック14側にのみ供給されるとともに、ブロア70
の作用下に第1供給流路66から第1外部マニホールド
52を介して前記固体高分子型燃料電池スタック14に
酸化剤ガスが供給される。In the fuel cell system 60 according to the second embodiment configured as described above, at the time of startup, as shown in FIG. 66 communicates, and the inlet-side on-off valve 44a and the outlet-side on-off valve 46a are closed, while the inlet-side on-off valve 44b and the outlet-side on-off valve 46b are opened. Therefore, the fuel gas is supplied only to the polymer electrolyte fuel cell stack 14 side and the blower 70
The oxidizing gas is supplied from the first supply passage 66 to the polymer electrolyte fuel cell stack 14 via the first external manifold 52 under the action of the above.
【0046】次に、リン酸型燃料電池スタック12が所
定の作動温度に至ると、図3に示すように、入口側開閉
弁44aと出口側開閉弁46aとが開放される一方、入
口側開閉弁44bと出口側開閉弁46bとが閉塞され
る。そして、酸化剤ガス供給機構62を構成する切り換
えバルブ64が操作され、第1外部マニホールド52が
第2供給流路68に連通する。Next, when the phosphoric acid type fuel cell stack 12 reaches a predetermined operating temperature, as shown in FIG. 3, the inlet opening / closing valve 44a and the outlet opening / closing valve 46a are opened, while the inlet opening / closing valve 46a is opened. The valve 44b and the outlet opening / closing valve 46b are closed. Then, the switching valve 64 constituting the oxidizing gas supply mechanism 62 is operated, and the first external manifold 52 communicates with the second supply channel 68.
【0047】従って、第1外部マニホールド52には、
過給器72および冷却器74を介して酸化剤ガスが強制
的に導入され、固体高分子型燃料電池スタック14を通
ってリン酸型燃料電池スタック12に所定量の酸化剤ガ
スを確実に供給することが可能になる。これにより、リ
ン酸型燃料電池スタック12を比較的高負荷で確実に運
転することができるという利点が得られる。その際、固
体高分子型燃料電池スタック14を併用すれば、さらに
高負荷時の発電不足を確実に回避することが可能になる
等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。Therefore, the first external manifold 52 has:
The oxidizing gas is forcibly introduced through the supercharger 72 and the cooler 74, and a predetermined amount of the oxidizing gas is reliably supplied to the phosphoric acid type fuel cell stack 12 through the polymer electrolyte fuel cell stack 14. It becomes possible to do. This provides an advantage that the phosphoric acid type fuel cell stack 12 can be reliably operated with a relatively high load. At this time, if the polymer electrolyte fuel cell stack 14 is used in combination, the same effects as those of the above-described first embodiment can be obtained.
【0048】図5は、本発明の第3の実施形態に係る燃
料電池システム80の概略構成説明図である。なお、第
1の実施形態に係る燃料電池システム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。FIG. 5 is a schematic structural explanatory view of a fuel cell system 80 according to a third embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell system 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and a detailed description thereof will be omitted.
【0049】この燃料電池システム80は、リン酸型燃
料電池スタック12内に温度調整用媒体を供給する媒体
供給機構82を備えている。媒体供給機構82は、媒体
循環経路84を有しており、この媒体循環経路84は、
リン酸型燃料電池スタック12を構成するエンドプレー
ト21、23に設けられている図示しない媒体出口と媒
体入口とに連通するとともに、前記媒体出口および前記
媒体入口は、前記リン酸型燃料電池スタック12内の冷
却経路(図示せず)に連通している。The fuel cell system 80 has a medium supply mechanism 82 for supplying a temperature adjusting medium into the phosphoric acid type fuel cell stack 12. The medium supply mechanism 82 has a medium circulation path 84, and the medium circulation path 84
The medium outlet and the medium inlet (not shown) provided on the end plates 21 and 23 constituting the phosphoric acid type fuel cell stack 12 communicate with the medium outlet and the medium inlet. It communicates with a cooling path (not shown) in the inside.
【0050】媒体循環経路84には、例えば、液状冷却
媒体である媒体を循環させるためのポンプ86と、媒体
加熱用のヒータ(加熱コイル)88と、ラジエータ(熱
交換器)90とが配設される。このラジエータ90に対
向して冷却用ファン92が配設されるとともに、媒体循
環経路84には、前記ラジエータ90の入口側および出
口側を開閉する第1および第2開閉弁94、96と、前
記第1および第2開閉弁94、96の外側で分岐するバ
イパス経路98と、前記バイパス経路98を開閉する第
3開閉弁100とが配設されている。In the medium circulation path 84, for example, a pump 86 for circulating a medium as a liquid cooling medium, a heater (heating coil) 88 for heating the medium, and a radiator (heat exchanger) 90 are provided. Is done. A cooling fan 92 is provided to face the radiator 90, and first and second on-off valves 94 and 96 for opening and closing the inlet side and the outlet side of the radiator 90 are provided in the medium circulation path 84. A bypass path 98 that branches off outside the first and second on-off valves 94 and 96 and a third on-off valve 100 that opens and closes the bypass path 98 are provided.
【0051】このように構成される第3の実施形態に係
る燃料電池システム80では、外気温度による始動時や
低負荷時には、図6に示すように、入口側開閉弁44a
と出口側開閉弁46aとが閉塞される一方、入口側開閉
弁44bと出口側開放弁46bとが開放されるととも
に、媒体供給機構82を構成する第1および第2開閉弁
94、96が閉塞される一方、第3開閉弁100が開放
される。このため、燃料ガスは固体高分子型燃料電池ス
タック14側にのみ供給されるとともに、ブロア50の
作用下に前記固体高分子型燃料電池スタック14に酸化
剤ガスが供給され、該固体高分子型燃料電池スタック1
4による発電が開始される。In the fuel cell system 80 according to the third embodiment configured as described above, at the time of starting due to the outside air temperature or at the time of low load, as shown in FIG.
And the outlet-side on-off valve 46a are closed, the inlet-side on-off valve 44b and the outlet-side opening valve 46b are opened, and the first and second on-off valves 94 and 96 constituting the medium supply mechanism 82 are closed. Meanwhile, the third on-off valve 100 is opened. Therefore, the fuel gas is supplied only to the polymer electrolyte fuel cell stack 14 side, and an oxidant gas is supplied to the polymer electrolyte fuel cell stack 14 under the action of the blower 50, and Fuel cell stack 1
4 is started.
【0052】固体高分子型燃料電池スタック14による
発電電力は、リン酸型燃料電池スタック12の作動温度
内で必要とされる電力を補うとともに、媒体供給機構8
2を構成するヒータ88単独に、またはこのヒータ88
と加熱コイル56とに供給される。これにより、媒体供
給機構82では、ヒータ88を介して媒体循環経路84
内の媒体(液状媒体)が加熱され、ポンプ86の作用下
にこの加熱された媒体がリン酸型燃料電池スタック12
内に循環されて前記リン酸型燃料電池スタック12が昇
温する。The electric power generated by the polymer electrolyte fuel cell stack 14 supplements the electric power required within the operating temperature of the phosphoric acid fuel cell stack 12 and the medium supply mechanism 8
2 or the heater 88 alone.
And the heating coil 56. Accordingly, in the medium supply mechanism 82, the medium circulation path 84
The medium (liquid medium) in the fuel cell stack 12 is heated under the action of the pump 86.
And the temperature of the phosphoric acid type fuel cell stack 12 rises.
【0053】その際、ラジエータ90の入口側および出
口側の第1および第2開閉弁94、96が閉塞されてお
り、媒体はバイパス経路98を通ってリン酸型燃料電池
スタック12内を循環している。従って、媒体はラジエ
ータ90により放熱されることがなく、リン酸型燃料電
池スタック12を所望の作動温度まで効率よく昇温させ
ることが可能になるという効果が得られる。At this time, the first and second on-off valves 94 and 96 on the inlet side and the outlet side of the radiator 90 are closed, and the medium circulates through the phosphoric acid type fuel cell stack 12 through the bypass path 98. ing. Therefore, the medium is not radiated by the radiator 90, and the effect is obtained that the phosphoric acid type fuel cell stack 12 can be efficiently heated to a desired operating temperature.
【0054】一方、加熱コイル56にも電力が供給され
る際には、固体高分子型燃料電池スタック14から排出
される酸化剤ガスが前記加熱コイル56により加熱され
ている。このため、加熱された酸化剤ガスの作用下に、
リン酸型燃料電池スタック12を一層効率的に昇温させ
ることができる。On the other hand, when electric power is also supplied to the heating coil 56, the oxidant gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell stack 14 is heated by the heating coil 56. Therefore, under the action of heated oxidant gas,
The temperature of the phosphoric acid type fuel cell stack 12 can be raised more efficiently.
【0055】次いで、リン酸型燃料電池スタック12が
作動温度に至ると、図5に示すように、固体高分子型燃
料電池スタック14の運転が停止される一方、前記リン
酸型燃料電池スタック12による発電が開始される。そ
の際、ヒータ88および加熱コイル56への電力の供給
が停止されるとともに、媒体供給機構82側では、第1
および第2開閉弁94、96が開放される一方、第3開
閉弁100が閉塞される。このため、媒体循環経路84
にラジエータ90が連通し、媒体は前記ラジエータ90
を通過することによって熱を外部へ放出して冷却され、
リン酸型燃料電池スタック12を作動温度に維持するよ
うに冷却(温調)する。Next, when the phosphoric acid type fuel cell stack 12 reaches the operating temperature, the operation of the polymer electrolyte fuel cell stack 14 is stopped, as shown in FIG. Power generation is started. At this time, the supply of power to the heater 88 and the heating coil 56 is stopped, and the first
And the second on-off valves 94 and 96 are opened, while the third on-off valve 100 is closed. Therefore, the medium circulation path 84
A radiator 90 communicates with the radiator 90,
The heat is released by passing through and cooled.
The phosphoric acid type fuel cell stack 12 is cooled (temperature controlled) so as to maintain the operating temperature.
【0056】このように、第3の実施形態では、リン酸
型燃料電池スタック12内に温度調整用媒体を供給する
ための媒体供給機構82が設けられている。これによ
り、外気温度での始動時や低負荷時には、固体高分子型
燃料電池スタック14のみを運転するとともに、この固
体高分子型燃料電池スタック14による発電電力を介し
てヒータ88が付勢され、このヒータ88により加熱さ
れた媒体を介してリン酸型燃料電池スタック12内を効
率よくかつ迅速に昇温させることができる。従って、リ
ン酸型燃料電池スタック12の運転が短時間で開始さ
れ、効率的な運転が遂行可能になるという効果が得られ
る。As described above, in the third embodiment, the medium supply mechanism 82 for supplying the temperature adjusting medium into the phosphoric acid type fuel cell stack 12 is provided. As a result, at the time of starting at an outside air temperature or at a low load, only the polymer electrolyte fuel cell stack 14 is operated, and the heater 88 is energized via electric power generated by the polymer electrolyte fuel cell stack 14, The temperature inside the phosphoric acid type fuel cell stack 12 can be efficiently and quickly raised via the medium heated by the heater 88. Therefore, there is an effect that the operation of the phosphoric acid type fuel cell stack 12 is started in a short time, and efficient operation can be performed.
【0057】一方、リン酸型燃料電池スタック12の作
動が開始されると、媒体供給機構82では、ラジエータ
90により媒体の放熱が行われ、この媒体を介して前記
リン酸型燃料電池スタック12を作動温度に維持すべ
く、冷却が行われる。このため、リン酸型燃料電池スタ
ック12を作動温度に確実に維持することができるとい
う利点がある。On the other hand, when the operation of the phosphoric acid type fuel cell stack 12 is started, in the medium supply mechanism 82, the radiator 90 radiates the medium, and the medium is discharged through the medium. Cooling is provided to maintain operating temperature. Therefore, there is an advantage that the phosphoric acid type fuel cell stack 12 can be reliably maintained at the operating temperature.
【0058】[0058]
【発明の効果】本発明に係る燃料電池システムでは、リ
ン酸型燃料電池スタックと固体高分子型燃料電池スタッ
クとを選択的に、あるいは同時に運転することにより、
それぞれの欠点を補完しつつ、それぞれの利点を有効に
活用することができ、運転条件の自由度が大幅に向上す
る。In the fuel cell system according to the present invention, the phosphoric acid type fuel cell stack and the polymer electrolyte fuel cell stack are operated selectively or simultaneously,
While compensating for each of the disadvantages, the respective advantages can be effectively utilized, and the degree of freedom in operating conditions is greatly improved.
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システ
ムの概略構成説明図である。FIG. 1 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
【図2】前記燃料電池システムの運転開始時の動作説明
図である。FIG. 2 is an operation explanatory diagram at the time of starting operation of the fuel cell system.
【図3】本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システ
ムの概略構成説明図である。FIG. 3 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
【図4】前記燃料電池システムの動作説明図である。FIG. 4 is an operation explanatory diagram of the fuel cell system.
【図5】本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システ
ムの概略構成説明図である。FIG. 5 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
【図6】前記燃料電池システムの動作説明図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the operation of the fuel cell system.
10、60、80…燃料電池システム 12…リン酸型
燃料電池スタック 14…固体高分子型燃料電池スタック 16…燃料ガス
供給機構 18、62…酸化剤ガス供給機構 20、20a…
発電セル 22…電解質層 22a…電解質
膜 24、24a…カソード側電極 26、26a…
アノード側電極 28…接合体 30、30a…
セパレータ 32、32a…酸化剤ガス流路 34、34a…
燃料ガス流路 36、36a…燃料ガス入口 38、38a…
燃料ガス出口 40…燃料ガス経路 42a、42b
…分岐経路 44a、44b、46a、46b、94、96、100
…開閉弁 50、70…ブロア 52、54…外
部マニホールド 56…加熱コイル 64…切り換え
バルブ 66、68…供給流路 72…過給器 74…冷却器 82…媒体供給
機構 84…媒体循環経路 86…ポンプ 88…ヒータ 90…ラジエー
タ10, 60, 80 ... fuel cell system 12 ... phosphoric acid type fuel cell stack 14 ... polymer electrolyte fuel cell stack 16 ... fuel gas supply mechanism 18, 62 ... oxidant gas supply mechanism 20, 20a ...
Power generation cell 22 ... Electrolyte layer 22a ... Electrolyte membrane 24, 24a ... Cathode side electrode 26, 26a ...
Anode-side electrode 28 ... joined body 30, 30a ...
Separator 32, 32a ... Oxidant gas flow path 34, 34a ...
Fuel gas passages 36, 36a ... fuel gas inlets 38, 38a ...
Fuel gas outlet 40 ... Fuel gas paths 42a, 42b
... Branch paths 44a, 44b, 46a, 46b, 94, 96, 100
... On-off valves 50,70 ... Blowers 52,54 ... External manifold 56 ... Heating coil 64 ... Switching valves 66,68 ... Supply flow path 72 ... Supercharger 74 ... Cooler 82 ... Medium supply mechanism 84 ... Medium circulation path 86 ... Pump 88: heater 90: radiator
Claims (5)
極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有
し、前記接合体をセパレータにより挟持した複数の発電
セルが積層されるリン酸型燃料電池スタックと、 高分子イオン交換膜からなる電解質をアノード側電極と
カソード側電極とで挟んで構成される接合体を有し、前
記接合体をセパレータにより挟持した複数の発電セルが
積層される空冷式の固体高分子型燃料電池スタックと、 前記リン酸型燃料電池スタックおよび前記固体高分子型
燃料電池スタックに燃料ガスを個別におよび同時に供給
可能な燃料ガス供給機構と、 前記リン酸型燃料電池スタックおよび前記固体高分子型
燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供
給機構と、 を備えることを特徴とする燃料電池システム。1. A phosphor comprising an electrolyte impregnated with phosphoric acid sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, wherein a plurality of power generation cells having the junction sandwiched by separators are stacked. An acid-type fuel cell stack, and a joined body composed of an electrolyte made of a polymer ion exchange membrane sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and a plurality of power generation cells in which the joined body is sandwiched by separators are stacked. An air-cooled polymer electrolyte fuel cell stack, a fuel gas supply mechanism capable of individually and simultaneously supplying fuel gas to the phosphoric acid fuel cell stack and the polymer electrolyte fuel cell stack, Gas supply mechanism for supplying an oxidizing gas to the fuel cell stack and the polymer electrolyte fuel cell stack. Tem.
て、前記リン酸型燃料電池スタック内に温度調整用媒体
を供給する媒体供給機構を備え、 前記媒体供給機構は、前記リン酸型燃料電池スタックの
媒体入口と媒体出口とに連通する媒体循環経路を有する
とともに、 前記媒体循環経路には、媒体循環用のポンプと、 媒体加熱用のヒータと、 熱交換器と、 前記熱交換器の入口側および出口側を開閉する第1およ
び第2開閉弁と、 前記第1および第2開閉弁の外側で分岐するバイパス経
路と、 前記バイパス経路を開閉する第3開閉弁と、 が配設されることを特徴とする燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a medium supply mechanism for supplying a temperature adjusting medium into the phosphoric acid type fuel cell stack, wherein the medium supplying mechanism comprises the phosphoric acid type fuel cell stack. A medium circulation path communicating with a medium inlet and a medium outlet of the medium, the medium circulation path includes a medium circulation pump, a medium heating heater, a heat exchanger, and an inlet side of the heat exchanger. And a first on-off valve for opening and closing the outlet side, a bypass path branching outside the first and second on-off valves, and a third on-off valve opening and closing the bypass path. A fuel cell system characterized by the above-mentioned.
において、前記酸化剤ガス供給機構は、送風手段と、 前記送風手段と前記固体高分子型燃料電池スタックとの
間に設けられ、前記送風手段を介して該固体高分子型燃
料電池スタック内の酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを
供給するための第1外部マニホールドと、 前記固体高分子型燃料電池スタックと前記リン酸型燃料
電池スタックとの間に設けられ、該固体高分子型燃料電
池スタック内の第1酸化剤ガス流路から排出される前記
酸化剤ガスを該リン酸型燃料電池スタック内の酸化剤ガ
ス流路に供給するための第2外部マニホールドと、 を備えることを特徴とする燃料電池システム。3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the oxidizing gas supply mechanism is provided between a blowing unit, the blowing unit and the polymer electrolyte fuel cell stack, and A first external manifold for supplying the oxidizing gas to an oxidizing gas flow path in the polymer electrolyte fuel cell stack via a means, the polymer electrolyte fuel cell stack, and the phosphoric acid fuel cell And supplying the oxidizing gas discharged from the first oxidizing gas flow path in the polymer electrolyte fuel cell stack to the oxidizing gas flow path in the phosphoric acid fuel cell stack. And a second external manifold.
て、前記第2外部マニホールドには、前記酸化剤ガスを
加温する加熱手段が配設されることを特徴とする燃料電
池システム。4. A fuel cell system according to claim 3, wherein said second external manifold is provided with a heating means for heating said oxidizing gas.
において、前記酸化剤ガス供給機構は、前記第1外部マ
ニホールドに切り換え手段を介して選択的に連通する第
1供給流路および第2供給流路と、 前記第1供給流路に設けられる送風手段と、 前記第2供給流路に設けられる過給器および冷却器と、 を備えることを特徴とする燃料電池システム。5. The fuel cell system according to claim 3, wherein the oxidizing gas supply mechanism selectively connects to the first external manifold via switching means and a second supply passage. A fuel cell system comprising: a flow path; a blower provided in the first supply flow path; and a supercharger and a cooler provided in the second supply flow path.
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| JP (1) | JP2002015749A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006302746A (en) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
| JP2010287394A (en) * | 2009-06-10 | 2010-12-24 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
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| US10170677B2 (en) | 2013-03-12 | 2019-01-01 | Panasonic Corporation | Thermoelectric generator system |
| JP2020140835A (en) * | 2019-02-27 | 2020-09-03 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
-
2000
- 2000-06-29 JP JP2000197089A patent/JP2002015749A/en active Pending
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