JP7836092B2 - Fuel cell unit - Google Patents
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Description
本発明は、酸化剤を含む第１の気体と水素を含む第２の気体とを反応させて発電可能に構成された燃料電池ユニットに関するものである。 This invention relates to a fuel cell unit configured to generate electricity by reacting a first gas containing an oxidizing agent with a second gas containing hydrogen.
例えば、下記の特許文献には、病院において生成した水素や酸素を、病院、水素ステーションおよび住宅などで活用することができるように構成されたエネルギー供給システム（以下、単に「システム」ともいう）が開示されている。具体的には、このシステムは、電力を発生させる（太陽光発電を行う）発電部と、電気再生式の純水生成装置によって生成された水（純水）を貯留する純水貯留部と、発電部において発電された電力を利用して水を電気分解する電気分解装置と、電気分解装置において得られた水素を貯留する水素タンクと、電気分解装置において得られた酸素を貯留する酸素タンクと、水素を利用して電力を発生させる燃料電池と、酸素吸入用に酸素を提供する酸素供給装置とを備えて構成されている。 For example, the following patent document discloses an energy supply system (hereinafter also simply referred to as "the system") configured to allow the use of hydrogen and oxygen generated in a hospital in hospitals, hydrogen stations, and homes. Specifically, this system comprises a power generation unit that generates electricity (solar power generation), a pure water storage unit that stores water (pure water) produced by an electro-regenerative pure water generator, an electrolysis unit that electrolyzes water using the electricity generated in the power generation unit, a hydrogen tank that stores the hydrogen obtained in the electrolysis unit, an oxygen tank that stores the oxygen obtained in the electrolysis unit, a fuel cell that generates electricity using hydrogen, and an oxygen supply unit that provides oxygen for oxygen inhalation.
この場合、電気分解装置において生成された水素は、水素の補給施設である水素ステーションに供給されて水素タンクに貯留され、その後、水素ステーションから燃料電池に供給されて発電に利用される。また、電気分解装置において生成された酸素は、酸素供給装置の酸素タンクに貯留されて病院内の医療用途に用いられる。このように、このシステムでは、電気分解装置による水の電気分解によって得られた酸素を水素と共に有効に活用することが可能となっている。 In this system, the hydrogen produced in the electrolysis unit is supplied to a hydrogen refueling station, where it is stored in a hydrogen tank. From there, it is supplied to a fuel cell for power generation. The oxygen produced in the electrolysis unit is stored in an oxygen tank in an oxygen supply unit and used for medical purposes within the hospital. Thus, this system makes it possible to effectively utilize both the oxygen obtained from the electrolysis of water in the electrolysis unit and the hydrogen.
ところが、上記特許文献に開示のシステムには、以下のような解決すべき問題点が存在する。 However, the system disclosed in the above-mentioned patent document has the following problems that need to be addressed.
具体的には、上記のシステムでは、電気再生式の純水生成装置によって生成した水（純水）を純水貯留部に貯留し、貯留した水を電気分解装置に供給して電気分解させることによって燃料電池における発電に使用する水素を得る構成が採用されている。この場合、このシステムでは、発電を目的とする燃料電池において使用する水素を生成する電気分解装置において原料として使用する水（純水）を、電気再生式の純水生成装置によって生成する構成が採用されている。つまり、このシステムでは、発電に必要な水素を得るための水を生成するときに電力を消費しており、これに起因して、水素の生成コストが高騰し、発電コストの低減が困難となっているという問題点がある。 Specifically, the system described above employs a configuration in which water (pure water) produced by an electrolytic pure water generator is stored in a pure water storage unit, and the stored water is supplied to an electrolysis unit for electrolysis to obtain hydrogen used for power generation in fuel cells. In this system, the water (pure water) used as raw material in the electrolysis unit that generates hydrogen for use in fuel cells for power generation is produced by an electrolytic pure water generator. In other words, this system consumes electricity when generating the water needed to obtain the hydrogen required for power generation, which leads to a problem where the cost of hydrogen production skyrockets, making it difficult to reduce power generation costs.
一方、上記のシステムにおける燃料電池などでは、発電に際して酸素と水素とが反応させられることで膜電極接合体におけるカソード電極側に多量の水が発生し、この水が排気と共に燃料電池から排出される。そこで、出願人は、排気と共に排出されるこの水を回収して水素生成用の原料として使用する発電方法を試みた。これにより、電気再生式の純水生成装置によって生成した水を原料として水素を生成する上記システムの構成と比較して、原料としての水の生成に電力を必要としない分だけ、発電コスト（水素の生成コスト）を低減することが可能となった。 On the other hand, in the fuel cell systems described above, a large amount of water is generated on the cathode electrode side of the membrane electrode assembly when oxygen and hydrogen react during power generation, and this water is discharged from the fuel cell along with the exhaust. Therefore, the applicant attempted a power generation method that recovers this water discharged with the exhaust and uses it as a raw material for hydrogen production. This makes it possible to reduce power generation costs (hydrogen production costs) compared to the above system configuration, which uses water produced by an electrically regenerative pure water generator as a raw material, because electricity is not required to produce the water as a raw material.
しかしながら、出願人が試みた発電方法では、回収した水を搬送用容器などで搬送して水素発生装置に注水する作業が煩雑であり、これを自動化すべく液送ポンプなどを配設した場合には、水素発生装置への水の供給のために電力を使用することとなる。このため、発電用セルからの排水を水素生成用の原料として使用するには、この点を改善する必要がある。 However, in the power generation method attempted by the applicant, the process of transporting the recovered water in a transport container and pouring it into the hydrogen generator is cumbersome. If a liquid transfer pump or similar device were installed to automate this process, electricity would be used to supply water to the hydrogen generator. Therefore, this point needs improvement if wastewater from the power generation cell is to be used as a raw material for hydrogen production.
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、煩雑な作業を行うことなく、発電コストを十分に低減し得る燃料電池ユニットを提供することを主目的とする。 This invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its main objective is to provide a fuel cell unit that can significantly reduce power generation costs without requiring complicated procedures.
上記目的を達成すべく、請求項１記載の燃料電池ユニットは、酸化剤を含む第１の気体が通過させられる第１のセパレータ、水素を含む第２の気体が通過させられる第２のセパレータ、および当該第１のセパレータと当該第２のセパレータとの間に配設される膜電極接合体を少なくとも含む平板状の被積層物が複数積層されて一体化されると共に、当該膜電極接合体を介して当該第１の気体と当該第２の気体とを反応させて発電可能に構成された燃料電池本体と、前記第１のセパレータに前記第１の気体を供給するポンプと、原料の水を電気分解して前記水素を発生させて前記第２の気体を生成すると共に、生成した当該第２の気体を前記第２のセパレータに供給する燃料供給装置とを備えた燃料電池ユニットであって、前記第１のセパレータと前記ポンプとの間に配設されて当該第１のセパレータから排出される排気に含まれている水を当該排気から分離させて回収する気液分離槽と、前記ポンプにおける吸気口および排気口のいずれかを前記気液分離槽に対して選択的に接続する接続切替え装置と、前記気液分離槽において分離された水を前記原料として前記燃料供給装置に供給する第１の配管と、前記第１の配管に配設された第１の弁機構と、前記ポンプ、前記接続切替え装置および前記第１の弁機構を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池本体において発電を行うときに、前記第１の弁機構を制御して前記第１の配管を閉塞する閉状態に移行させ、かつ前記接続切替え装置を制御して前記ポンプにおける前記吸気口を前記気液分離槽に対して接続させた状態において当該ポンプを動作させることにより、前記気液分離槽を介して前記第１のセパレータから前記第１の気体を当該ポンプに吸引させることで新たな当該第１の気体を当該第１のセパレータに流入させる第１の制御態様と、前記第１の弁機構を制御して前記第１の配管を開口する開状態に移行させ、かつ前記接続切替え装置を制御して前記ポンプにおける前記排気口を前記気液分離槽に対して接続させた状態において当該ポンプを動作させることにより、前記気液分離槽を介して当該ポンプから前記第１のセパレータに前記第１の気体を圧送させると共に、当該気液分離槽において分離された水を当該気液分離槽から当該第１の配管を介して前記燃料供給装置に圧送させる第２の制御態様とのいずれかで、当該ポンプ、当該接続切替え装置および当該第１の弁機構を制御可能に構成されている。 To achieve the above objective, the fuel cell unit according to claim 1 comprises a fuel cell body configured to generate electricity by reacting the first gas and the second gas via the membrane electrode assembly, wherein a plurality of flat plate-shaped laminates are stacked and integrated, each comprising at least a first separator through which a first gas containing an oxidant passes, a second separator through which a second gas containing hydrogen passes, and a membrane electrode assembly disposed between the first and second separators, and the fuel cell body is configured to generate electricity by reacting the first gas and the second gas via the membrane electrode assembly; a pump for supplying the first gas to the first separator; and generating hydrogen by electrolyzing raw water. A fuel cell unit comprising a fuel supply device that generates the second gas and supplies the generated second gas to the second separator, the unit comprising: a gas-liquid separation tank disposed between the first separator and the pump for separating and recovering water contained in the exhaust gas discharged from the first separator; a connection switching device for selectively connecting either the intake port or exhaust port of the pump to the gas-liquid separation tank; a first pipe for supplying the water separated in the gas-liquid separation tank as the raw material to the fuel supply device; and a first valve disposed in the first pipe. The fuel cell body comprises a mechanism and a control unit that controls the pump, the connection switching device, and the first valve mechanism, wherein the control unit, when generating power in the fuel cell body, controls the first valve mechanism to switch to a closed state that closes the first piping, and controls the connection switching device to connect the intake port of the pump to the gas-liquid separation tank, thereby operating the pump and drawing the first gas from the first separator to the first separator through the gas-liquid separation tank, thereby causing new gas to flow into the first separator, in a first control mode, The pump, the connection switching device, and the first valve mechanism are configured to be controllable in either of the following ways: first, the first valve mechanism is controlled to open the first piping; and second, the connection switching device is controlled to connect the exhaust port of the pump to the gas-liquid separation tank; thereby operating the pump in this state, the first gas is pumped from the pump to the first separator via the gas-liquid separation tank, and the water separated in the gas-liquid separation tank is pumped from the gas-liquid separation tank to the fuel supply device via the first piping.
また、請求項２記載の燃料電池ユニットは、請求項１記載の燃料電池ユニットにおいて、前記燃料供給装置から前記第２のセパレータに前記第２の気体を供給する第２の配管と、前記第２のセパレータにおける排気口を前記気液分離槽に接続する第３の配管と、前記第２の配管に対する前記第１の気体の流入を規制／許容する第２の弁機構と、前記第３の配管に配設された第３の弁機構とを備え、前記制御部は、前記第１の制御態様および前記第２の制御態様で制御を行うときに、前記第２の弁機構を制御して前記第２の配管に対する前記第１の気体の流入を規制させると共に、前記第３の弁機構を制御して前記第３の配管を閉塞する閉状態に移行させ、前記燃料電池本体において発電を行わない状態において予め規定された条件が満たされたときに、前記第１の弁機構を制御して前記閉状態に移行させ、前記第２の弁機構を制御して前記第２の配管に対する前記第１の気体の流入を許容させ、かつ、前記第３の弁機構を制御して前記第３の配管を開口する開状態に移行させると共に、前記接続切替え装置を制御して前記ポンプにおける前記吸気口を前記気液分離槽に対して接続させた状態において当該ポンプを動作させることにより、前記気液分離槽および第３の配管を介して前記第２のセパレータから前記第１の気体を当該ポンプに吸引させることで、当該第２のセパレータから排気される前記第１の気体に含まれている水を当該気液分離槽において分離させて回収させる第３の制御態様で当該ポンプ、当該接続切替え装置、当該第１の弁機構、当該第２の弁機構および当該第３の弁機構を制御可能に構成されている。 Furthermore, the fuel cell unit according to claim 2 is the fuel cell unit according to claim 1, further comprising: a second pipe for supplying the second gas from the fuel supply device to the second separator; a third pipe connecting the exhaust port of the second separator to the gas-liquid separation tank; a second valve mechanism for restricting/allowing the inflow of the first gas into the second pipe; and a third valve mechanism disposed in the third pipe, wherein when the control unit performs control in the first and second control modes, it controls the second valve mechanism to restrict the inflow of the first gas into the second pipe, and controls the third valve mechanism to transition to a closed state in which the third pipe is closed; and when the fuel cell body is not generating electricity and predetermined conditions are met, the first The pump, the connection switching device, the first valve mechanism, the second valve mechanism, and the third valve mechanism are configured to be controllable in a third control mode, which involves controlling the valve mechanism to transition to the closed state, controlling the second valve mechanism to allow the inflow of the first gas into the second piping, controlling the third valve mechanism to transition to the open state that opens the third piping, and controlling the connection switching device to connect the intake port of the pump to the gas-liquid separation tank, thereby operating the pump and drawing the first gas from the second separator to the pump via the gas-liquid separation tank and the third piping, thereby separating and recovering the water contained in the first gas exhausted from the second separator in the gas-liquid separation tank.
請求項１記載の燃料電池ユニットでは、制御部が、燃料電池本体において発電を行うときに、第１の弁機構を制御して第１の配管を閉塞する閉状態に移行させ、かつ接続切替え装置を制御してポンプにおける吸気口を気液分離槽に対して接続させた状態においてポンプを動作させることにより、気液分離槽を介して第１のセパレータから第１の気体をポンプに吸引させることで新たな第１の気体を第１のセパレータに流入させる第１の制御態様と、第１の弁機構を制御して第１の配管を開口する開状態に移行させ、かつ接続切替え装置を制御してポンプにおける排気口を気液分離槽に対して接続させた状態においてポンプを動作させることにより、気液分離槽を介してポンプから第１のセパレータに第１の気体を圧送させると共に、気液分離槽において分離された水を気液分離槽から第１の配管を介して燃料供給装置に圧送させる第２の制御態様とのいずれかで、ポンプ、接続切替え装置および第１の弁機構を制御可能に構成されている。 The fuel cell unit according to claim 1 is configured to control the pump, connection switching device, and first valve mechanism in either of the following ways: a first control mode in which, when generating power in the fuel cell body, the control unit controls the first valve mechanism to transition to a closed state that closes the first piping, and controls the connection switching device to connect the intake port of the pump to the gas-liquid separation tank, thereby operating the pump and drawing the first gas from the first separator to the first separator via the gas-liquid separation tank; or a second control mode in which the control unit controls the first valve mechanism to transition to an open state that opens the first piping, and controls the connection switching device to connect the exhaust port of the pump to the gas-liquid separation tank, thereby operating the pump and simultaneously pumping the first gas from the pump to the first separator via the gas-liquid separation tank, and pumping the water separated in the gas-liquid separation tank from the gas-liquid separation tank to the fuel supply device via the first piping.
したがって、請求項１記載の燃料電池ユニットによれば、水素を生成する電気分解装置において原料として使用する水（純水）を電気再生式の純水生成装置によって生成する構成とは異なり、第１の制御態様で各部を制御することで、発電に際して燃料電池本体（第１のセパレータ）から排出される水を気液分離槽において分離させて回収し、この水を燃料供給装置における水素の生成のための原料として使用することができ、原料の水の生成に電力を必要としない分だけ水素の生成コストを十分に低減することができる。また、気液分離槽に回収した水を搬送用容器などで搬送して燃料供給装置に注水したり、気液分離槽から燃料供給装置に水を圧送する液送ポンプなどを配設したりすることなく、第２の制御態様で各部を制御することで、発電を継続しつつ気液分離槽から燃料供給装置に気液分離槽内の水を圧送することができるため、水素の生成コストを一層低減することができる。これにより、燃料供給装置において生成される水素を使用した発電コストを十分に低減することができる。 Therefore, according to the fuel cell unit described in claim 1, unlike a configuration in which water (pure water) used as raw material in the electrolysis device for hydrogen generation is produced by an electrically regenerated pure water generator, by controlling each part in the first control mode, the water discharged from the fuel cell body (first separator) during power generation is separated and recovered in a gas-liquid separation tank, and this water can be used as raw material for hydrogen generation in the fuel supply device. Since electricity is not required to generate the raw material water, the cost of hydrogen generation can be significantly reduced. Furthermore, by controlling each part in the second control mode, without transporting the recovered water in the gas-liquid separation tank to the fuel supply device using a transport container or by installing a liquid transfer pump to pump water from the gas-liquid separation tank to the fuel supply device, power generation can be continued while pumping the water from the gas-liquid separation tank to the fuel supply device, thus further reducing the cost of hydrogen generation. This allows for a significant reduction in the power generation cost using the hydrogen produced in the fuel supply device.
また、請求項２記載の燃料電池ユニットでは、制御部が、第１の制御態様および第２の制御態様で制御を行うときに、第２の弁機構を制御して第２の配管に対する第１の気体の流入を規制させると共に、第３の弁機構を制御して第３の配管を閉塞する閉状態に移行させ、燃料電池本体において発電を行わない状態において予め規定された条件が満たされたときに、第１の弁機構を制御して閉状態に移行させ、第２の弁機構を制御して第２の配管に対する第１の気体の流入を許容させ、かつ、第３の弁機構を制御して第３の配管を開口する開状態に移行させると共に、接続切替え装置を制御してポンプにおける吸気口を気液分離槽に対して接続させた状態においてポンプを動作させることにより、気液分離槽および第３の配管を介して第２のセパレータから第１の気体をポンプに吸引させることで、第２のセパレータから排気される第１の気体に含まれている水を気液分離槽において分離させて回収させる第３の制御態様でポンプ、接続切替え装置、第１の弁機構、第２の弁機構および第３の弁機構を制御可能に構成されている。 Furthermore, in the fuel cell unit according to claim 2, when the control unit performs control in the first and second control modes, it controls the second valve mechanism to restrict the inflow of the first gas into the second piping, and controls the third valve mechanism to transition to a closed state that blocks the third piping. When predetermined conditions are met in a state where the fuel cell body is not generating electricity, it controls the first valve mechanism to transition to a closed state, controls the second valve mechanism to allow the inflow of the first gas into the second piping, and controls the third valve mechanism The pump, connection switching device, first valve mechanism, second valve mechanism, and third valve mechanism are controlled in a third control mode that involves switching the third pipe to an open state and operating the pump with the connection switching device controlled to connect the pump's intake port to the gas-liquid separation tank. This allows the first gas to be drawn into the pump from the second separator via the gas-liquid separation tank and the third pipe, thereby separating and recovering the water contained in the first gas exhausted from the second separator in the gas-liquid separation tank.
したがって、請求項２記載の燃料電池ユニットによれば、燃料供給装置において原料として使用する水の量を十分に確保できるだけでなく、燃料供給装置において生成した第２の気体と共に燃料供給装置から排出される水滴（液相の水）や、結露によって生じた水滴（液相の水）が第２のセパレータ内に大量に存在する状態となって、発電時に供給される第２の気体の通過抵抗が過剰に大きくなるのを好適に回避することができ、これにより、燃料電池本体において好適に発電をすることができる。 Therefore, according to the fuel cell unit described in claim 2, not only can a sufficient amount of water be secured as a raw material in the fuel supply device, but it is also possible to suitably avoid a situation where a large amount of water droplets (liquid phase water) discharged from the fuel supply device along with the second gas generated in the fuel supply device, or water droplets (liquid phase water) generated by condensation, are present in the second separator, causing the passage resistance of the second gas supplied during power generation to become excessively large. This allows for suitable power generation in the fuel cell body.
以下、添付図面を参照して、燃料供給装置および燃料電池ユニットの実施の形態について説明する。 The following describes embodiments of the fuel supply system and fuel cell unit with reference to the attached drawings.
図１に示す燃料電池ユニット１は、「燃料電池ユニット」の一例であって、発電用の気体（「酸化剤を含む第１の気体」の一例である空気（大気：酸素）、および「水素を含む第２の気体」の一例である水素ガス）を反応させることで電力を生じさせることができるように構成されている。具体的には、燃料電池ユニット１は、ポンプ２、気液分離槽３、後処理装置４、配管５ａ～５ｊ，５ｗ、切替弁６ａ～６ｄ，７、開閉弁８、制御部９、燃料電池セル１０および水素発生装置２０を備えている。 The fuel cell unit 1 shown in Figure 1 is an example of a "fuel cell unit" and is configured to generate electricity by reacting gases for power generation (air (atmosphere: oxygen), which is an example of a "first gas containing an oxidizer," and hydrogen gas, which is an example of a "second gas containing hydrogen"). Specifically, the fuel cell unit 1 includes a pump 2, a gas-liquid separation tank 3, a post-treatment device 4, piping 5a-5j, 5w, switching valves 6a-6d, 7, on-off valve 8, a control unit 9, a fuel cell cell 10, and a hydrogen generator 20.
この場合、燃料電池セル１０は、「第１の気体と第２の気体とを反応させて発電可能に構成された燃料電池本体」の一例であって、「第１のセパレータ」の一例であるセパレータ１１、「第２のセパレータ」の一例であるセパレータ１２、および「膜電極接合体（燃料電池用膜電極接合体）」の一例であるＭＥＡ１３からなる発電用スタックや、冷却用の流体（空気や冷却液）を通過させるためのセパレータ（図示せず）、および各積層物の積層方向における両端に配設されたエンドプレート（図示せず）などを備えている。なお、この例では、セパレータ１１，１２、ＭＥＡ１３、冷却用のセパレータ、およびエンドプレートなどの各板体が「平板状の複数の被積層物」に相当し、これらが積層されて一体化されることで燃料電池セル１０が構成されている。 In this case, the fuel cell cell 10 is an example of a "fuel cell body configured to generate electricity by reacting a first gas and a second gas," and includes a power generation stack consisting of a separator 11 (an example of a "first separator"), a separator 12 (an example of a "second separator"), and a MEA 13 (an example of a "membrane electrode assembly for fuel cell"), as well as a separator (not shown) for passing a cooling fluid (air or coolant), and end plates (not shown) disposed at both ends in the stacking direction of each stack. In this example, each plate-like structure, such as separators 11, 12, MEA 13, the cooling separator, and the end plates, corresponds to "multiple flat stacked objects," and the fuel cell cell 10 is constructed by stacking and integrating these components.
また、セパレータ１１には、空気（大気）を通過させるための溝部（図示せず）が形成されると共に、セパレータ１２には、水素ガスを通過させるための溝部（図示せず）が形成され、両セパレータ１１，１２の間にＭＥＡ１３が挟み込まれるようにしてこれらが積層されている。これにより、セパレータ１１の溝部およびＭＥＡ１３の一面によって空気流路１１ｃが構成されてセパレータ１１が陽極（空気極：酸素極）として機能すると共に、セパレータ１２の溝部およびＭＥＡ１３の他の一面によって水素流路１２ｃが構成されてセパレータ１２が陰極（水素極）として機能する。また、ＭＥＡ１３は、電解質膜、触媒層およびガス拡散層などを備えて構成されている。 Furthermore, the separator 11 has grooves (not shown) for allowing air (atmosphere) to pass through, and the separator 12 has grooves (not shown) for allowing hydrogen gas to pass through. These are stacked with the MEA 13 sandwiched between the two separators 11 and 12. As a result, the grooves of separator 11 and one surface of the MEA 13 form an air channel 11c, allowing separator 11 to function as the anode (air electrode: oxygen electrode), while the grooves of separator 12 and the other surface of the MEA 13 form a hydrogen channel 12c, allowing separator 12 to function as the cathode (hydrogen electrode). The MEA 13 is composed of an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer, among other components.
なお、実際の燃料電池セル１０は、燃料電池ユニット１に求められる発電能力に応じて、上記の発電用スタックや冷却用のセパレータを複数備えて構成されるが、燃料電池ユニット１の構成およびその動作に関する理解を容易とするために１つの発電用スタックのみを図示すると共に、冷却用のセパレータやエンドプレートについての図示および説明を省略する。 Note that while an actual fuel cell cell 10 is configured with multiple power generation stacks and cooling separators depending on the power generation capacity required for the fuel cell unit 1, only one power generation stack is shown in the diagram to facilitate understanding of the fuel cell unit 1's configuration and operation. The diagram and explanation of the cooling separators and end plates are omitted.
また、水素発生装置２０は、「燃料供給装置」の一例であって、「原料」としての水を電気分解処理することで水素を生成し、生成した水素（水素ガス）を燃料電池セル１０のセパレータ１２に「第２の気体：燃料」として供給することができるように構成されている。この場合、燃料電池セル１０における発電に際しては、空気流路１１ｃを通過させられる空気（酸素）が水素流路１２ｃを通過させられる水素ガス（水素）と反応して空気流路１１ｃ内に水が発生し、この水が排気と共にセパレータ１１から排出される。また、動作開始直後であることで低温（常温）となっている燃料電池セル１０（セパレータ１２）との熱交換や、空気流路１１ｃを通過させられる空気および冷却用のセパレータを通過させられる冷媒などとの熱交換によって水素ガス中の水分が水素流路１２ｃ内で結露し、この水が排気と共にセパレータ１２から排出されることもある。 Furthermore, the hydrogen generator 20 is an example of a "fuel supply device" and is configured to generate hydrogen by electrolyzing water as a "raw material," and to supply the generated hydrogen (hydrogen gas) to the separator 12 of the fuel cell cell 10 as a "second gas: fuel." In this case, during power generation in the fuel cell cell 10, the air (oxygen) passing through the air passage 11c reacts with the hydrogen gas (hydrogen) passing through the hydrogen passage 12c, generating water in the air passage 11c, which is then discharged from the separator 11 along with the exhaust. Additionally, due to heat exchange with the fuel cell cell 10 (separator 12), which is at a low temperature (room temperature) immediately after operation begins, and heat exchange with the air passing through the air passage 11c and the refrigerant passing through the cooling separator, moisture in the hydrogen gas may condense in the hydrogen passage 12c, and this water may also be discharged from the separator 12 along with the exhaust.
さらに、水素発生装置２０における電気分解によって生成された水素（水素ガス）を燃料として燃料電池セル１０において発電をする本例の燃料電池ユニット１では、水素発生装置２０から水素ガスと共に少量の水（電気分解されなかった水）が排出され、この水が水素ガスと共にセパレータ１２内に流入して排気と共にセパレータ１２から排出されることもある。したがって、本例の燃料電池ユニット１では、後述するように、この水を気液分離槽３において回収し、回収した水を水素発生装置２０に「原料」として供給して水素を生成する構成が採用されている。 Furthermore, in this fuel cell unit 1, which generates electricity in the fuel cell cell 10 using hydrogen (hydrogen gas) produced by electrolysis in the hydrogen generator 20 as fuel, a small amount of water (water that was not electrolyzed) is discharged from the hydrogen generator 20 along with the hydrogen gas. This water may flow into the separator 12 along with the hydrogen gas and be discharged from the separator 12 along with the exhaust. Therefore, in this fuel cell unit 1, as will be described later, this water is recovered in the gas-liquid separation tank 3, and the recovered water is supplied to the hydrogen generator 20 as "raw material" to generate hydrogen.
一方、ポンプ２は、「第１のセパレータに第１の気体を供給するポンプ」の一例であって、制御部９の制御に従い、セパレータ１１の空気流路１１ｃから空気を吸引したり空気流路１１ｃ内に空気を圧送したりする（セパレータ１１に空気を供給する）。なお、後述するように、本例の燃料電池ユニット１では、このポンプ２による空気の圧送によってセパレータ１１（空気流路１１ｃ）から回収した水を水素発生装置２０に圧送する（供給する）構成が採用されている。 On the other hand, pump 2 is an example of a "pump that supplies the first gas to the first separator," and, according to the control of the control unit 9, it sucks air from the air passage 11c of the separator 11 or pumps air into the air passage 11c (supplies air to the separator 11). As will be described later, in this example of the fuel cell unit 1, a configuration is adopted in which water recovered from the separator 11 (air passage 11c) by the pumping of air by this pump 2 is pumped (supplied) to the hydrogen generator 20.
気液分離槽３は、「第１のセパレータから排出される排気に含まれている水を排気から分離させて回収する気液分離槽」の一例であって、後述するように、燃料電池セル１０におけるセパレータ１１からポンプ２に向かって流れる空気、およびポンプ２からセパレータ１１に向かって流れる空気の通過が可能にセパレータ１１とポンプ２との間に配設されている。 The gas-liquid separation tank 3 is an example of a "gas-liquid separation tank that separates and recovers water contained in the exhaust gas discharged from the first separator." As described later, it is positioned between the separator 11 and the pump 2 in the fuel cell cell 10, allowing air to flow from the separator 11 towards the pump 2 and air to flow from the pump 2 towards the separator 11 to pass through.
後処理装置４は、セパレータ１２の水素流路１２ｃにおいて空気流路１１ｃ内の空気（酸素）と反応させられてセパレータ１２から排気される気体（燃料電池セル１０において未反応の水素を含む排気）に含まれる水素を除去（回収）する回収装置や、セパレータ１２から排気された気体の水素濃度が既定値を下回るように空気（大気）を混合する（セパレータ１２からの排気を希釈する）混合装置などで構成されている。なお、排気される気体の水素濃度が十分に低いときなどには、この後処理装置４を不要とすることもできる。 The aftertreatment device 4 consists of a recovery device that removes (recovers) hydrogen contained in the gas exhausted from the separator 12 (exhaust gas containing unreacted hydrogen from the fuel cell 10) after it reacts with the air (oxygen) in the air channel 11c in the hydrogen channel 12c of the separator 12, and a mixing device that mixes air (atmosphere) so that the hydrogen concentration of the gas exhausted from the separator 12 falls below a predetermined value (diluting the exhaust gas from the separator 12). Note that this aftertreatment device 4 may be unnecessary when the hydrogen concentration of the exhausted gas is sufficiently low.
配管５ａは、セパレータ１１の配管接続部１１ａに接続されると共に、その一端部が大気に連通させられている。配管５ｂは、「燃料供給装置から第２のセパレータに第２の気体を供給する第２の配管」の一例であって、水素発生装置２０における水素ガスの排出口に一端部が接続されると共に、セパレータ１２の配管接続部１２ａに他端部が接続されている。配管５ｃは、セパレータ１１の配管接続部１１ｂに一端部が接続されると共に、気液分離槽３に他端部が接続されている。配管５ｄは、セパレータ１２の配管接続部１２ｂに一端部が接続されると共に、後処理装置４に他端部が接続されている。配管５ｅは、気液分離槽３に一端部接続されると共に、切替弁７に他端部が接続されている。配管５ｆは、ポンプ２の吸気口２ｉに一端部が接続されると共に、切替弁７に他端部が接続されている。配管５ｇは、ポンプ２の排気口２ｏに一端部が接続されると共に、切替弁７に他端部が接続されている。配管５ｈは、切替弁７に接続されると共に、その一端部が大気に連通させられている。 Pipe 5a is connected to the pipe connection 11a of the separator 11, and one end of it is in communication with the atmosphere. Pipe 5b is an example of a "second pipe that supplies a second gas from the fuel supply device to the second separator," and one end is connected to the hydrogen gas outlet of the hydrogen generator 20, and the other end is connected to the pipe connection 12a of the separator 12. Pipe 5c is connected to the pipe connection 11b of the separator 11, and the other end is connected to the gas-liquid separation tank 3. Pipe 5d is connected to the pipe connection 12b of the separator 12, and the other end is connected to the aftertreatment device 4. Pipe 5e is connected to the gas-liquid separation tank 3, and the other end is connected to the switching valve 7. Pipe 5f is connected to the intake port 2i of the pump 2, and the other end is connected to the switching valve 7. One end of pipe 5g is connected to the exhaust port 2o of pump 2, and the other end is connected to the switching valve 7. Pipe 5h is connected to the switching valve 7, and one end of it is open to the atmosphere.
配管５ｉは、配管５ａ，５ｂを連通させる配管であって、配管５ａに配設された切替弁６ａに一端部が接続されると共に、配管５ｂに配設された切替弁６ｃに他端部が接続されている。配管５ｊは、配管５ｃ，５ｄを連通させる配管であって、配管５ｃに配設された切替弁６ｂに一端部が接続されると共に、配管５ｄに配設された切替弁６ｄに他端部が接続されている。この場合、本例の燃料電池ユニット１では、配管５ｄにおける配管接続部１２ｂと切替弁６ｄとの間、切替弁６ｄ、配管５ｊ、切替弁６ｂ、および配管５ｃにおける切替弁６ｂと気液分離槽３との間によって「第２のセパレータにおける排気口を気液分離槽に接続する第３の配管」が構成されている。 Pipe 5i connects pipes 5a and 5b, with one end connected to a switching valve 6a installed in pipe 5a and the other end connected to a switching valve 6c installed in pipe 5b. Pipe 5j connects pipes 5c and 5d, with one end connected to a switching valve 6b installed in pipe 5c and the other end connected to a switching valve 6d installed in pipe 5d. In this case, in the fuel cell unit 1 of this example, a "third pipe connecting the exhaust port of the second separator to the gas-liquid separation tank" is formed between the pipe connection part 12b in pipe 5d and the switching valve 6d, between the switching valve 6d, pipe 5j, the switching valve 6b, and between the switching valve 6b in pipe 5c and the gas-liquid separation tank 3.
配管５ｗは、「気液分離槽において分離された水を原料として燃料供給装置に供給する第１の配管」の一例であって、一端部が気液分離槽３の底部に接続されると共に、他端部が水素発生装置２０に接続されている。この場合、セパレータ１１から空気と共に排出されて気液分離槽３において回収された水は、ｐＨ２程度の酸性となっている。また、水素発生装置２０から水素と共に排出されて気液分離槽において回収された水や、水素流路１２ｃ内において結露によって発生した水も、ｐＨ４程度の酸性となっている。したがって、本例の燃料電池ユニット１では、上記の配管５ｗにイオン交換処理装置（一例として、ＳＯ４ ２－（硫酸イオン）を除去可能な陰イオン交換樹脂フィルタ：図示せず）が配設されており、これらの水を水素発生装置２０に供給するのに先立ち、イオン交換処理装置においてイオン交換処理することで、装置内の金属部品や配管などの劣化の回避、および水素発生装置２０における電気分解処理の処理効率を向上させる構成が採用されている。 The piping 5w is an example of a "first piping that supplies water separated in the gas-liquid separation tank to the fuel supply device as raw material," with one end connected to the bottom of the gas-liquid separation tank 3 and the other end connected to the hydrogen generator 20. In this case, the water discharged from the separator 11 along with air and recovered in the gas-liquid separation tank 3 is acidic with a pH of about 2. Also, the water discharged from the hydrogen generator 20 along with hydrogen and recovered in the gas-liquid separation tank, as well as the water generated by condensation in the hydrogen flow path 12c, are acidic with a pH of about 4. Therefore, in the fuel cell unit 1 of this example, an ion exchange treatment device (for example, an anion exchange resin filter capable of removing SO₄²⁻ ( sulfate ions): not shown) is provided in the piping 5w, and an ion exchange treatment is performed in the ion exchange treatment device before supplying this water to the hydrogen generator 20, thereby avoiding deterioration of metal parts and piping in the device and improving the processing efficiency of the electrolysis treatment in the hydrogen generator 20.
切替弁６ａは、配管５ａに配設されており、後述するように、制御部９の制御に従い、配管５ａからセパレータ１１への空気の流入やセパレータ１１から配管５ａへの空気の流入（配管５ａにおける切替弁６ａの配設部位と配管接続部１１ａへの接続側端部との間の空気の通過）、および配管５ａにおける切替弁６ａの配設部位から配管５ｉへの空気の流入を許容／規制する。切替弁６ｂは、配管５ｃに配設されており、後述するように、制御部９の制御に従い、セパレータ１１から配管５ｃへの空気の流入や配管５ｃからセパレータ１１への空気の流入（配管５ｃにおける配管接続部１１ｂへの接続側端部と切替弁６ｂの配設部位との間の空気の通過）、および配管５ｊから配管５ｃにおける切替弁６ｂの配設部位への空気の流入（配管５ｃにおける切替弁６ｂの配設部位と気液分離槽３への接続側端部との間の空気の通過）を許容／規制する。 The switching valve 6a is installed in piping 5a and, as described later, according to the control of the control unit 9, allows/restricts the inflow of air from piping 5a to separator 11 and from separator 11 to piping 5a (passage of air between the installation location of the switching valve 6a in piping 5a and the connection end to the pipe connection 11a), and the inflow of air from the installation location of the switching valve 6a in piping 5a to piping 5i. The switching valve 6b is installed in piping 5c and, as described later, according to the control of the control unit 9, allows/restricts the inflow of air from separator 11 to piping 5c and from piping 5c to separator 11 (passage of air between the connection end to the pipe connection 11b in piping 5c and the installation location of the switching valve 6b), and the inflow of air from piping 5j to the installation location of the switching valve 6b in piping 5c (passage of air between the installation location of the switching valve 6b in piping 5c and the connection end to the gas-liquid separation tank 3).
切替弁６ｃは、配管５ｂに配設されており、後述するように、制御部９の制御に従い、配管５ｂを介してのセパレータ１２への水素ガスの流入、配管５ｂにおける切替弁６ｃの配設部位から配管５ｉへの水素ガスの流入、および配管５ｉから配管５ｂにおける切替弁６ｃの配設部位への空気の流入（配管５ｂにおける切替弁６ｃの配設部位と配管接続部１２ａへの接続側端部との間の空気の通過）を許容／規制する。切替弁６ｄは、配管５ｄに配設されており、後述するように、制御部９の制御に従い、配管５ｄを介しての後処理装置４への水素ガスの流入（配管５ｄにおける切替弁６ｄの配設部位と後処理装置４への接続側端部との間の水素ガスの通過）配管５ｄにおける切替弁６ｄの配設部位から配管５ｊへの水素ガスの流入、および配管５ｄにおける切替弁６ｄの配設部位から配管５ｊへの空気の流入を許容／規制する。 The switching valve 6c is installed in piping 5b and, as described later, according to the control of the control unit 9, allows/restricts the inflow of hydrogen gas into the separator 12 via piping 5b, the inflow of hydrogen gas from the location of the switching valve 6c in piping 5b to piping 5i, and the inflow of air from piping 5i to the location of the switching valve 6c in piping 5b (passage of air between the location of the switching valve 6c in piping 5b and the connection end to the piping connection 12a). The switching valve 6d is installed in piping 5d and, as described later, according to the control of the control unit 9, allows/restricts the inflow of hydrogen gas into the aftertreatment device 4 via piping 5d (passage of hydrogen gas between the location of the switching valve 6d in piping 5d and the connection end to the aftertreatment device 4), the inflow of hydrogen gas from the location of the switching valve 6d in piping 5d to piping 5j, and the inflow of air from the location of the switching valve 6d in piping 5d to piping 5j.
この場合、本例の燃料電池ユニット１では、上記の切替弁６ａ，６ｃが相俟って「第２の弁機構」が構成されている。また、本例の燃料電池ユニット１では、切替弁６ｂ，６ｄが相俟って「第３の弁機構」が構成されている。 In this case, in the fuel cell unit 1 of this example, the switching valves 6a and 6c work together to form a "second valve mechanism." Furthermore, in the fuel cell unit 1 of this example, the switching valves 6b and 6d work together to form a "third valve mechanism."
切替弁７は、「ポンプにおける吸気口および排気口のいずれかを気液分離槽に対して選択的に接続する接続切替え装置」の一例であって、制御部９の制御に従い、図１，３に示すように配管５ｅ，５ｆを連通させると共に配管５ｇ，５ｈを連通させる接続態様と、図２に示すように配管５ｅ，５ｇを連通させると共に配管５ｆ，５ｈを連通させる接続態様のいずれかに切替えることができるように構成されている。開閉弁８は、「第１の弁機構」の一例であって、配管５ｗに配設されると共に、制御部９の制御に従い、気液分離槽３から水素発生装置２０への水の供給を許容／規制する。 The switching valve 7 is an example of a "connection switching device that selectively connects either the intake port or exhaust port of the pump to the gas-liquid separation tank." It is configured to switch between two connection configurations, as shown in Figures 1 and 3, where pipes 5e and 5f are connected and pipes 5g and 5h are connected, and as shown in Figure 2, where pipes 5e and 5g are connected and pipes 5f and 5h are connected. The on-off valve 8 is an example of a "first valve mechanism," installed in pipe 5w, and, according to the control of the control unit 9, allows/regulates the supply of water from the gas-liquid separation tank 3 to the hydrogen generator 20.
制御部９は、燃料電池ユニット１を総括的に制御する。具体的には、制御部９は、「制御部」の一例であって、切替弁７を制御してポンプ２における吸気口２ｉおよび排気口２ｏのいずれかを気液分離槽３に対して選択的に接続させると共に、ポンプ２を制御して燃料電池セル１０に空気を供給させる。また、制御部９は、水素発生装置２０の水素発生装置２０を制御して水素ガスを生成させて燃料電池セル１０（セパレータ１２）に供給させる。また、制御部９は、切替弁６ａ～６ｄや開閉弁８を開状態／閉状態に移行させる。なお、制御部９による各部の動作制御については、後に詳細に説明をする。 The control unit 9 comprehensively controls the fuel cell unit 1. Specifically, the control unit 9 is an example of a "control unit" and controls the switching valve 7 to selectively connect either the intake port 2i or exhaust port 2o of the pump 2 to the gas-liquid separation tank 3, and also controls the pump 2 to supply air to the fuel cell cell 10. Furthermore, the control unit 9 controls the hydrogen generator 20 to generate hydrogen gas and supply it to the fuel cell cell 10 (separator 12). The control unit 9 also switches the switching valves 6a to 6d and the on/off valve 8 between open and closed states. The operation control of each part by the control unit 9 will be explained in detail later.
この燃料電池ユニット１では、前述のように、空気（大気：酸素）と、水素発生装置２０において生成した水素とを燃料電池セル１０において反応させて発電を行う。また、水素発生装置２０では、発電に際して燃料電池セル１０（セパレータ１１）において発生する水や、水素発生装置２０における水素の生成に際して発生する水（水素と共に排出される水）、および結露によって水素流路１２ｃ内に生じる水を「原料」とする電気分解によって水素を生成する。したがって、燃料電池ユニット１の設置直後の初期運転時や、長期に亘る運転休止後の運転開始時など（気液分離槽３内に十分な量の水が存在しないとき）には、発電開始に必要な水素を生成するための水（原料）を水素発生装置２０に注水する。 In this fuel cell unit 1, as described above, electricity is generated by reacting air (atmosphere: oxygen) and hydrogen produced in the hydrogen generator 20 in the fuel cell cell 10. The hydrogen generator 20 produces hydrogen through electrolysis using water generated in the fuel cell cell 10 (separator 11) during power generation, water generated during hydrogen production in the hydrogen generator 20 (water discharged along with hydrogen), and water formed in the hydrogen channel 12c due to condensation as "raw materials." Therefore, during initial operation immediately after installation of the fuel cell unit 1, or when starting operation after a long period of inactivity (when there is not a sufficient amount of water in the gas-liquid separation tank 3), water (raw material) necessary for generating the hydrogen required to start power generation is injected into the hydrogen generator 20.
この状態において、図示しない操作部の操作によって発電開始を指示されたときに（「燃料電池本体において発電を行うとき」の一例）、制御部９は、図１に示すように、開閉弁８を閉状態に移行させる（「第１の弁機構を制御して第１の配管を閉塞する閉状態に移行させ」との制御の一例）。また、制御部９は、切替弁６ａを制御して配管５ａにおける切替弁６ａの配設部位から配管５ｉへの空気の流入を規制させ、かつ切替弁６ｂを制御して配管５ｃにおける切替弁６ｂの配設部位から配管５ｊへの空気の流入を規制させると共に、切替弁６ｃを制御して配管５ｂにおける切替弁６ｃの配設部位から配管５ｉへの水素ガスの流入を規制させ、かつ切替弁６ｄを制御して配管５ｄにおける切替弁６ｄの配設部位から配管５ｊへの水素ガスの流入を規制させる（「第２の弁機構を制御して第２の配管に対する第１の気体の流入を規制させると共に、第３の弁機構を制御して第３の配管を閉塞する閉状態に移行させ」との制御の一例）。なお、同図および後に参照する図２，３では、切替弁６ａ，６ｄおよび開閉弁８において閉状態に移行させられたポートを黒色で図示すると共に、開状態に移行させられたポートを白色で図示している。 In this state, when power generation is instructed to start by operating an operation unit (not shown) (an example of "when power generation is performed in the fuel cell body"), the control unit 9 moves the on-off valve 8 to the closed state, as shown in Figure 1 (an example of control that "controls the first valve mechanism to move to a closed state that blocks the first piping"). Furthermore, the control unit 9 controls the switching valve 6a to restrict the inflow of air from the location of the switching valve 6a in piping 5a to piping 5i, and controls the switching valve 6b to restrict the inflow of air from the location of the switching valve 6b in piping 5c to piping 5j, while also controlling the switching valve 6c to restrict the inflow of hydrogen gas from the location of the switching valve 6c in piping 5b to piping 5i, and controlling the switching valve 6d to restrict the inflow of hydrogen gas from the location of the switching valve 6d in piping 5d to piping 5j (an example of control where "the second valve mechanism is controlled to restrict the inflow of the first gas into the second piping, and the third valve mechanism is controlled to transition the third piping to a closed state"). In this figure and in Figures 2 and 3 referenced later, ports that have been transitioned to the closed state in the switching valves 6a, 6d and the on-off valve 8 are shown in black, and ports that have been transitioned to the open state are shown in white.
また、制御部９は、切替弁７を制御してポンプ２の吸気口２ｉ（配管５ｆ）を気液分離槽３（配管５ｅ）に接続させると共に、排気口２ｏ（配管５ｇ）を配管５ｈに接続させる（「接続切替え装置を制御してポンプにおける吸気口を気液分離槽に対して接続させ」との制御の一例）。次いで、制御部９は、ポンプ２を制御して空気の圧送を開始させる。この際には、配管５ｆ、切替弁７、配管５ｅ、気液分離槽３および配管５ｃを介して燃料電池セル１０（セパレータ１１）における空気流路１１ｃ内の空気がポンプ２の吸気口２ｉから吸引されることにより、配管５ａを介して新たな空気が配管接続部１１ａから空気流路１１ｃ内に吸引（供給）される（「気液分離槽を介して第１のセパレータから第１の気体をポンプに吸引させることで新たな第１の気体を第１のセパレータに流入させる第１の制御態様」の一例）。 Furthermore, the control unit 9 controls the switching valve 7 to connect the intake port 2i (piping 5f) of the pump 2 to the gas-liquid separation tank 3 (piping 5e), and to connect the exhaust port 2o (piping 5g) to piping 5h (an example of control described as "controlling the connection switching device to connect the intake port of the pump to the gas-liquid separation tank"). Next, the control unit 9 controls the pump 2 to start pumping air. At this time, air in the air passage 11c of the fuel cell cell 10 (separator 11) is drawn in through piping 5f, the switching valve 7, piping 5e, the gas-liquid separation tank 3, and piping 5c from the intake port 2i of the pump 2, thereby drawing (supplying) new air into the air passage 11c from the piping connection part 11a via piping 5a (an example of "a first control mode in which new first gas flows into the first separator by drawing the first gas from the first separator to the pump via the gas-liquid separation tank").
続いて、制御部９は、水素発生装置２０を制御して水素の生成を開始させる。これに応じて、水素発生装置２０は、原料としての水を電気分解して水素を生成し、生成した水素（水素ガス）を、配管５ｂを介して配管接続部１２ａからセパレータ１２に流入させる。これにより、燃料電池セル１０においてセパレータ１１の空気流路１１ｃを通過させられている空気（酸素）とセパレータ１２の水素流路１２ｃを通過させられている水素ガス（水素）とがＭＥＡ１３を介して反応させられて電力が発生する。 Next, the control unit 9 controls the hydrogen generator 20 to start hydrogen production. In response, the hydrogen generator 20 electrolyzes water (the raw material) to produce hydrogen, and the produced hydrogen (hydrogen gas) flows into the separator 12 through the pipe connection 12a via the pipe 5b. As a result, in the fuel cell cell 10, the air (oxygen) passing through the air channel 11c of the separator 11 and the hydrogen gas (hydrogen) passing through the hydrogen channel 12c of the separator 12 react via the MEA 13, generating electricity.
この場合、前述したように、燃料電池セル１０において発電が行われているときには、酸素と水素との反応によってセパレータ１１における空気流路１１ｃ内（ＭＥＡ１３におけるカソード電極側）に水が発生する。この際に、空気流路１１ｃ内において発生した水は、空気流路１１ｃを通過させられた空気と共に配管接続部１１ｂから配管５ｃに排出されて気液分離槽３に案内される。これにより、気液分離槽３において水滴（液相の水分）を分離された（水滴を除去された）空気が配管５ｅ、切替弁７および配管５ｆを介して吸気口２ｉからポンプ２に吸引されて排気口２ｏから排気され、配管５ｇ、切替弁７及び配管５ｈを介して大気に放出される。また、空気から分離された水は、気液分離槽３内に貯留される。 In this case, as described above, when power generation is taking place in the fuel cell cell 10, water is generated in the air passage 11c (on the cathode electrode side of the MEA 13) of the separator 11 due to the reaction of oxygen and hydrogen. At this time, the water generated in the air passage 11c is discharged from the pipe connection 11b into pipe 5c along with the air that has passed through the air passage 11c, and guided to the gas-liquid separation tank 3. As a result, the air from which water droplets (moisture in the liquid phase) have been separated (water droplets removed) is drawn from the intake port 2i to the pump 2 via pipe 5e, the switching valve 7, and pipe 5f, exhausted from the exhaust port 2o, and released into the atmosphere via pipe 5g, the switching valve 7, and pipe 5h. The water separated from the air is stored in the gas-liquid separation tank 3.
一方、上記のような状態で発電を継続することで、気液分離槽３内に規定量の水が貯留されたとき、または、水素発生装置２０において原料として使用可能な水の量が規定量を下回ったときに、制御部９は、燃料電池セル１０における発電を継続しつつ、気液分離槽３内の水を水素発生装置２０に対して水素生成用の原料として供給する。なお、上記の「気液分離槽３内に規定量の水が貯留されたとき」との条件については、「水素発生装置２０に対して供給するのに充分な量の水が貯留されたとき（供給を開始しても直ちに供給停止させる必要が生じる程度の少量ではないとき）」との条件、および「貯留可能な量を超えるおそれ（気液分離槽３内の水がポンプ２に吸引されるおそれ）があるとき」との２つの条件のいずれかを既定することができる。 On the other hand, by continuing power generation in the above state, when a specified amount of water is stored in the gas-liquid separator 3, or when the amount of water available as raw material for the hydrogen generator 20 falls below a specified amount, the control unit 9 continues power generation in the fuel cell cell 10 while supplying the water in the gas-liquid separator 3 to the hydrogen generator 20 as raw material for hydrogen production. The condition "when a specified amount of water is stored in the gas-liquid separator 3" can be defined as either "when a sufficient amount of water for supply to the hydrogen generator 20 has been stored (not so small that it would be necessary to immediately stop the supply after starting)" or "when there is a risk of exceeding the amount that can be stored (there is a risk that the water in the gas-liquid separator 3 will be sucked into the pump 2)."
ここで、上記の条件のいずれかが満たされたときに、制御部９は、図２に示すように、切替弁６ａを制御して配管５ａにおける切替弁６ａの配設部位から配管５ｉへの空気の流入を規制させ、かつ切替弁６ｂを制御して配管５ｃにおける切替弁６ｂの配設部位から配管５ｊへの空気の流入を規制させると共に、切替弁６ｃを制御して配管５ｂにおける切替弁６ｃの配設部位から配管５ｉへの水素ガスの流入を規制させ、かつ切替弁６ｄを制御して配管５ｄにおける切替弁６ｄの配設部位から配管５ｊへの水素ガスの流入を規制させた状態を維持すると共に（「第２の弁機構を制御して第２の配管に対する第１の気体の流入を規制させると共に、第３の弁機構を制御して第３の配管を閉塞する閉状態に移行させ」との制御の他の一例）、ポンプ２および水素発生装置２０を継続して動作させた状態において、開閉弁８を開状態に移行させる（「第１の弁機構を制御して第１の配管を開口する開状態に移行させ」との制御の一例）。 Here, when any of the above conditions are met, the control unit 9 controls the switching valve 6a to restrict the inflow of air from the location of the switching valve 6a in piping 5a to piping 5i, controls the switching valve 6b to restrict the inflow of air from the location of the switching valve 6b in piping 5c to piping 5j, controls the switching valve 6c to restrict the inflow of hydrogen gas from the location of the switching valve 6c in piping 5b to piping 5i, and controls the switching valve 6d to restrict the inflow of hydrogen gas from the location of the switching valve 6d in piping 5d to piping 5j, as shown in Figure 2, while maintaining this state (another example of the control described as "controlling the second valve mechanism to restrict the inflow of the first gas into the second piping and controlling the third valve mechanism to transition to a closed state that closes the third piping"), and while the pump 2 and hydrogen generator 20 continue to operate, it transitions the on-off valve 8 to an open state (an example of the control described as "controlling the first valve mechanism to transition to an open state that opens the first piping").
また、同図に示すように、制御部９は、切替弁７を制御してポンプ２の排気口２ｏ（配管５ｇ）を気液分離槽３（配管５ｅ）に接続させると共に、吸気口２ｉ（配管５ｆ）を配管５ｈに接続させる（「接続切替え装置を制御してポンプにおける排気口を気液分離槽に対して接続させ」との制御の一例）。この際には、配管５ｈ、切替弁７および配管５ｆを介して吸気口２ｉからポンプ２に吸引された空気が、配管５ｇ、切替弁７、配管５ｅ、気液分離槽３および配管５ｃを介して配管接続部１１ｂから燃料電池セル１０（セパレータ１１）に流入させられ、空気流路１１ｃを通過させられた後に配管接続部１１ａから排気されて配管５ａを介して大気開放される。これにより、水素発生装置２０から供給されて水素流路１２ｃを通過させられている水素ガス（水素）と、上記の「第１の制御態様」時とは逆向きで空気流路１１ｃを通過させられる空気（酸素）との反応によって発電が継続される。 Furthermore, as shown in the figure, the control unit 9 controls the switching valve 7 to connect the exhaust port 2o (pipe 5g) of the pump 2 to the gas-liquid separation tank 3 (pipe 5e), and to connect the intake port 2i (pipe 5f) to pipe 5h (an example of control described as "controlling the connection switching device to connect the exhaust port of the pump to the gas-liquid separation tank"). In this case, air drawn into the pump 2 from the intake port 2i via pipe 5h, the switching valve 7, and pipe 5f flows into the fuel cell cell 10 (separator 11) from the pipe connection part 11b via pipe 5g, the switching valve 7, pipe 5e, the gas-liquid separation tank 3, and pipe 5c, passes through the air passage 11c, and is then exhausted from the pipe connection part 11a and released into the atmosphere via pipe 5a. As a result, power generation continues through the reaction between the hydrogen gas (hydrogen) supplied from the hydrogen generator 20 and passing through the hydrogen passage 12c, and the air (oxygen) passing through the air passage 11c in the opposite direction to that in the "first control mode" described above.
また、上記のようにポンプ２によって圧送された空気が気液分離槽３を介して燃料電池セル１０（セパレータ１１）に供給されている状態においては、気液分離槽３の内部が加圧された状態となっている。この際に、本例の燃料電池ユニット１では、気液分離槽３の底部近傍（分離された水が集水される部位）に配管５ｗを介して水素発生装置２０が接続されている。したがって、空気から分離されて気液分離槽３内に貯留されている水が、気液分離槽３内に圧送される空気の力によって気液分離槽３から配管５ｗに排出され、液送ポンプなどの動力源を使用することなく水素発生装置２０に圧送される（「気液分離槽において分離された水を気液分離槽から第１の配管を介して燃料供給装置に圧送させる第２の制御態様」の一例）。 Furthermore, when the air pumped by the pump 2 is supplied to the fuel cell cell 10 (separator 11) via the gas-liquid separation tank 3, as described above, the inside of the gas-liquid separation tank 3 is pressurized. In this case, the fuel cell unit 1 of this example is connected to the hydrogen generator 20 via piping 5w near the bottom of the gas-liquid separation tank 3 (the area where the separated water is collected). Therefore, the water separated from the air and stored in the gas-liquid separation tank 3 is discharged from the gas-liquid separation tank 3 into piping 5w by the force of the air pumped into the gas-liquid separation tank 3, and is then pressurized and supplied to the hydrogen generator 20 without the use of a power source such as a liquid transfer pump (an example of a "second control mode for pressurizing the water separated in the gas-liquid separation tank and supplying it to the fuel supply device via the first piping").
これにより、セパレータ１１から空気と共に排出されて気液分離槽３に貯留された水が、水素を生成するための原料として水素発生装置２０に供給される。また、水素発生装置２０に対する水の供給を継続することで、気液分離槽３内に貯留されている水の量が規定量を下回ったときに、制御部９は、前述の「第１の制御態様」で各構成要素を制御する。これにより、セパレータ１１内において発生した水が分離されて気液分離槽３内に貯留される状態となる。 As a result, the water discharged from the separator 11 along with the air and stored in the gas-liquid separation tank 3 is supplied to the hydrogen generator 20 as a raw material for hydrogen production. Furthermore, by continuing the supply of water to the hydrogen generator 20, when the amount of water stored in the gas-liquid separation tank 3 falls below a specified amount, the control unit 9 controls each component in the "first control mode" described above. This results in the water generated in the separator 11 being separated and stored in the gas-liquid separation tank 3.
一方、発電のために水素発生装置２０から燃料電池セル１０（セパレータ１２）に水素ガスが供給されているときには、前述したように、燃料電池セル１０（セパレータ１２）との熱交換、空気流路１１ｃを通過させられている空気および冷却用のセパレータを通過させられる冷媒などとの熱交換によって水素ガス中の水分が水素流路１２ｃ内で結露し、水素流路１２ｃ内に水滴が生じた状態となることがある。また、水素発生装置２０からも水素ガスと共に少量の水（電気分解されなかった水）が排出され、この水が水素ガスと共にセパレータ１２に流入させられることもある。この場合、水素流路１２ｃ内に発生する水や配管５ｂを介して水素流路１２ｃ内に流入させられる水は、発電時に空気流路１１ｃ内において発生する水の量よりも少量であるが、水素流路１２ｃ内に存在する水滴（液相の水分）が水素ガスの通過抵抗となり、空気（酸素）と反応させるべき十分な量の水素を通過させるのが困難となるおそれがある。 On the other hand, when hydrogen gas is supplied from the hydrogen generator 20 to the fuel cell cell 10 (separator 12) for power generation, as described above, heat exchange with the fuel cell cell 10 (separator 12), heat exchange with the air passing through the air channel 11c, and heat exchange with the refrigerant passing through the cooling separator can cause moisture in the hydrogen gas to condense in the hydrogen channel 12c, resulting in the formation of water droplets in the hydrogen channel 12c. Furthermore, a small amount of water (water that was not electrolyzed) is discharged from the hydrogen generator 20 along with the hydrogen gas, and this water may flow into the separator 12 along with the hydrogen gas. In this case, although the amount of water generated in the hydrogen channel 12c and the water flowing into the hydrogen channel 12c via piping 5b is less than the amount of water generated in the air channel 11c during power generation, the water droplets (liquid phase moisture) present in the hydrogen channel 12c can create resistance to the passage of hydrogen gas, potentially making it difficult to pass a sufficient amount of hydrogen to react with the air (oxygen).
したがって、本例の燃料電池ユニット１では、一例として、発電の終了を指示されたときに（「燃料電池本体において発電を行わない状態において予め規定された条件が満たされたとき」の一例）、水素流路１２ｃ内の水をセパレータ１２から排出させて気液分離槽３において回収する構成が採用されている。具体的には、制御部９は、ポンプ２を継続して動作させつつ、水素発生装置２０を停止させる。 Therefore, in the fuel cell unit 1 of this example, as one example, when power generation is instructed to end (an example of "when predetermined conditions are met while the fuel cell itself is not generating power"), a configuration is adopted in which the water in the hydrogen channel 12c is discharged from the separator 12 and recovered in the gas-liquid separation tank 3. Specifically, the control unit 9 stops the hydrogen generator 20 while continuing to operate the pump 2.
次いで、制御部９は、図３に示すように、開閉弁８を閉状態に移行させる（「第１の弁機構を制御して前記閉状態に移行させ」との制御の一例）。また、制御部９は、切替弁６ａを制御して配管５ａからセパレータ１１への空気の流入（配管５ａにおける切替弁６ａの配設部位と配管接続部１１ａへの接続側端部との間の空気の通過）を規制させつつ、配管５ａにおける切替弁６ａの配設部位から配管５ｉへの空気の流入を許容させ、かつ切替弁６ｃを制御して配管５ｉから配管５ｂにおける切替弁６ｃの配設部位への空気の流入（配管５ｂにおける切替弁６ｃの配設部位と配管接続部１２ａへの接続側端部との間の空気の通過）を許容させる。 Next, the control unit 9 moves the on-off valve 8 to the closed state, as shown in Figure 3 (an example of control described as "controlling the first valve mechanism to move it to the closed state"). The control unit 9 also controls the switching valve 6a to restrict the inflow of air from piping 5a to the separator 11 (the passage of air between the location of the switching valve 6a in piping 5a and the connection end to the piping connection 11a), while allowing the inflow of air from the location of the switching valve 6a in piping 5a to piping 5i. Furthermore, it controls the switching valve 6c to allow the inflow of air from piping 5i to the location of the switching valve 6c in piping 5b (the passage of air between the location of the switching valve 6c in piping 5b and the connection end to the piping connection 12a).
また、制御部９は、同図に示すように、切替弁６ｄを制御して配管５ｄから後処理装置４への空気の流入（配管５ｄにおける切替弁６ｄの配設部位と後処理装置４への接続側端部との間の空気の通過）を規制させつつ、配管５ｄにおける切替弁６ｄの配設部位から配管５ｊへの空気の流入を許容させ、かつ切替弁６ｂを制御して配管５ｊから配管５ｃにおける切替弁６ｂの配設部位への空気の流入（配管５ｃにおける切替弁６ｂの配設部位と気液分離槽３への接続側端部との間の空気の通過）を許容させる（「第２の弁機構を制御して第２の配管に対する第１の気体の流入を許容させ、かつ、第３の弁機構を制御して第３の配管を開口する開状態に移行させる」との制御の一例）。 Furthermore, as shown in the figure, the control unit 9 controls the switching valve 6d to restrict the inflow of air from piping 5d to the post-treatment device 4 (the passage of air between the location of the switching valve 6d in piping 5d and the end connected to the post-treatment device 4), while allowing the inflow of air from the location of the switching valve 6d in piping 5d to piping 5j, and controls the switching valve 6b to allow the inflow of air from piping 5j to the location of the switching valve 6b in piping 5c (the passage of air between the location of the switching valve 6b in piping 5c and the end connected to the gas-liquid separation tank 3) (an example of control where "the second valve mechanism is controlled to allow the inflow of the first gas into the second piping, and the third valve mechanism is controlled to open the third piping").
また、制御部９は、切替弁７を制御してポンプ２の吸気口２ｉ（配管５ｆ）を気液分離槽３（配管５ｅ）に接続させると共に、排気口２ｏ（配管５ｇ）を配管５ｈに接続させる（「接続切替え装置を制御してポンプにおける吸気口を気液分離槽に対して接続させ」との制御の一例）。 Furthermore, the control unit 9 controls the switching valve 7 to connect the intake port 2i (pipe 5f) of the pump 2 to the gas-liquid separation tank 3 (pipe 5e), and to connect the exhaust port 2o (pipe 5g) to pipe 5h (this is an example of control that "controls the connection switching device to connect the intake port of the pump to the gas-liquid separation tank").
この際には、配管５ｆ、切替弁７、配管５ｅ、気液分離槽３、配管５ｃ，５ｊ，５ｄを介して水素流路１２ｃ内の気体や水滴（この制御態様での動作に移行した直後においては、未反応の少量の水素を含む気体）が吸引され、この気体が気液分離槽３を通過させられる際に、水滴（液相の水分）を分離され（水滴を除去され）、その後に配管５ｅ、切替弁７および配管５ｆを介して吸気口２ｉからポンプ２に吸引されて、配管５ｇ、切替弁７及び配管５ｈを介して大気に放出される（「気液分離槽および第３の配管を介して第２のセパレータから第１の気体をポンプに吸引させることで、第２のセパレータから排気される第１の気体に含まれている水を気液分離槽において分離させて回収させる第３の制御態様」の一例）。 In this process, gas and water droplets (immediately after switching to this control mode, gas containing a small amount of unreacted hydrogen) in the hydrogen flow path 12c are drawn in via piping 5f, switching valve 7, piping 5e, gas-liquid separation tank 3, and pipings 5c, 5j, and 5d. As this gas passes through the gas-liquid separation tank 3, water droplets (moisture in the liquid phase) are separated (water droplets are removed). The gas is then drawn into the pump 2 from the intake port 2i via piping 5e, switching valve 7, and piping 5f, and released into the atmosphere via piping 5g, switching valve 7, and piping 5h (an example of a "third control mode" in which the first gas is drawn into the pump from the second separator via the gas-liquid separation tank and third piping, thereby separating and recovering the water contained in the first gas exhausted from the second separator in the gas-liquid separation tank).
また、ポンプ２によって水素流路１２ｃ内の空気が吸引されることにより、配管５ｂ，５ｉ，５ａを介して配管接続部１２ａから水素流路１２ｃ内に空気が吸引され、この空気と共に水素流路１２ｃ内の水（液相の水分）がセパレータ１２（配管接続部１２ｂ）から排出されて気液分離槽３において空気から分離される。したがって、この「第３の制御態様」で制御された状態において各部が動作させられることにより、水素流路１２ｃ内に水滴が存在しない状態となり、かつ水素発生装置２０において水素を生成するための原料として使用可能な水が気液分離槽３内に貯留される。これにより、次に発電を行うとき（水素発生装置２０において水素を生成するとき）に、前述の「第２の制御態様」で各部を制御することで、気液分離槽３から水素発生装置２０に原料としての水を供給することができる。 Furthermore, when the air in the hydrogen channel 12c is drawn in by the pump 2, air is drawn into the hydrogen channel 12c from the pipe connection 12a via pipes 5b, 5i, and 5a. Along with this air, the water (liquid phase moisture) in the hydrogen channel 12c is discharged from the separator 12 (pipe connection 12b) and separated from the air in the gas-liquid separation tank 3. Therefore, when each part is operated under the control of this "third control mode," no water droplets are present in the hydrogen channel 12c, and water usable as a raw material for hydrogen generation in the hydrogen generator 20 is stored in the gas-liquid separation tank 3. This allows water to be supplied from the gas-liquid separation tank 3 to the hydrogen generator 20 as a raw material when power generation is performed again (when hydrogen is generated in the hydrogen generator 20), by controlling each part according to the "second control mode" described above.
このように、この燃料電池ユニット１では、制御部９が、燃料電池セル１０において発電を行うときに、開閉弁８を制御して配管５ｗを閉塞する閉状態に移行させ、かつ切替弁７を制御してポンプ２における吸気口２ｉを気液分離槽３に対して接続させた状態においてポンプ２を動作させることにより、気液分離槽３を介してセパレータ１１から第１の気体（本例では、空気）をポンプ２に吸引させることで新たな第１の気体をセパレータ１１に流入させる「第１の制御態様」と、開閉弁８を制御して配管５ｗを開口する開状態に移行させ、かつ切替弁７を制御してポンプ２における排気口２ｏを気液分離槽３に対して接続させた状態においてポンプ２を動作させることにより、気液分離槽３を介してポンプ２からセパレータ１１に第１の気体を圧送させると共に、気液分離槽３において分離された水を気液分離槽３から配管５ｗを介して水素発生装置２０に圧送させる「第２の制御態様」とのいずれかで、ポンプ２、切替弁７および開閉弁８を制御可能に構成されている。 Thus, in this fuel cell unit 1, the control unit 9 is configured to control the pump 2, the switching valve 7, and the switching valve 8 in either of the following ways when generating power in the fuel cell cell 10: a "first control mode" in which, when generating power in the fuel cell cell 10, the control unit 9 controls the on-off valve 8 to close the piping 5w and controls the switching valve 7 to connect the intake port 2i of the pump 2 to the gas-liquid separation tank 3, thereby operating the pump 2 and drawing a first gas (air in this example) from the separator 11 to the separator 11 via the gas-liquid separation tank 3, thereby introducing a new first gas into the separator 11; or a "second control mode" in which, when generating power in the fuel cell cell 10, the control unit 9 controls the on-off valve 8 to close the piping 5w and controls the switching valve 7 to connect the exhaust port 2o of the pump 2 to the gas-liquid separation tank 3, thereby pressurizing the pump 2 to send the first gas from the pump 2 to the separator 11 via the gas-liquid separation tank 3, and pressurizing the water separated in the gas-liquid separation tank 3 to the hydrogen generator 20 via the piping 5w.
したがって、この燃料電池ユニット１によれば、水素を生成する電気分解装置において原料として使用する水（純水）を電気再生式の純水生成装置によって生成する構成とは異なり、「第１の制御態様」で各部を制御することで、発電に際して燃料電池セル１０（セパレータ１１）から排出される水を気液分離槽３において分離させて回収し、この水を水素発生装置２０における水素の生成のための原料として使用することができ、原料の水の生成に電力を必要としない分だけ、水素の生成コストを十分に低減することができる。また、気液分離槽３に回収した水を搬送用容器などで搬送して水素発生装置２０に注水したり、気液分離槽３から水素発生装置２０に水を圧送する液送ポンプなどを配設したりすることなく、「第２の制御態様」で各部を制御することで、発電を継続しつつ気液分離槽３から水素発生装置２０に気液分離槽３内の水を圧送することができるため、水素の生成コストを一層低減することができる。これにより、水素発生装置２０において生成される水素を使用した発電コストを十分に低減することができる。 Therefore, unlike a configuration in which water (pure water) used as raw material in an electrolysis device for hydrogen generation is produced by an electrically regenerated pure water generator, this fuel cell unit 1, by controlling each part in the "first control mode," allows water discharged from the fuel cell cell 10 (separator 11) during power generation to be separated and recovered in the gas-liquid separation tank 3, and this water can be used as raw material for hydrogen generation in the hydrogen generator 20. Since electricity is not required to generate the raw material water, the cost of hydrogen generation can be significantly reduced. Furthermore, by controlling each part in the "second control mode," without transporting the recovered water in the gas-liquid separation tank 3 to the hydrogen generator 20 using transport containers or installing liquid transfer pumps to pump water from the gas-liquid separation tank 3 to the hydrogen generator 20, power generation can be continued while pumping water from the gas-liquid separation tank 3 to the hydrogen generator 20, further reducing the cost of hydrogen generation. This allows for a significant reduction in the power generation cost using the hydrogen produced in the hydrogen generator 20.
また、この燃料電池ユニット１では、制御部９が、「第１の制御態様」および「第２の制御態様」で制御を行うときに、切替弁６ａ，６ｃを制御して配管５ｂに対する第１の気体の流入を規制させると共に、切替弁６ｂ，６ｄを制御して配管５ｄ，５ｊ，５ｃを閉塞する閉状態に移行させ、燃料電池セル１０において発電を行わない状態において予め規定された条件が満たされたとき（例えば、発電の終了を指示されたとき）に、開閉弁８を制御して閉状態に移行させ、切替弁６ａ，６ｃを制御して配管５ｂに対する第１の気体の流入を許容させ、かつ、切替弁６ｂ，６ｄを制御して配管５ｄ，５ｊ，５ｃを開口する開状態に移行させると共に、切替弁７を制御してポンプ２における吸気口２ｉを気液分離槽３に対して接続させた状態においてポンプ２を動作させることにより、気液分離槽３および配管５ｄ，５ｊ，５ｃを介してセパレータ１２から第１の気体をポンプ２に吸引させることで、セパレータ１２から排気される第１の気体に含まれている水を気液分離槽３において分離させて回収させる「第３の制御態様」でポンプ２、切替弁７、開閉弁８および切替弁６ａ～６ｄを制御可能に構成されている。 Furthermore, in this fuel cell unit 1, when the control unit 9 performs control in the "first control mode" and the "second control mode," it controls the switching valves 6a and 6c to restrict the inflow of the first gas into the piping 5b, and controls the switching valves 6b and 6d to transition to a closed state that blocks the piping 5d, 5j, and 5c. When the fuel cell cell 10 is not generating power and a predetermined condition is met (for example, when power generation is instructed to end), it controls the on-off valve 8 to transition to a closed state, and controls the switching valves 6a and 6c to allow the inflow of the first gas into the piping 5b, and The pump 2, switching valve 7, on-off valve 8, and switching valves 6a-6d are controlled in a "third control mode" that allows for the control of the pump 2, switching valve 7, switching valve 8, and switching valves 6a-6d. This is achieved by controlling switching valves 6b and 6d to open the pipes 5d, 5j, and 5c, and by controlling switching valve 7 to connect the intake port 2i of the pump 2 to the gas-liquid separation tank 3, thereby drawing the first gas from the separator 12 to the pump 2 via the gas-liquid separation tank 3 and the pipes 5d, 5j, and 5c, and separating and recovering the water contained in the first gas exhausted from the separator 12 in the gas-liquid separation tank 3.
したがって、この燃料電池ユニット１によれば、水素発生装置２０において原料として使用する水の量を十分に確保できるだけでなく、水素発生装置２０において生成した水素ガスと共に水素発生装置２０から排出される水滴（液相の水）や、結露によって生じた水滴（液相の水）がセパレータ１２（水素流路１２ｃ）内に大量に存在する状態となって、発電時に供給される水素ガスの通過抵抗が過剰に大きくなるのを好適に回避することができ、これにより、燃料電池セル１０において好適に発電をすることができる。 Therefore, with this fuel cell unit 1, not only can a sufficient amount of water be secured as a raw material in the hydrogen generator 20, but it is also possible to effectively avoid a situation where a large amount of water droplets (liquid phase water) discharged from the hydrogen generator 20 along with the hydrogen gas generated in the hydrogen generator 20, or water droplets (liquid phase water) generated by condensation, are present in the separator 12 (hydrogen flow path 12c), which would cause the passage resistance of the hydrogen gas supplied during power generation to become excessively large. This allows for effective power generation in the fuel cell cell 10.
なお、「燃料電池ユニット」の構成は、上記の燃料電池ユニット１の構成の例に限定されない。 Furthermore, the configuration of the "fuel cell unit" is not limited to the example configuration of fuel cell unit 1 described above.
例えば、水素発生装置２０から水素ガスと共に排出された水（気液分離槽において水素ガスから分離させた水）や、水素流路１２ｃ内において結露した水を「原料」として使用可能な構成を例に挙げて説明したが、水素発生装置２０から排出される水や、水素流路１２ｃ内において結露する水の量が極く少量のときには、この水を「原料」として使用しない構成を採用することもできる。 For example, the explanation described a configuration in which water discharged from the hydrogen generator 20 along with hydrogen gas (water separated from hydrogen gas in the gas-liquid separation tank) and water condensed in the hydrogen channel 12c can be used as "raw materials." However, when the amount of water discharged from the hydrogen generator 20 and the amount of water condensed in the hydrogen channel 12c are very small, a configuration can be adopted in which this water is not used as a "raw material."
１ 燃料電池ユニット
２ ポンプ
２ｉ 吸気口
２ｏ 排気口
３ 気液分離槽
４ 後処理装置
５ａ～５ｊ，５ｗ 配管
６ａ～６ｄ 切替弁
７ 切替弁
８ 開閉弁
９ 制御部
１０ 燃料電池セル
１１，１２ セパレータ
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ 配管接続部
１１ｃ 空気流路
１２ｃ 水素流路
１３ ＭＥＡ
２０ 水素発生装置
1 Fuel cell unit 2 Pump 2i Intake port 2o Exhaust port 3 Gas-liquid separation tank 4 Posttreatment device 5a-5j, 5w Piping 6a-6d Switching valve 7 Switching valve 8 On/off valve 9 Control unit 10 Fuel cell cell 11, 12 Separators 11a, 11b, 12a, 12b Piping connection 11c Air passage 12c Hydrogen passage 13 MEA
20. Hydrogen generator
Claims (2)
前記第１のセパレータに前記第１の気体を供給するポンプと、
原料の水を電気分解して前記水素を発生させて前記第２の気体を生成すると共に、生成した当該第２の気体を前記第２のセパレータに供給する燃料供給装置とを備えた燃料電池ユニットであって、
前記第１のセパレータと前記ポンプとの間に配設されて当該第１のセパレータから排出される排気に含まれている水を当該排気から分離させて回収する気液分離槽と、
前記ポンプにおける吸気口および排気口のいずれかを前記気液分離槽に対して選択的に接続する接続切替え装置と、
前記気液分離槽において分離された水を前記原料として前記燃料供給装置に供給する第１の配管と、
前記第１の配管に配設された第１の弁機構と、
前記ポンプ、前記接続切替え装置および前記第１の弁機構を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記燃料電池本体において発電を行うときに、
前記第１の弁機構を制御して前記第１の配管を閉塞する閉状態に移行させ、かつ前記接続切替え装置を制御して前記ポンプにおける前記吸気口を前記気液分離槽に対して接続させた状態において当該ポンプを動作させることにより、前記気液分離槽を介して前記第１のセパレータから前記第１の気体を当該ポンプに吸引させることで新たな当該第１の気体を当該第１のセパレータに流入させる第１の制御態様と、
前記第１の弁機構を制御して前記第１の配管を開口する開状態に移行させ、かつ前記接続切替え装置を制御して前記ポンプにおける前記排気口を前記気液分離槽に対して接続させた状態において当該ポンプを動作させることにより、前記気液分離槽を介して当該ポンプから前記第１のセパレータに前記第１の気体を圧送させると共に、当該気液分離槽において分離された水を当該気液分離槽から当該第１の配管を介して前記燃料供給装置に圧送させる第２の制御態様とのいずれかで、当該ポンプ、当該接続切替え装置および当該第１の弁機構を制御可能に構成されている燃料電池ユニット。 A fuel cell body is configured to generate electricity by reacting the first gas and the second gas via the membrane electrode assembly, comprising a first separator through which a first gas containing an oxidizing agent passes, a second separator through which a second gas containing hydrogen passes, and a plurality of flat plate-shaped laminates, each including at least one of these laminates, stacked and integrated, and the first gas and the second gas being reacted via the membrane electrode assembly.
A pump that supplies the first gas to the first separator,
A fuel cell unit comprising a fuel supply device that generates hydrogen by electrolyzing raw water to produce the second gas, and supplies the generated second gas to the second separator,
A gas-liquid separation tank is disposed between the first separator and the pump to separate and recover water contained in the exhaust gas discharged from the first separator.
A connection switching device that selectively connects either the intake port or exhaust port of the pump to the gas-liquid separation tank,
A first pipe that supplies the water separated in the gas-liquid separation tank to the fuel supply device as the raw material,
A first valve mechanism is provided in the first piping,
The system comprises the pump, the connection switching device, and the control unit for controlling the first valve mechanism,
The control unit, when generating power in the fuel cell body,
A first control mode is to control the first valve mechanism to transition to a closed state that closes the first piping, and to control the connection switching device to connect the intake port of the pump to the gas-liquid separation tank, thereby operating the pump and drawing the first gas from the first separator to the first separator through the gas-liquid separation tank, thereby causing new gas to flow into the first separator.
A fuel cell unit configured to control the pump, the connection switching device, and the first valve mechanism in either of the following control modes: a first valve mechanism is controlled to open the first piping, and the connection switching device is controlled to connect the exhaust port of the pump to the gas-liquid separation tank, thereby operating the pump to pump the first gas from the pump to the first separator via the gas-liquid separation tank, and pumping the water separated in the gas-liquid separation tank from the gas-liquid separation tank to the fuel supply device via the first piping.
前記第２のセパレータにおける排気口を前記気液分離槽に接続する第３の配管と、
前記第２の配管に対する前記第１の気体の流入を規制／許容する第２の弁機構と、
前記第３の配管に配設された第３の弁機構とを備え、
前記制御部は、前記第１の制御態様および前記第２の制御態様で制御を行うときに、前記第２の弁機構を制御して前記第２の配管に対する前記第１の気体の流入を規制させると共に、前記第３の弁機構を制御して前記第３の配管を閉塞する閉状態に移行させ、
前記燃料電池本体において発電を行わない状態において予め規定された条件が満たされたときに、前記第１の弁機構を制御して前記閉状態に移行させ、前記第２の弁機構を制御して前記第２の配管に対する前記第１の気体の流入を許容させ、かつ、前記第３の弁機構を制御して前記第３の配管を開口する開状態に移行させると共に、前記接続切替え装置を制御して前記ポンプにおける前記吸気口を前記気液分離槽に対して接続させた状態において当該ポンプを動作させることにより、前記気液分離槽および第３の配管を介して前記第２のセパレータから前記第１の気体を当該ポンプに吸引させることで、当該第２のセパレータから排気される前記第１の気体に含まれている水を当該気液分離槽において分離させて回収させる第３の制御態様で当該ポンプ、当該接続切替え装置、当該第１の弁機構、当該第２の弁機構および当該第３の弁機構を制御可能に構成されている請求項１記載の燃料電池ユニット。 A second pipe for supplying the second gas from the fuel supply device to the second separator,
A third pipe connects the exhaust port of the second separator to the gas-liquid separation tank,
A second valve mechanism for restricting/allowing the inflow of the first gas into the second piping,
The system comprises a third valve mechanism disposed in the third piping,
When the control unit performs control in the first and second control modes, it controls the second valve mechanism to restrict the inflow of the first gas into the second piping, and controls the third valve mechanism to transition to a closed state that blocks the third piping.
The fuel cell unit according to claim 1, wherein the pump, the connection switching device, the first valve mechanism, the second valve mechanism, and the third valve mechanism are configured to be controllable in a third control mode, wherein when predetermined conditions are met while the fuel cell body is not generating electricity, the first valve mechanism is controlled to transition to the closed state, the second valve mechanism is controlled to allow the inflow of the first gas into the second piping, and the third valve mechanism is controlled to transition to the open state in which the third piping is opened, and the connection switching device is controlled to connect the intake port of the pump to the gas-liquid separation tank, and the pump is operated in such a state that the first gas is drawn into the pump from the second separator via the gas-liquid separation tank and the third piping, thereby separating and recovering the water contained in the first gas exhausted from the second separator in the gas-liquid separation tank.
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