JP2000260458A - Fuel cell system and fuel cell automobile - Google Patents

Fuel cell system and fuel cell automobile

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JP2000260458A
JP2000260458A JP11058127A JP5812799A JP2000260458A JP 2000260458 A JP2000260458 A JP 2000260458A JP 11058127 A JP11058127 A JP 11058127A JP 5812799 A JP5812799 A JP 5812799A JP 2000260458 A JP2000260458 A JP 2000260458A
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JP
Japan
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fuel cell
oxygen
air
adsorption
stack
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Japanese (ja)
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Yoshihiko Ito
嘉彦 伊藤
Kazuji Minagawa
一二 皆川
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Denso Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system for which stack humidifying parts for humidifying a hydrogen-containing fuel gas and the introduced air does not need to be expanded in order to keep water saturated in a solid high-polymer electrolyte film. SOLUTION: This PEFC fuel cell system A is provided with: a fuel cell stack 1 composed by alternately stacking unit cells each formed by tightly arranging a fuel electrode and an oxidizer electrode on respective surfaces of a solid high-polymer electrolyte film, and separators; and stack humidifying parts 2, 3 for humidifying the introduced air and a hydrogen-containing fuel gas in order to keep water saturated in the solid high-polymer electrolyte film; and performs power generation by means of an electrochemical reaction between the electrodes of each of the unit cells. In this case, an oxygen enrichment device 4 employing a pressure swing adsorption method for performing gas separation by repeating an adsorption process and a removal process is added to the system, and the oxygen-enriched air increased in oxygen concentration by the oxygen enrichment device B is fed to an air introduction port 28 of the stack humidifying part 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車への搭載に
好適な燃料電池システムに関する。
[0001] The present invention relates to a fuel cell system suitable for mounting on an automobile.

【0002】[0002]

【従来の技術】水素と、導入した空気に含まれる酸素と
を電気化学反応させて発電を行う燃料電池システム(図
6参照)を搭載した電気自動車が従来より知られてい
る。
2. Description of the Related Art An electric vehicle equipped with a fuel cell system (see FIG. 6) for generating electricity by causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen contained in introduced air has been known.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】燃料電池の発電量は、
酸化剤電極に供給する空気の全圧を上げる等により導入
量を増やせば増加させることができる。しかし、空気の
全圧を上げるには空気を吸引するエアーポンプの作動圧
を高くする必要があるので、騒音の増大を招くととも
に、例えば、ターボとスーパーチャージャーとによる二
段加圧が必要となりエアーポンプの大型化を招く。
The amount of power generated by the fuel cell is
It can be increased by increasing the introduction amount by increasing the total pressure of the air supplied to the oxidant electrode. However, in order to increase the total pressure of the air, it is necessary to increase the operating pressure of the air pump that sucks in air, which causes an increase in noise and, for example, two-stage pressurization with a turbo and a supercharger is required, and This causes an increase in the size of the pump.

【0004】また、酸化剤電極に供給する空気量を増や
すと、燃料電池に多用される固体高分子電解質膜の飽和
含水を維持するために、燃料ガスや空気を加湿するスタ
ック加湿部を大きくする必要がある。
When the amount of air supplied to the oxidizing agent electrode is increased, the size of the stack humidifier for humidifying the fuel gas or air is increased in order to maintain the saturated water content of the solid polymer electrolyte membrane frequently used in fuel cells. There is a need.

【0005】本発明の第1の目的は、エアーポンプを大
型化すること無く発電量を増加させることができる燃料
電池システムの提供にある。本発明の第2の目的は、固
体高分子電解質膜の飽和含水を維持するために、水素を
含む燃料ガスおよび導入した空気を加湿するスタック加
湿部を大きくする必要がない燃料電池システムの提供に
ある。本発明の第3の目的は、自動車への搭載に適した
燃料電池システムの提供にある。
A first object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of increasing the amount of power generation without increasing the size of an air pump. A second object of the present invention is to provide a fuel cell system which does not require a large stack humidifier for humidifying a fuel gas containing hydrogen and introduced air in order to maintain the saturated water content of the solid polymer electrolyte membrane. is there. A third object of the present invention is to provide a fuel cell system suitable for mounting on an automobile.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】(請求項1について)燃
料電池システムは、水素と、導入した空気に含まれる酸
素とを電気化学反応させて発電を行う燃料電池に、吸着
行程と脱着行程とを繰り返してガス分離を行う圧力スイ
ング吸着法を採用した酸素富化装置を付加し、該酸素富
化装置により酸素濃度が増加した酸素富化空気を燃料電
池に供給している。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: a fuel cell which performs an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen contained in introduced air to generate electric power; An oxygen enrichment device employing a pressure swing adsorption method for performing gas separation by repeating the above process is added, and oxygen-enriched air having an increased oxygen concentration by the oxygen enrichment device is supplied to the fuel cell.

【0007】このため、燃料電池の容積を増やしたり、
導入する空気量を増やすことなく、燃料電池の発電量を
大幅に増やすことができる。なお、酸素富化装置は、圧
力スイング吸着法を採用しているので酸素濃度を大幅に
高くすることができるとともに、構成が簡単で低コスト
である。
For this reason, the capacity of the fuel cell is increased,
The power generation amount of the fuel cell can be greatly increased without increasing the amount of air introduced. Since the oxygen enrichment apparatus employs the pressure swing adsorption method, the oxygen concentration can be significantly increased, and the configuration is simple and the cost is low.

【0008】(請求項2について)H+ イオン導電性を
有する固体高分子電解質膜の各面に燃料電極および酸化
剤電極を密着して配した単セルと、燃料電極および酸化
剤電極との間に燃料ガス流路および酸化ガス流路を形成
したガス不透過性で導電性を有するセパレータとを交互
に積層してなる燃料電池スタックと、固体高分子電解質
膜の飽和含水を維持するため、水素を含む燃料ガスおよ
び導入空気を加湿するスタック加湿部とを備え、単セル
の電極間で生じる電気化学反応によって発電を行う燃料
電池システムに、吸着行程と脱着行程とを繰り返してガ
ス分離を行う圧力スイング吸着法を採用した酸素富化装
置を付加し、該酸素富化装置により酸素濃度が増加した
酸素富化空気をスタック加湿部の空気導入口に供給して
いる。
(Claim 2) Between a single cell in which a fuel electrode and an oxidant electrode are disposed in close contact with each surface of a solid polymer electrolyte membrane having H + ion conductivity, and a fuel electrode and an oxidant electrode A fuel cell stack in which gas-impermeable and conductive separators having a fuel gas flow path and an oxidizing gas flow path formed thereon are alternately stacked, and hydrogen is maintained to maintain the saturated water content of the solid polymer electrolyte membrane. And a stack humidifying unit for humidifying the fuel gas and the introduced air, the pressure for performing gas separation by repeating the adsorption process and the desorption process in the fuel cell system that generates power by an electrochemical reaction generated between the electrodes of the single cell. An oxygen enrichment device employing a swing adsorption method is added, and oxygen-enriched air having an increased oxygen concentration by the oxygen enrichment device is supplied to an air inlet of a stack humidifier.

【0009】このため、燃料電池システムは、スタック
加湿部の空気導入口に供給する空気量を増やすことなく
燃料電池スタックの発電量を増加させることができる。
よって、スタック加湿部の空気導入口に供給する空気量
を増やす必要がないので、固体高分子電解質膜の飽和含
水を維持するためのスタック加湿部(導入空気を加湿す
る側)を大きくする必要がない。
Therefore, the fuel cell system can increase the power generation amount of the fuel cell stack without increasing the amount of air supplied to the air inlet of the stack humidifier.
Therefore, it is not necessary to increase the amount of air supplied to the air inlet of the stack humidifying unit, and it is necessary to increase the size of the stack humidifying unit (the side that humidifies the introduced air) for maintaining the saturated water content of the solid polymer electrolyte membrane. Absent.

【0010】(請求項3について)酸素富化装置は、空
気中の窒素を加圧下で選択的に吸着する吸着剤を充填し
た吸着筒に、エアーポンプにより吸引した空気を供給し
て窒素を吸着剤に吸着させる吸着行程と、吸着筒内を減
圧して吸着剤に吸着している窒素を脱着して吸着剤を再
生する脱着行程とを交互に行っている。
In the oxygen enrichment apparatus, air sucked by an air pump is supplied to an adsorption column filled with an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen in air under pressure to adsorb nitrogen. The adsorption step of adsorbing the adsorbent and the desorption step of regenerating the adsorbent by depressurizing the inside of the adsorption cylinder to desorb the nitrogen adsorbed on the adsorbent are performed alternately.

【0011】このため、請求項3の構成を付加した請求
項1、2の燃料電池システムは、燃料電池に供給する空
気の全圧を上げることなく燃料電池や燃料電池スタック
の発電量を増加させることができる。なお、エアーポン
プにターボやスーパーチャージャーを取り付ける必要が
ないので、エアーポンプの大型化を招かず騒音も増大し
ない。
For this reason, the fuel cell system of the first and second aspects to which the configuration of the third aspect is added increases the power generation amount of the fuel cell and the fuel cell stack without increasing the total pressure of the air supplied to the fuel cell. be able to. Since there is no need to attach a turbocharger or a supercharger to the air pump, the size of the air pump is not increased, and the noise does not increase.

【0012】(請求項4について)酸素富化装置は、空
気を吸引するエアーポンプと、空気中の窒素を加圧下で
選択的に吸着する吸着剤を封入した第1、第2の吸着筒
と、吸着行程では、エアーポンプの吐出口と第1の吸着
筒の一方端とを連通し、第2の吸着筒の一方端を大気に
連通し、脱着行程では、第1の吸着筒の一方端を大気に
連通し、エアーポンプの吐出口と第2の吸着筒の一方端
とを連通する四方切換弁と、第1の吸着筒の他方端とス
タック加湿部の空気導入口との間に位置し、吸着行程で
開弁し脱着行程で閉弁する第1の電磁弁と、第2の吸着
筒の他方端とスタック加湿部の空気導入口との間に位置
し、吸着行程で閉弁し脱着行程で開弁する第2の電磁弁
と、第1、第2の吸着筒の他方端間を接続するパージ管
中に配設され、脱着行程において酸素富化空気の一部を
吸着筒に導入するパージオリフィスとを備える。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an oxygen enrichment apparatus comprising: an air pump for sucking air; first and second adsorption cylinders in which an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen in air under pressure is filled. In the adsorption step, the discharge port of the air pump communicates with one end of the first adsorption cylinder, and one end of the second adsorption cylinder communicates with the atmosphere. In the desorption step, one end of the first adsorption cylinder And a four-way switching valve for communicating the discharge port of the air pump with one end of the second adsorption cylinder, and a position between the other end of the first adsorption cylinder and the air introduction port of the stack humidifier. A first solenoid valve that opens during the adsorption stroke and closes during the desorption stroke, and is located between the other end of the second adsorption cylinder and the air inlet of the stack humidifier, and closes during the adsorption stroke. A second solenoid valve that opens during the desorption process and a purge pipe that connects the other end of the first and second adsorption cylinders are disposed in a purge pipe. And a purge orifice for introducing a portion of the oxygen-enriched air to the adsorption column in step.

【0013】このため、請求項4の構成を付加した請求
項1、2の燃料電池システムは、燃料電池やスタック加
湿部の空気導入口に供給する空気の全圧を上げることな
く、簡単な構成のため低コストで、燃料電池や燃料電池
スタックの発電量を増加させることができる。
For this reason, the fuel cell system according to the first and second aspects to which the configuration according to the fourth aspect is added has a simple configuration without increasing the total pressure of the air supplied to the fuel cell or the air inlet of the stack humidifier. Therefore, the power generation amount of the fuel cell or the fuel cell stack can be increased at low cost.

【0014】(請求項5について)酸素富化装置は、酸
素濃度保持手段を有し、燃料電池や燃料電池スタックに
供給する酸素富化空気の酸素濃度を略一定に保ってい
る。このため、燃料電池や燃料電池スタックの発電量の
変動が防止でき、高い発電量を安定して維持することが
できる。なお、酸素濃度保持手段は、具体的には、吸着
筒の数の増大、酸素富化空気を貯留するチャンバの設置
等である。
The oxygen-enriching device has an oxygen-concentration holding means, and keeps the oxygen-enriched air supplied to the fuel cell or the fuel cell stack at a substantially constant oxygen concentration. For this reason, it is possible to prevent fluctuations in the power generation amount of the fuel cell or the fuel cell stack, and to stably maintain a high power generation amount. The oxygen concentration holding means is, for example, an increase in the number of adsorption cylinders, installation of a chamber for storing oxygen-enriched air, and the like.

【0015】(請求項6について)著しいコストの上昇
や容積の増大を伴わずに、燃料電池や燃料電池スタック
の発電量を大幅に増加させることができ、自動車への搭
載に優れる。具体的には、走行用モータを高出力にする
ことができる(加速性の向上)とともに、電装品を余裕
を持って使うことができる。
(Claim 6) The power generation amount of the fuel cell or the fuel cell stack can be greatly increased without significantly increasing the cost and the volume, and is excellent in mounting on an automobile. Specifically, the traveling motor can have a high output (improved acceleration), and the electrical components can be used with a margin.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明の一実施例(請求項1、
2、3、4、6に対応)を図1〜図5に基づいて説明す
る。図1に示すPEFC型燃料電池システムAは、燃料
電池スタック1と、スタック加湿部2、3と、酸素富化
装置4とを備え、自動車5に組み付けられている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention (Claim 1,
2, 3, 4, and 6) will be described with reference to FIGS. The PEFC type fuel cell system A shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 1, stack humidifiers 2, 3 and an oxygen enrichment device 4, and is assembled to an automobile 5.

【0017】燃料電池スタック1は、図4に示す様に、
固体高分子電解質膜11の各面に燃料電極12および酸
化剤電極13を密着して配した単セル10(図3参照)
と、セパレータ14、15とをガスケット16、17を
介して交互に積層したものである。
As shown in FIG. 4, the fuel cell stack 1
A single cell 10 in which a fuel electrode 12 and an oxidant electrode 13 are arranged in close contact with each surface of a solid polymer electrolyte membrane 11 (see FIG. 3).
And separators 14 and 15 are alternately laminated via gaskets 16 and 17.

【0018】セパレータ14、15には、耐蝕性、耐水
素脆性、ガス不透過性、および導電性を満たすために、
グラファイト板を使用している。そして、燃料電極12
および酸化剤電極13に面する側には、燃料ガス流路お
よび酸化ガス流路(凹溝)を形成している。
In order to satisfy corrosion resistance, hydrogen embrittlement resistance, gas impermeability, and conductivity,
Uses graphite plate. And the fuel electrode 12
A fuel gas passage and an oxidizing gas passage (concave groove) are formed on the side facing the oxidant electrode 13.

【0019】固体高分子電解質膜11(厚さ0.1m
m)は、分子中にプロトン交換基を有するシート状の高
分子膜である。この固体高分子電解質膜11は、飽和含
水により常温で20Ω・cm以下の低い電気抵抗値を示
し、プロトン導電性電解質として機能する。
The solid polymer electrolyte membrane 11 (0.1 m thick)
m) is a sheet-like polymer membrane having a proton exchange group in the molecule. The solid polymer electrolyte membrane 11 has a low electric resistance of 20 Ω · cm or less at room temperature due to saturated water content, and functions as a proton conductive electrolyte.

【0020】燃料電極12(アノード)は、固体高分子
電解質膜11の一端面に密着して貼着されたシート状の
電極である。酸化剤電極13(カソード)は、固体高分
子電解質膜11の他端面に密着して貼着されたシート状
の電極である。燃料電極12および酸化剤電極13は、
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受け、以下の化学反応に
よって直流電力が発生する。
The fuel electrode 12 (anode) is a sheet-like electrode closely adhered to one end surface of the solid polymer electrolyte membrane 11. The oxidant electrode 13 (cathode) is a sheet-like electrode adhered to the other end surface of the solid polymer electrolyte membrane 11. The fuel electrode 12 and the oxidant electrode 13
Upon receiving the supply of the fuel gas and the oxidizing gas, DC power is generated by the following chemical reaction.

【0021】燃料電極12に供給された水素は、触媒反
応によって水素イオンと電子に解離する。水素イオンは
固体高分子電解質膜11中を移動し、酸化剤電極13の
酸素と反応して水が生成される。電子は、外部回路を通
って酸化剤電極13に流れ、水素イオンと酸素の反応に
寄与する。この外部回路の電子の流れが電力として取り
出される。
The hydrogen supplied to the fuel electrode 12 is dissociated into hydrogen ions and electrons by a catalytic reaction. Hydrogen ions move in the solid polymer electrolyte membrane 11 and react with oxygen on the oxidant electrode 13 to generate water. The electrons flow through the external circuit to the oxidant electrode 13 and contribute to the reaction between hydrogen ions and oxygen. The flow of electrons in the external circuit is extracted as electric power.

【0022】固体高分子電解質膜11がH+ イオン導電
性を示す様にするため、膜を飽和含水状態にする必要が
あるので、PEFC型燃料電池システムAでは燃料電池
スタック1の前段にスタック加湿部2、3を配置し、水
素および酸素富化空気を加湿している。
In order to make the solid polymer electrolyte membrane 11 show H + ion conductivity, it is necessary to make the membrane saturated with water. Therefore, in the PEFC type fuel cell system A, a stack humidifier is provided in front of the fuel cell stack 1. Parts 2 and 3 are arranged to humidify the hydrogen and oxygen enriched air.

【0023】本実施例のPEFC型燃料電池システムA
では、燃料電池スタック1を通過した排気中に含まれる
水を凝縮水トラップ21により凝縮して回収している。
そして、回収した水は水循環ポンプ22を経てスタック
加湿部2に供給され、再利用される。一方、燃料電池ス
タック1を通過した排気中に含まれる水素は、水素循環
ポンプ31により、スタック加湿部3を経て燃料電池ス
タック1に送られる。なお、燃料電池スタック1での消
費分が水素吸蔵タンク9から圧力調整弁91を介して供
給される。なお、23は冷却水ポンプ、24、25は切
替弁、26はラジエータである。
The PEFC fuel cell system A of the present embodiment
In the first embodiment, water contained in exhaust gas passing through the fuel cell stack 1 is condensed and collected by the condensed water trap 21.
Then, the collected water is supplied to the stack humidifying section 2 via the water circulation pump 22, and is reused. On the other hand, hydrogen contained in the exhaust gas that has passed through the fuel cell stack 1 is sent to the fuel cell stack 1 via the stack humidifier 3 by the hydrogen circulation pump 31. Note that the amount consumed in the fuel cell stack 1 is supplied from the hydrogen storage tank 9 via the pressure regulating valve 91. In addition, 23 is a cooling water pump, 24 and 25 are switching valves, and 26 is a radiator.

【0024】酸素富化装置4は、エアーポンプ41と、
吸着筒42、43と、四方切換弁44と、電磁弁45、
46と、パージ管47中に配設されるパージオリフィス
48とを備え、窒素を選択的に吸着することで酸素濃度
を増大させる。
The oxygen enrichment device 4 includes an air pump 41,
Adsorption cylinders 42 and 43, a four-way switching valve 44, a solenoid valve 45,
46 and a purge orifice 48 disposed in a purge pipe 47 for selectively adsorbing nitrogen to increase the oxygen concentration.

【0025】エアーポンプ41は、大気から空気を吸引
して0.5kgf/cm2 程度に昇圧する。吸着筒4
2、43は、円筒状を呈し、空気中の窒素を加圧下で選
択的に吸着すゼオライトを封入している。
The air pump 41 sucks air from the atmosphere to increase the pressure to about 0.5 kgf / cm 2 . Suction cylinder 4
Reference numerals 2 and 43 each have a cylindrical shape and enclose a zeolite that selectively adsorbs nitrogen in air under pressure.

【0026】四方切換弁44は、図1および図2の
(a)に示す吸着行程では、エアーポンプ41の吐出口
411と吸着筒42の一方端421とを連通し、吸着筒
43の一方端431を大気に連通する。また、図2の
(b)に示す脱着行程では、吸着筒42の一方端421
を大気に連通し、エアーポンプ41の吐出口411と吸
着筒43の一方端431とを連通する。
The four-way switching valve 44 connects the discharge port 411 of the air pump 41 and one end 421 of the suction tube 42 during the suction stroke shown in FIGS. 431 is communicated to the atmosphere. In addition, in the desorption process shown in FIG.
Is communicated to the atmosphere, and the discharge port 411 of the air pump 41 and one end 431 of the adsorption cylinder 43 are communicated.

【0027】電磁弁45は、吸着筒42の他方端422
と、スタック加湿部2の空気導入口28を接続する配管
27中に位置し、図1および図2の(a)に示す吸着行
程(数分間)で開弁し、図2の(b)に示す脱着行程
(数分間)で閉弁する。
The solenoid valve 45 is connected to the other end 422 of the suction cylinder 42.
And the valve is opened in the suction stroke (several minutes) shown in FIG. 1 and FIG. 2 (a) and located in the pipe 27 connecting the air introduction port 28 of the stack humidifier 2. The valve is closed in the indicated desorption stroke (several minutes).

【0028】電磁弁46は、吸着筒43の他方端432
とスタック加湿部2の空気導入口28とを接続する配管
27中に位置し、図1および図2の(a)に示す吸着行
程で閉弁し、図2の(b)に示す脱着行程で開弁する。
The solenoid valve 46 is connected to the other end 432 of the suction tube 43.
2 and the air inlet 28 of the stack humidifier 2, and is closed in the adsorption process shown in FIGS. 1 and 2A, and in the desorption process shown in FIG. 2B. Open the valve.

【0029】パージオリフィス48は、吸着筒42、4
3の他方端422、432間を接続するパージ47管中
に配設され、図2の(b)に示す脱着行程において酸素
富化空気の一部を吸着筒42に導入する。
The purge orifice 48 is provided with the adsorption cylinders 42, 4
3 is disposed in a purge 47 pipe connecting between the other ends 422 and 432, and a part of the oxygen-enriched air is introduced into the adsorption column 42 in the desorption process shown in FIG.

【0030】なお、エアーポンプ41、四方切換弁4
4、電磁弁45、46は、図示しない制御装置により通
電制御される。
The air pump 41 and the four-way switching valve 4
4. The energization of the solenoid valves 45 and 46 is controlled by a control device (not shown).

【0031】PEFC型燃料電池システムAにより得ら
れた電力は、モータコントローラ51を介してタイヤを
駆動する走行用モータ52に通電されるとともに、後部
荷物スペースに配設したウルトラキャパシタ53を充電
する。なお、PEFC型燃料電池システムAの他の部分
は、後席下のスペース54に配設されている(図5参
照)。
The electric power obtained by the PEFC type fuel cell system A is supplied to a running motor 52 for driving the tires via a motor controller 51 and charges an ultracapacitor 53 disposed in the rear luggage space. The other part of the PEFC fuel cell system A is provided in the space 54 below the rear seat (see FIG. 5).

【0032】つぎに、本実施例のPEFC型燃料電池シ
ステムAの利点を述べる。 [あ]PEFC型燃料電池システムAは、圧力スイング
吸着法を採用した酸素富化装置4により酸素濃度が増加
した酸素富化空気を、燃料電池スタック1の固体高分子
電解質膜11の飽和含水を維持するために設置されるス
タック加湿部2の空気導入口28に供給している。
Next, advantages of the PEFC type fuel cell system A of this embodiment will be described. [A] The PEFC fuel cell system A uses the oxygen-enriched air whose oxygen concentration has been increased by the oxygen enrichment device 4 employing the pressure swing adsorption method, and the saturated water content of the solid polymer electrolyte membrane 11 of the fuel cell stack 1. It is supplied to the air inlet 28 of the stack humidifying section 2 installed for maintenance.

【0033】これにより、スタック加湿部2に供給する
空気量を増やすことなく燃料電池スタック1の発電量を
大幅に増加させることができる。具体的には、本実施例
のシステムで、酸素濃度が20.9%の空気を25%ま
で増加させることで、通常出力が50kWの燃料電池ス
タック1の出力を60kWに向上させることができる。
なお、スタック加湿部2に供給する空気量を増やしてい
ないので、スタック加湿部2を大きくする必要がない。
As a result, the amount of power generated by the fuel cell stack 1 can be significantly increased without increasing the amount of air supplied to the stack humidifier 2. Specifically, in the system of the present embodiment, the output of the fuel cell stack 1 having a normal output of 50 kW can be increased to 60 kW by increasing the air having an oxygen concentration of 20.9% to 25%.
Since the amount of air supplied to the stack humidifier 2 is not increased, it is not necessary to increase the size of the stack humidifier 2.

【0034】[い]PEFC型燃料電池システムAは、
燃料電池スタック1に供給する空気の全圧を上げること
なく燃料電池スタック1の発電量を増加させている。こ
のため、エアーポンプ41にターボやスーパーチャージ
ャーを取り付ける必要がないので、エアーポンプ41の
大型化を招かず騒音も増大しない。なお、空気の全圧を
上げて燃料電池スタック1の発電量を同程度増加させる
には、ターボとスーパーチャージャーを取り付けて約
2.0kgf/cm2 にする必要があり、消費電力、占
有容積、騒音の大幅な増大を招く。
[I] The PEFC fuel cell system A
The power generation amount of the fuel cell stack 1 is increased without increasing the total pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1. For this reason, since it is not necessary to attach a turbo or a supercharger to the air pump 41, the size of the air pump 41 is not increased and the noise does not increase. In order to increase the power generation amount of the fuel cell stack 1 by the same degree by increasing the total pressure of the air, it is necessary to attach a turbo and a supercharger to about 2.0 kgf / cm 2 . This causes a significant increase in noise.

【0035】[う]圧力スイング吸着法を採用した酸素
富化装置4で酸素富化を行っているので以下の利点があ
る。 ・酸素富化装置4は、安価であり、維持管理が簡単であ
る。 ・ゼオライト(吸着剤)は半永久に使用できる。 ・酸素富化装置4は、安全で、高い信頼性がある。 ・酸素富化装置4は、高圧ガス取締法等の法規の制約を
受けない。
[U] Since oxygen is enriched by the oxygen enrichment apparatus 4 employing the pressure swing adsorption method, the following advantages are provided. The oxygen enrichment device 4 is inexpensive and easy to maintain.・ Zeolite (adsorbent) can be used semi-permanently. -The oxygen enrichment device 4 is safe and highly reliable. -The oxygen enrichment device 4 is not restricted by laws and regulations such as the High Pressure Gas Control Law.

【0036】[え]酸素富化を行わないで燃料電池スタ
ック1の発電量を増加させるには、燃料電池スタック1
自体を大きくしたり、スタック加湿部2を大きくした
り、エアーポンプ41を大型化する必要があり、大幅な
コストアップ、占有面積の増大、および騒音の増大が避
けられない。しかし、PEFC型燃料電池システムA
は、少しの占有容積の増大(吸着筒42、43、四方切
換弁44、電磁弁45、46、パージ管47、およびパ
ージオリフィス48の存在)と、僅かな消費電力の増大
(四方切換弁44や電磁弁45、46の制御用)だけで
大幅に燃料電池スタック1の発電量を増加させることが
できる。
[E] To increase the power generation amount of the fuel cell stack 1 without enriching the oxygen, the fuel cell stack 1
It is necessary to increase the size of the fuel cell itself, increase the size of the stack humidifying section 2, and increase the size of the air pump 41, and it is inevitable that the cost, the occupied area, and the noise increase. However, the PEFC fuel cell system A
Indicates a slight increase in the occupied volume (the presence of the adsorption cylinders 42, 43, the four-way switching valve 44, the solenoid valves 45, 46, the purge pipe 47, and the purge orifice 48) and a slight increase in power consumption (the four-way switching valve 44). And for controlling the electromagnetic valves 45 and 46) alone, it is possible to greatly increase the power generation amount of the fuel cell stack 1.

【0037】本発明は、上記実施例以外に、つぎの実施
態様を含む。 a.スタック加湿部2に供給する酸素富化空気の酸素濃
度を略一定に保つための酸素濃度保持手段は、以下のも
のがある(請求項5に相当)。 ・吸着筒の数を例えば三個に増やす。 ・スタック加湿部2の前段に、酸素富化空気を貯留する
チャンバを設置する。 ・吸着筒の切り替え時や切り替え直後に、エアーポンプ
41の回転数を上げる。
The present invention includes the following embodiments in addition to the above embodiment. a. The oxygen concentration holding means for keeping the oxygen concentration of the oxygen-enriched air supplied to the stack humidifying section 2 substantially constant includes the following (corresponding to claim 5). -Increase the number of suction cylinders to, for example, three. -A chamber for storing oxygen-enriched air is provided at a stage preceding the stack humidifying section 2. Increase the rotation speed of the air pump 41 at or immediately after the switching of the suction cylinder.

【0038】酸素濃度保持手段を付加すれば、吸着筒の
切り替え時や切り替え直後において、燃料電池スタック
1の発電量の変動が防止でき、高い発電量を安定して維
持することができ、安定した走行ができる。
If the oxygen concentration holding means is added, the power generation amount of the fuel cell stack 1 can be prevented from fluctuating at the time of switching the adsorption cylinder or immediately after the switching, and a high power generation amount can be maintained stably. I can run.

【0039】b.水素は、メタノールを改質して生成し
ても良い。
B. Hydrogen may be generated by reforming methanol.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例に係るPEFC型燃料電池シ
ステムの構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a PEFC fuel cell system according to one embodiment of the present invention.

【図2】そのPEFC型燃料電池システムに使用する酸
素富化装置の、吸着行程(a)、脱着行程(b)におけ
る作動説明図である。
FIG. 2 is an operation explanatory diagram of an oxygen enrichment device used in the PEFC type fuel cell system in an adsorption step (a) and a desorption step (b).

【図3】そのPEFC型燃料電池システムに使用する燃
料電池スタックの単セルの説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a single cell of a fuel cell stack used in the PEFC type fuel cell system.

【図4】そのPEFC型燃料電池システムに使用する燃
料電池スタックの組み付け説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view for assembling a fuel cell stack used in the PEFC type fuel cell system.

【図5】そのPEFC型燃料電池システムを使用した燃
料電池自動車の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a fuel cell vehicle using the PEFC type fuel cell system.

【図6】従来技術に係る燃料電池システムの構成図であ
る。
FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

A PEFC型燃料電池システム(燃料電池システム) 1 燃料電池スタック 2、3 スタック加湿部 4 酸素富化装置 10 単セル 11 固体高分子電解質膜 12 燃料電極 13 酸化剤電極 14、15 セパレータ 28 空気導入口 41 エアーポンプ 42 吸着筒(第1の吸着筒) 43 吸着筒(第2の吸着筒) 44 四方切換弁 45 電磁弁(第1の電磁弁) 46 電磁弁(第2の電磁弁) 47 パージ管 48 パージオリフィス 411 吐出口 A PEFC type fuel cell system (fuel cell system) 1 fuel cell stack 2, 3 stack humidifier 4 oxygen enrichment device 10 single cell 11 solid polymer electrolyte membrane 12 fuel electrode 13 oxidant electrode 14, 15 separator 28 air inlet 41 air pump 42 adsorption cylinder (first adsorption cylinder) 43 adsorption cylinder (second adsorption cylinder) 44 four-way switching valve 45 solenoid valve (first solenoid valve) 46 solenoid valve (second solenoid valve) 47 purge pipe 48 Purge orifice 411 Discharge port

フロントページの続き Fターム(参考) 4D012 CA05 CB16 CD07 CE01 CF05 CG01 CH10 CJ03 CJ05 CJ07 CK02 CK03 5H026 AA06 CC03 CC08 5H027 AA06 BA14 BA19 BC06 CC06 MM01 MM04 Continued on front page F-term (reference) 4D012 CA05 CB16 CD07 CE01 CF05 CG01 CH10 CJ03 CJ05 CJ07 CK02 CK03 5H026 AA06 CC03 CC08 5H027 AA06 BA14 BA19 BC06 CC06 MM01 MM04

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素と、導入した空気に含まれる酸素と
を電気化学反応させて発電を行う燃料電池に、 吸着行程と脱着行程とを繰り返してガス分離を行う圧力
スイング吸着法を採用した酸素富化装置を付加し、 該酸素富化装置により酸素濃度が増加した酸素富化空気
を前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池シ
ステム。
1. A fuel cell, which generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen contained in introduced air, using a pressure swing adsorption method in which gas is separated by repeating an adsorption step and a desorption step. A fuel cell system, further comprising adding an enrichment device, and supplying oxygen-enriched air having an oxygen concentration increased by the oxygen enrichment device to the fuel cell.
【請求項2】 H+ イオン導電性を有する固体高分子電
解質膜の各面に燃料電極および酸化剤電極を密着して配
した単セルと、前記燃料電極および前記酸化剤電極との
間に燃料ガス流路および酸化ガス流路を形成したガス不
透過性で導電性を有するセパレータとを交互に積層して
なる燃料電池スタックと、 前記固体高分子電解質膜の飽和含水を維持するため、水
素を含む燃料ガスおよび導入空気を加湿するスタック加
湿部とを備え、 前記単セルの電極間で生じる電気化学反応によって発電
を行う燃料電池システムにおいて、 吸着行程と脱着行程とを繰り返してガス分離を行う圧力
スイング吸着法を採用した酸素富化装置を付加し、 該酸素富化装置により酸素濃度が増加した酸素富化空気
を前記スタック加湿部の空気導入口に供給することを特
徴とする燃料電池システム。
2. A fuel cell between the fuel electrode and the oxidant electrode, and a single cell in which a fuel electrode and an oxidant electrode are disposed in close contact with each surface of a solid polymer electrolyte membrane having H + ion conductivity. A fuel cell stack formed by alternately stacking gas-impermeable and conductive separators having formed gas channels and oxidizing gas channels, and hydrogen to maintain saturated water content of the solid polymer electrolyte membrane. A fuel cell system comprising a stack humidifier for humidifying the fuel gas and the introduced air, wherein the fuel cell system generates power by an electrochemical reaction generated between the electrodes of the single cell, wherein a pressure at which gas is separated by repeating an adsorption step and a desorption step. An oxygen enrichment device employing a swing adsorption method is added, and oxygen-enriched air having an increased oxygen concentration by the oxygen enrichment device is supplied to an air inlet of the stack humidifier. Fuel cell system.
【請求項3】 前記酸素富化装置は、空気中の窒素を加
圧下で選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒に、 エアーポンプにより吸引した空気を供給して前記窒素を
前記吸着剤に吸着させる吸着行程と、 吸着筒内を減圧して前記吸着剤に吸着している窒素を脱
着して前記吸着剤を再生する脱着行程とを交互に行うこ
とを特徴とする請求項1又は請求項2記載の燃料電池シ
ステム。
3. The oxygen enrichment device supplies air sucked by an air pump to an adsorption column filled with an adsorbent that selectively adsorbs nitrogen in air under pressure to reduce the nitrogen into the adsorbent. And a desorption step of depressurizing the inside of the adsorption cylinder to desorb nitrogen adsorbed on the adsorbent and regenerating the adsorbent is performed alternately. Item 3. The fuel cell system according to Item 2.
【請求項4】 前記酸素富化装置は、 空気を吸引するエアーポンプと、 空気中の窒素を加圧下で選択的に吸着する吸着剤を封入
した第1、第2の吸着筒と、 吸着行程では、前記エアーポンプの吐出口と前記第1の
吸着筒の一方端とを連通し、前記第2の吸着筒の一方端
を大気に連通し、脱着行程では、前記第1の吸着筒の一
方端を大気に連通し、前記エアーポンプの吐出口と前記
第2の吸着筒の一方端とを連通する四方切換弁と、 前記第1の吸着筒の他方端と前記スタック加湿部の空気
導入口との間に位置し、吸着行程で開弁し脱着行程で閉
弁する第1の電磁弁と、 前記第2の吸着筒の他方端と前記スタック加湿部の空気
導入口との間に位置し、吸着行程で閉弁し脱着行程で開
弁する第2の電磁弁と、 前記第1、第2の吸着筒の他方端間を接続するパージ管
中に配設され、脱着行程において酸素富化空気の一部を
前記吸着筒に導入するパージオリフィスとを備える請求
項1又は請求項2記載の燃料電池システム。
4. An oxygen enrichment device, comprising: an air pump for sucking air; first and second adsorption cylinders enclosing an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen in air under pressure; Then, the discharge port of the air pump communicates with one end of the first adsorption cylinder, and one end of the second adsorption cylinder communicates with the atmosphere. During the desorption process, one end of the first adsorption cylinder A four-way switching valve having an end communicating with the atmosphere and a communication port between the discharge port of the air pump and one end of the second adsorption cylinder; and an air introduction port of the other end of the first adsorption cylinder and the stack humidifier. A first solenoid valve that opens during the adsorption stroke and closes during the desorption stroke, and is located between the other end of the second adsorption cylinder and the air inlet of the stack humidifier. A second solenoid valve that closes in the adsorption stroke and opens in the desorption stroke, and the other end of the first and second adsorption cylinders 3. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a purge orifice disposed in a purge pipe connected thereto and introducing a part of oxygen-enriched air into the adsorption column during a desorption process.
【請求項5】 前記酸素富化装置は、前記燃料電池や前
記燃料電池スタックに供給する前記酸素富化空気の酸素
濃度を略一定に保つための酸素濃度保持手段を有するこ
とを特徴とする請求項1乃至請求項4記載の燃料電池シ
ステム。
5. The oxygen-enriching device according to claim 1, further comprising an oxygen-concentration holding unit for maintaining an oxygen concentration of the oxygen-enriched air supplied to the fuel cell or the fuel cell stack substantially constant. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
【請求項6】 請求項1乃至請求項5の燃料電池システ
ムを搭載した燃料電池自動車。
6. A fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system according to claim 1.
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