JP2000048842A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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JP2000048842A
JP2000048842A JP10212131A JP21213198A JP2000048842A JP 2000048842 A JP2000048842 A JP 2000048842A JP 10212131 A JP10212131 A JP 10212131A JP 21213198 A JP21213198 A JP 21213198A JP 2000048842 A JP2000048842 A JP 2000048842A
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water
fuel cell
cell stack
fuel
hydrogen
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Application number
JP10212131A
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Japanese (ja)
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Masataka Ueno
正隆 上野
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Equos Research Co Ltd
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Equos Research Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To disperse with supply of energy exclusive to a water supply means, and to improve energy efficiency of the whole system by supplying water to a fuel cell stack by driving a water pressurizing means by using pressure of fuel gas. SOLUTION: This hydrogen gas inlet part 110 and the water introducing part 120 are partitioned by a partition wall 130, a bearing 131 is provided in this partition wall 130, a shaft 133 is rotatably fitted there, a first blade 135 is installed on the hydrogen gas inlet part 110 side, and a second blade 136 is installed on the water inlet part 120 side. In this structure, the second blade 136 is rotated through the first blade 135 and the shaft 133 by flowing hydrogen of a hydrogen supply passage 20. Water of the water supply part 61 is pressurized by this rotation to be blown out through a nozzle 55. When intermittently flowing hydrogen gas, a pump device 100 is also driven intermittently. At hydrogen gas flow stopping time, a fuel cell stack 2 becomes an abnormally high temperature, and when requiring to supply water, the water is supplied by the driving of an auxiliary pump.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は燃料電池システムに関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system.

【0002】[0002]

【従来の技術】PEM型の燃料電池本体は、燃料極と空
気極との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成であ
る。燃料極及び空気極はともに触媒物質を含む触媒層
と、前記触媒層を支持すると共に反応ガスを供給しさら
に集電体としての機能を有する電極器材からなる。燃料
極と空気極の更に外側には、反応ガスを外部より電極内
に均一に供給するとともに、余剰ガスを外部に排出する
ためのガス流通溝を設けたセパレータ(コネクタ板)が
積層される。このセパレータはガスの透過を防止すると
ともに発生した電流を外部へ取り出すための集電を行
う。
2. Description of the Related Art A PEM fuel cell body has a structure in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode. Each of the fuel electrode and the air electrode includes a catalyst layer containing a catalyst substance, and an electrode device that supports the catalyst layer, supplies a reaction gas, and has a function as a current collector. A separator (connector plate) is further provided outside the fuel electrode and the air electrode, in which a reaction gas is uniformly supplied from the outside to the inside of the electrode and a gas flow groove for discharging excess gas to the outside is provided. The separator prevents current permeation and performs current collection for taking out the generated current to the outside.

【0003】上記燃料電池本体とセパレータとで単電池
が構成される。実際の燃料電池システムでは、かかる単
電池の多数個が直列に積層されてスタックが構成され
る。燃料電池本体では、一般的に発生電力にほぼ相当す
る熱量の熱が発生する。従って、燃料電池本体が過度に
ヒートアップすることを防止するために、スタックに冷
却板を内蔵させる。この冷却板には空気や水などの冷却
媒体が流通されてスタックが冷却され、もって燃料電池
本体が所望の温度に維持される。
A unit cell is composed of the fuel cell body and the separator. In an actual fuel cell system, a large number of such cells are stacked in series to form a stack. In the fuel cell main body, generally, heat having a calorific value substantially corresponding to generated power is generated. Therefore, in order to prevent the fuel cell body from excessively heating up, a cooling plate is built in the stack. A cooling medium such as air or water flows through the cooling plate to cool the stack, thereby maintaining the fuel cell body at a desired temperature.

【0004】このような構成の燃料電池の起電力は、燃
料極側(アノード)に燃料ガスが供給され、空気極側に
酸化ガスが供給された結果、電気化学反応の進行に伴い
電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことによ
り、発生される。即ち、燃料極(アノード)にて得られ
る水素イオンがプロトン(H)の形態で、水分を含ん
だ電解質膜中を空気極(カソード)側に移動し、また燃
料極(アノード)にて得られた電子が外部負荷を通って
空気極(カソード)側に移動して酸化ガス(空気を含
む)中の酸素と反応して水を生成する、一連の電気化学
反応による電気エネルギーを取り出すことができるから
である。
[0004] The electromotive force of the fuel cell having such a configuration is such that electrons are generated as the electrochemical reaction proceeds as a result of fuel gas being supplied to the fuel electrode side (anode) and oxidizing gas being supplied to the air electrode side. Then, the electrons are generated by extracting the electrons to an external circuit. That is, the hydrogen ions obtained at the fuel electrode (anode) move in the electrolyte membrane containing water in the form of protons (H + ) to the air electrode (cathode) side, and are obtained at the fuel electrode (anode). The extracted electrons move to the cathode (cathode) side through an external load and react with oxygen in the oxidizing gas (including air) to produce water. Because you can.

【0005】上記において、プロトンが燃料極より空気
極に向かって電解質膜中を移動する際に水和の状態をと
るため、電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が
低下し、エネルギー変換効率が低下してしまう。よっ
て、良好なイオン伝導を保つために固体電解質膜に水分
を供給する必要があり、そのために燃料ガス及び酸化ガ
スを加湿して、水分を供給している。また、アノード電
極側では、電極反応を適正に継続させるために、より水
素ガスの湿潤状態を維持する必要があり、燃料ガスの加
湿方法については従来から様々な提案がある。
[0005] In the above, since protons take a hydrated state when moving through the electrolyte membrane from the fuel electrode toward the air electrode, if the electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity decreases, and energy conversion occurs. Efficiency is reduced. Therefore, it is necessary to supply moisture to the solid electrolyte membrane in order to maintain good ion conduction. For this purpose, the fuel gas and the oxidizing gas are humidified to supply moisture. In addition, on the anode electrode side, it is necessary to maintain a more humidified state of hydrogen gas in order to properly continue the electrode reaction, and there have been various proposals on humidification methods of fuel gas.

【0006】他方、プロセス空気を加湿する方法は従来
から提案されているが、反応熱により昇温されている
(通常80℃程度である)空気極を確実に加湿するに
は、常温のプロセス空気を加湿器において予め加温して
おく必要がある。飽和水蒸気量を空気極の周囲の環境と
一致させるためである。そのため、加湿器は水の供給機
能とプロセス空気の昇温機能とが求められる複雑な構成
であった。特開平7−14599号公報に開示の燃料電
池装置では、空気導入管に噴射ノズルを設けて加湿に必
要な水がプロセス空気中に噴霧される。この噴射ノズル
が圧縮機の上流側にある場合、噴霧された水はプロセス
空気の圧縮にともなう熱で蒸発され、水蒸気の状態で空
気極を加湿する。また、この装置でも、必要に応じて空
気の加湿装置が更に付加される。いずれにせよ従来の技
術では空気へ水蒸気を混入させることにより電解質膜へ
水分を補給していた。
On the other hand, a method of humidifying the process air has been proposed. However, in order to humidify the air electrode heated by the reaction heat (usually at about 80 ° C.), the process air at a normal temperature is required. Must be preheated in a humidifier. This is to make the amount of saturated water vapor coincide with the environment around the air electrode. Therefore, the humidifier has a complicated configuration that requires a water supply function and a process air heating function. In the fuel cell device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-14599, water required for humidification is sprayed into process air by providing an injection nozzle in an air introduction pipe. When the injection nozzle is located on the upstream side of the compressor, the sprayed water is evaporated by heat accompanying the compression of the process air, and humidifies the air electrode in a state of steam. In this device, an air humidifier is further added as needed. In any case, in the conventional technique, water is supplied to the electrolyte membrane by mixing water vapor into the air.

【0007】更には、特開平9−266004号公報に
示される燃料電池装置では、排出される水素ガスの濃度
を下げるため、燃料極から排出されるガス(この排気ガ
スには未反応の水素ガスが含まれている)を空気極側へ
導入してその中の水素ガスを空気極において燃焼させて
いる。当該燃焼において反応水(回収水)が生成される
ため、このような燃料電池装置では加湿器を特に付加し
なくても、電解質膜へ充分な水分を補給できることとな
る。
Further, in the fuel cell apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-266004, the gas discharged from the fuel electrode (the unreacted hydrogen gas Is included in the air electrode side, and the hydrogen gas therein is burned at the air electrode. Since reaction water (recovered water) is generated in the combustion, sufficient water can be supplied to the electrolyte membrane in such a fuel cell device without particularly adding a humidifier.

【0008】更なる研究により以下の事項が解った。所
定値以下の厚さの電解質膜により、燃料電池を構成した
場合に、プロトンが空気極において空気中の酸素と反応
して生成された水が、電解質膜中を空気極から水素極へ
逆浸透する。この逆浸透された水により、電解質膜を好
適な湿潤状態に維持することができるため、水素極(ア
ノード電極)側で水素(燃料ガス)を加湿する必要がな
い。しかし、空気極(カソード電極)側において、導入
される空気(酸化ガス)流により、電解質膜の空気極側
の水分が蒸発するため、電解質膜の空気極側の水分が不
足することが解った。
[0008] Further studies have revealed the following: When a fuel cell is constructed with an electrolyte membrane having a thickness equal to or less than a predetermined value, water generated by the reaction of protons with oxygen in the air at the air electrode reversely permeates the electrolyte membrane from the air electrode to the hydrogen electrode. I do. Since the electrolyte membrane can be maintained in a suitable wet state by the reversely osmotic water, it is not necessary to humidify hydrogen (fuel gas) on the hydrogen electrode (anode electrode) side. However, it has been found that the water on the air electrode side of the electrolyte membrane evaporates due to the introduced air (oxidizing gas) flow on the air electrode (cathode electrode) side, so that the water on the air electrode side of the electrolyte membrane becomes insufficient. .

【0009】そこで先の出願では、燃料電池本体の空気
極に水が液体の状態で供給される、水直噴タイプの燃料
電池システムを提案した。このように構成された燃料電
池システムによれば、空気極の表面に供給された水が優
先的に空気から潜熱を奪うので、空気極側の電解質膜か
ら水分の蒸発することが防止される。従って、電解質膜
はその空気極側で乾燥することなく、常に均一な湿潤状
態を維持する。よって、燃料電池システムの性能及び/
又は耐久性が向上する。
Therefore, the earlier application proposed a water direct injection type fuel cell system in which water is supplied in a liquid state to an air electrode of a fuel cell body. According to the fuel cell system configured as described above, the water supplied to the surface of the air electrode preferentially removes latent heat from the air, so that evaporation of water from the electrolyte membrane on the air electrode side is prevented. Therefore, the electrolyte membrane always maintains a uniform wet state without drying on the air electrode side. Therefore, the performance of the fuel cell system and / or
Or, the durability is improved.

【0010】さらには、水を液体の状態で空気極に供給
すると、空気極の表面に供給された水は空気極自体から
も熱を奪いこれを冷却するので、これにより燃料電池本
体の温度を制御できる。即ち、燃料電池スタックへ冷却
板を付加しなくても当該燃料電池本体を冷却することが
できる。
Further, when water is supplied to the air electrode in a liquid state, the water supplied to the surface of the air electrode also removes heat from the air electrode itself and cools it, thereby reducing the temperature of the fuel cell body. Can control. That is, the fuel cell main body can be cooled without adding a cooling plate to the fuel cell stack.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】かかる水直噴型の燃料
電池システムについてその効率を更に向上させるべき要
請がある。燃料電池システムの効率を上げるには、燃料
電池スタックにおける発電反応の効率を上げることはも
とより、燃料電池システム自体の構成をシンプルにし、
システム自体を駆動するために消費されるエネルギーを
削減することによっても達成される。本発明者はかかる
見地から、燃料電池システムの全体構成を見直すべく検
討を行った。水直噴型の燃料電池システムでは、従来型
のシステムに比べて水供給系より燃料電池スタックに供
給される水の量が多くなる。従って、水供給系のポンプ
を駆動するために消費されるエネルギーが大きくなる。
このエネルギーも燃料電池システム自体でまかなわれる
ものである。そこでこの発明は、当該水供給系で消費さ
れるエネルギーを削減し、もって効率の良い燃料電池シ
ステムを提供することを一つの目的とする。またこの発
明の他の目的は、新規な構成の燃料電池システムを提供
することにある。
There is a need to further improve the efficiency of such a water injection type fuel cell system. In order to increase the efficiency of the fuel cell system, not only increase the efficiency of the power generation reaction in the fuel cell stack, but also simplify the configuration of the fuel cell system itself,
It is also achieved by reducing the energy consumed to drive the system itself. From such a viewpoint, the present inventors have studied to review the overall configuration of the fuel cell system. In the water direct injection type fuel cell system, the amount of water supplied to the fuel cell stack from the water supply system is larger than in the conventional system. Therefore, the energy consumed to drive the pump of the water supply system increases.
This energy is also provided by the fuel cell system itself. Accordingly, it is an object of the present invention to reduce the energy consumed in the water supply system and provide an efficient fuel cell system. Another object of the present invention is to provide a fuel cell system having a novel configuration.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】この発明は上記目的を達
成するためになされたものであり、その構成は次のとお
りである。燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック
に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、水加圧手段に
より加圧された水を前記燃料電池スタックに供給する水
供給手段と、を備え、前記水加圧手段は前記燃料ガスの
圧力を利用して前記水を加圧する、ことを特徴とする燃
料電池システム。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to achieve the above-mentioned object, and has the following structure. A fuel gas stack, a fuel gas supply system for supplying a fuel gas to the fuel cell stack, and a water supply means for supplying water pressurized by water pressurization means to the fuel cell stack; A fuel cell system, wherein the pressure means pressurizes the water using the pressure of the fuel gas.

【0013】このように構成された本発明の燃料電池シ
ステムによれば、燃料ガスの圧力を利用して水を燃料電
池スタックに供給する。燃料ガスとして例えば水素を用
いた場合、水素吸蔵合金などの水素ガスタンクの一次圧
力は燃料電池スタックの耐圧を大きく上回るので、これ
を減圧する必要があった。この発明では、ガスタンクの
当該過剰な圧力を利用して水供給手段の水加圧手段を駆
動し、燃料電池スタックに水を供給する。従って、水供
給手段に対して専用のエネルギーを供給する必要がなく
なる。よって、システム全体から見てそのエネルギー効
率が向上する。水供給系内の水加圧手段は、燃料ガスの
ガス圧を利用してポンプのように水を送るものであるか
ら、この手段はまた水送り手段として把握することもで
きる。
According to the fuel cell system of the present invention configured as described above, water is supplied to the fuel cell stack using the pressure of the fuel gas. When, for example, hydrogen is used as the fuel gas, the primary pressure of a hydrogen gas tank made of a hydrogen storage alloy or the like greatly exceeds the pressure resistance of the fuel cell stack. According to the present invention, the water pressurizing means of the water supply means is driven by utilizing the excessive pressure of the gas tank to supply water to the fuel cell stack. Therefore, there is no need to supply dedicated energy to the water supply means. Therefore, the energy efficiency of the entire system is improved. Since the water pressurizing means in the water supply system sends water like a pump using the gas pressure of the fuel gas, this means can also be grasped as water sending means.

【0014】従来のシステムにおいても空気供給系及び
/又は燃料ガス供給系に水分(水蒸気の状態である)を
供給するものが知られている。この発明は、燃料電池ス
タックに対して水分の供給するときのエネルギー源とし
て燃料ガスのガス圧を利用しようとするものであり、こ
の見地からすると、この発明は水直噴型の燃料電池シス
テムに限られるものではなく、上記従来型の燃料電池シ
ステムにも適用されるものである。
[0014] It is known that a conventional system supplies moisture (in the form of water vapor) to an air supply system and / or a fuel gas supply system. The present invention seeks to utilize the gas pressure of a fuel gas as an energy source when supplying moisture to a fuel cell stack. From this viewpoint, the present invention relates to a water direct injection type fuel cell system. The present invention is not limited to this, and can be applied to the conventional fuel cell system.

【0015】[0015]

【実施例】次に、この発明の実施例を図面を参照しなが
ら説明する。図1にこの発明の実施例の燃料電池システ
ム1の構成を示す。図1に示すように、この燃料電池シ
ステム1は燃料電池スタック2、水素吸蔵合金11を含
む燃料供給系10、空気供給系40、水供給系50及び
負荷系70から大略構成される。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 generally includes a fuel cell stack 2, a fuel supply system 10 including a hydrogen storage alloy 11, an air supply system 40, a water supply system 50, and a load system 70.

【0016】燃料電池スタック2は燃料電池の単位ユニ
ットを複数接続したものである。この単位ユニットは、
空気極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した構成の
燃料電池本体を、更にカーボンブラックのセパレータで
挟持した構成である。この単位ユニットの形状は特に限
定されないが、セパレータと空気極との間には空気を流
通させる空気流路が上下方向に形成される。セパレータ
と燃料極との間には水素ガスを流通させる水素ガス流路
が形成されている。
The fuel cell stack 2 is formed by connecting a plurality of unit units of a fuel cell. This unit is
The fuel cell body has a configuration in which a solid polymer electrolyte is sandwiched between an air electrode and a fuel electrode, and is further sandwiched between carbon black separators. Although the shape of the unit unit is not particularly limited, an air flow path for circulating air is formed vertically between the separator and the air electrode. A hydrogen gas flow path for flowing hydrogen gas is formed between the separator and the fuel electrode.

【0017】燃料供給系10では、水素供給路20を介
して水素吸蔵合金11から放出された水素を燃料スタッ
ク2の各単位ユニットの水素ガス流路へ送る。水素供給
路20には、水素調圧弁21が配設され、水素吸蔵合金
11から放出された水素ガスを調圧している。符号23
は水素供給電磁弁23であって、水素供給路20の開閉
を制御している。
In the fuel supply system 10, the hydrogen released from the hydrogen storage alloy 11 via the hydrogen supply path 20 is sent to the hydrogen gas flow path of each unit of the fuel stack 2. A hydrogen pressure regulating valve 21 is provided in the hydrogen supply path 20 to regulate the pressure of hydrogen gas released from the hydrogen storage alloy 11. Symbol 23
Is a hydrogen supply solenoid valve 23, which controls opening and closing of the hydrogen supply path 20.

【0018】図中の符号100は水素のガス圧を利用し
て水を空気マニホールド45に送るポンプ装置(水加圧
手段、水送り装置)である。詳細な構成は後述する。
Reference numeral 100 in the figure denotes a pump device (water pressurizing means, water feeding device) for sending water to the air manifold 45 using the gas pressure of hydrogen. The detailed configuration will be described later.

【0019】燃料供給系10において、燃料電池スタッ
ク2から排出される水素ガスは水素排気路30を介して
無害化され大気へ放出される。水素排気路30には逆止
弁31と電磁弁33が設けられている。逆止弁31は水
素排気路30を介して空気が燃料電池スタック2の燃料
極に進入することを防止する。電磁弁33は間欠的に駆
動されて残留した水(及び無害化されたガス)を積極的
に排出する。また、この水素排気路30、逆止弁31及
び電磁弁33を総称して燃料ガス排出系と呼ぶ。図示は
しないが配管30内には、燃焼手段としての触媒燃焼器
が配され、排出口より排出された水素と外部から導入さ
れる空気とを触媒燃焼させ水(及び無害化されたガス)
の状態で、電磁弁33を介して排出する。
In the fuel supply system 10, hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 2 is rendered harmless via a hydrogen exhaust path 30 and discharged to the atmosphere. A check valve 31 and a solenoid valve 33 are provided in the hydrogen exhaust path 30. The check valve 31 prevents air from entering the fuel electrode of the fuel cell stack 2 via the hydrogen exhaust passage 30. The solenoid valve 33 is driven intermittently to positively discharge remaining water (and detoxified gas). The hydrogen exhaust path 30, the check valve 31, and the solenoid valve 33 are collectively called a fuel gas discharge system. Although not shown, a catalytic combustor as a combustion means is disposed in the pipe 30 to catalytically combust the hydrogen discharged from the discharge port and air introduced from the outside, and water (and detoxified gas).
Is discharged through the solenoid valve 33 in the state described above.

【0020】空気供給系40は大気から空気を燃料電池
スタック2の空気流路に供給し、燃料電池スタック2か
ら排出された空気を水凝縮器51を通過させて排気す
る。空気供給路41にはファン43が備えられ、大気か
ら空気を空気マニホールド45へ送る。空気はマニホー
ルド45から燃料電池スタック2の空気流路へ流入して
空気極へ酸素を供給する。燃料電池スタック2から排出
された空気は水凝縮器51(水回収装置)で水分が凝縮
・回収されて大気へ放出される。燃料電池スタック2か
ら排出される空気の温度は排気温度センサ47によりモ
ニタされている。
The air supply system 40 supplies air from the atmosphere to the air flow path of the fuel cell stack 2 and exhausts the air discharged from the fuel cell stack 2 through a water condenser 51. The air supply path 41 is provided with a fan 43 for sending air from the atmosphere to the air manifold 45. The air flows from the manifold 45 into the air flow path of the fuel cell stack 2 to supply oxygen to the air electrode. The air discharged from the fuel cell stack 2 is condensed and recovered by a water condenser 51 (water recovery device) and released to the atmosphere. The temperature of the air discharged from the fuel cell stack 2 is monitored by an exhaust gas temperature sensor 47.

【0021】この実施例では、空気マニホールド45の
側壁にノズル55が配設されて、これより吸気中に水が
液体の状態で供給される。この水の大部分は液体の状態
を維持したまま水凝縮器51に到達し、そのままタンク
53へ送られて回収される。供給された水の一部は蒸発
し、水凝縮器51において凝縮されて回収される。な
お、排出空気に含まれる水蒸気には燃料電池スタック2
の発電反応に伴う反応水に起因するものもあると考えら
れる。この水凝縮器51は汎用的な熱交換器(図示せ
ず)を備え、これをファンの風で冷却して排出空気中の
水蒸気を凝縮させて回収する構成である。
In this embodiment, a nozzle 55 is provided on the side wall of the air manifold 45, and thereby water is supplied in a liquid state during intake. Most of this water reaches the water condenser 51 while maintaining the liquid state, and is sent to the tank 53 as it is to be collected. Part of the supplied water evaporates and is condensed and recovered in the water condenser 51. Note that the water vapor contained in the exhaust air includes the fuel cell stack 2
It is considered that some of the water is caused by the reaction water accompanying the power generation reaction. The water condenser 51 is provided with a general-purpose heat exchanger (not shown), which is cooled by a fan to condense and recover water vapor in the exhaust air.

【0022】水供給系50はタンク53の水をノズル5
5から空気マニホールド45へ供給し、この水を水凝縮
器51で回収してタンク53に戻すという閉じられた系
である。タンク53の水位は常に水位センサ56でモニ
タされている。水位センサにはフロート式のものを用い
た。冬季にタンク53中の水が凍結しないようにタンク
53にはヒータ57と凍結防止電磁バルブ58が取り付
けられている。水凝縮器51とタンク53を連結する配
管には電磁バルブ60が取り付けられてタンク53内の
水が蒸発するのを防止している。
The water supply system 50 supplies the water in the tank 53 with the nozzle 5
5 is a closed system in which the water is supplied to the air manifold 45, and this water is collected by the water condenser 51 and returned to the tank 53. The water level in the tank 53 is constantly monitored by a water level sensor 56. A float type water level sensor was used. A heater 57 and an anti-freezing electromagnetic valve 58 are attached to the tank 53 so that the water in the tank 53 does not freeze in winter. An electromagnetic valve 60 is attached to a pipe connecting the water condenser 51 and the tank 53 to prevent water in the tank 53 from evaporating.

【0023】タンク53の水はポンプ装置100により
空気マニホールド45内に配設されたノズル55へ圧送
され、ここから空気極の表面に対して連続的若しくは間
欠的に噴出される。この水は燃料電池スタック2の空気
極に供給され、ここにおいて優先的に空気から潜熱を奪
うので、空気極側の電解質膜からの水分の蒸発が防止さ
れる。従って、電解質膜はその空気極側で乾燥すること
なく、常に均一な湿潤状態を維持する。また、空気極の
表面に供給された水は空気極自体からも熱を奪いこれを
冷却するので、これにより燃料電池スタック2の温度を
制御できる。即ち、燃料電池スタック2へ冷却水供給系
を付加しなくても当該燃料電池スタック2を充分に冷却
することができる。なお、排気温度センサ47で検出さ
れた排出空気の温度に対応してポンプ装置100の出力
を制御し、燃料電池スタック2の温度を所望の温度に維
持する。ポンプ装置100のみで十分に水を供給できな
いときを考慮して、水供給系50に補助ポンプ62を設
けることが好ましい。
The water in the tank 53 is pumped by the pump device 100 to a nozzle 55 disposed in the air manifold 45, and is continuously or intermittently jetted from the nozzle 55 to the surface of the air electrode. This water is supplied to the air electrode of the fuel cell stack 2 and preferentially removes latent heat from the air, so that evaporation of water from the electrolyte membrane on the air electrode side is prevented. Therefore, the electrolyte membrane always maintains a uniform wet state without drying on the air electrode side. Further, the water supplied to the surface of the air electrode also removes heat from the air electrode itself and cools it, so that the temperature of the fuel cell stack 2 can be controlled. That is, the fuel cell stack 2 can be sufficiently cooled without adding a cooling water supply system to the fuel cell stack 2. The output of the pump device 100 is controlled in accordance with the temperature of the exhaust air detected by the exhaust temperature sensor 47, and the temperature of the fuel cell stack 2 is maintained at a desired temperature. It is preferable to provide an auxiliary pump 62 in the water supply system 50 in consideration of a case where the pump device 100 alone cannot supply sufficient water.

【0024】負荷系70は燃料電池スタック2の出力を
外部に取り出して、モータ77を駆動させる。この負荷
系70にはスイッチのためのリレー71と補助出力源と
なるバッテリ75が設けられ、バッテリ75とリレー7
1との間に整流用のダイオード73が介在されている。
なお、燃料電池スタック2自体の電圧は電圧センサ76
で常にモニタされている。このモニタ結果に基づき、図
示しない制御回路で水素排気電磁弁33の開閉が制御さ
れる。
The load system 70 extracts the output of the fuel cell stack 2 to the outside and drives the motor 77. The load system 70 is provided with a relay 71 for a switch and a battery 75 as an auxiliary output source.
A rectifying diode 73 is interposed between the rectifying diode 73 and the rectifying diode 73.
The voltage of the fuel cell stack 2 itself is measured by the voltage sensor 76.
Is constantly monitored by Based on this monitoring result, the opening and closing of the hydrogen exhaust solenoid valve 33 is controlled by a control circuit (not shown).

【0025】次に、この実施例のポンプ装置100につ
いて、図2を参照しながら、説明する。図2に示すポン
プ装置100は水素ガス導入部110と水導入部120
から構成される。水素ガス導入部110は水素供給路2
0に連通され、水導入部120は水供給路61に連通し
ている。水素ガス導入部110と水導入部120とは隔
壁130で仕切られており、隔壁130には軸受131
が備えられる。この軸受131には軸133が回転自在
にはめ込まれている。軸133の水素ガス同入部110
側端部には第1の羽根135が取り付けられ、軸133
の水同入部120側端部には第2の羽根136が取り付
けられている。
Next, the pump device 100 of this embodiment will be described with reference to FIG. The pump device 100 shown in FIG. 2 includes a hydrogen gas introduction section 110 and a water introduction section 120.
Consists of The hydrogen gas inlet 110 is connected to the hydrogen supply path 2
0, and the water introduction unit 120 is in communication with the water supply path 61. The hydrogen gas introduction part 110 and the water introduction part 120 are separated by a partition 130, and the partition 130 has a bearing 131.
Is provided. A shaft 133 is rotatably fitted in the bearing 131. Hydrogen gas inlet 110 of shaft 133
A first blade 135 is attached to the side end, and a shaft 133 is provided.
The second blade 136 is attached to the end of the water inlet section 120 on the side of the second blade 136.

【0026】このように構成されたポンプ装置100に
よれば、水素供給路20を水素が流通することにより第
1の羽根135が回転される。この回転は軸133によ
り羽根136に伝達され、羽根136も回転する。この
羽根136の回転により水供給路61の水が加圧され、
ノズル55へ送られてこれから噴出する。水素ガスの流
通が間欠的行われる場合には、このポンプ装置100の
駆動も間欠的となる。水素ガスの流通が停止していると
きに水の供給が必要となった場合(燃料電池スタック2
の温度が異常に高くなった場合など)には、補助ポンプ
62を駆動させる。
According to the pump device 100 configured as described above, the first blade 135 is rotated by flowing hydrogen through the hydrogen supply passage 20. This rotation is transmitted to the blade 136 by the shaft 133, and the blade 136 also rotates. The rotation of the blade 136 pressurizes the water in the water supply path 61,
It is sent to the nozzle 55 and jets out from this. When the flow of the hydrogen gas is intermittently performed, the driving of the pump device 100 is also intermittent. When the supply of water is required when the flow of hydrogen gas is stopped (fuel cell stack 2
(For example, when the temperature becomes abnormally high), the auxiliary pump 62 is driven.

【0027】図3には他の態様のポンプ装置200を示
す。このポンプ装置200は水素供給路20に連通する
第1のポンプ室210と水供給路61に連通する第2の
ポンプ室220を備え、該第1のポンプ室210と第2
のポンプ室220とが弾性変形可能材料で形成された弾
性膜230で仕切られている。第1のポンプ室210内
にはフリーピストン213が図示左右方向に移動可能に
挿入されている。水素ガスはその分子が小さいので弾性
膜230を透過するおそれがある。このフリーピストン
213は水素ガスに対するシールド作用を奏する。な
お、調圧弁21が図示しない制御装置により制御されて
水素供給路20の水素ガス圧が周期的に変更される。第
2のポンプ室220と水供給路61との間には逆止弁2
21、223が設けられている。
FIG. 3 shows a pump device 200 according to another embodiment. The pump device 200 includes a first pump chamber 210 communicating with the hydrogen supply path 20 and a second pump chamber 220 communicating with the water supply path 61.
Is partitioned by an elastic membrane 230 formed of an elastically deformable material. A free piston 213 is inserted into the first pump chamber 210 so as to be movable in the left-right direction in the figure. Hydrogen gas has a small molecule, and thus may pass through the elastic film 230. The free piston 213 has a shielding effect on hydrogen gas. The pressure control valve 21 is controlled by a control device (not shown) to periodically change the hydrogen gas pressure in the hydrogen supply passage 20. Check valve 2 is provided between second pump chamber 220 and water supply passage 61.
21, 223 are provided.

【0028】このように構成されたポンプ装置200に
よれば、調圧弁21により水素供給路20の圧力が変更
されるに従い、フリーピストン213が図示左右に移動
する。このフリーピストン213の移動に伴い弾性膜2
30が変形し、第2のポンプ室220の容積を変化させ
る。かかる第2のポンプ室220の容積変化に従い、水
供給路61の水が加圧され、ノズル55へ送られてこれ
から噴出される。
According to the pump device 200 configured as described above, as the pressure in the hydrogen supply passage 20 is changed by the pressure regulating valve 21, the free piston 213 moves left and right in the figure. With the movement of the free piston 213, the elastic film 2
30 is deformed, and changes the volume of the second pump chamber 220. In accordance with such a change in the volume of the second pump chamber 220, the water in the water supply path 61 is pressurized, sent to the nozzle 55, and ejected from it.

【0029】この発明は、上記発明の実施の形態及び実
施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
The present invention is by no means limited to the description of the above-described embodiments and examples. Various modifications are included in the present invention without departing from the scope of the claims and within the scope of those skilled in the art.

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

【図1】図1はこの発明の一の実施例の燃料電池システ
ムの構成を示す概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.

【図2】図2は実施例のポンプ装置の構成を示す断面図
である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a pump device according to the embodiment.

【図3】図3は他の態様のポンプ装置の構成を示す断面
図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a pump device according to another embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料電池システム 2 燃料電池スタック 10 水素供給系 50 水供給系 100、200 ポンプ装置 135 第1の羽根 136 第2の羽根 210 第1のポンプ室 220 第2のポンプ室 230 弾性膜 Reference Signs List 1 fuel cell system 2 fuel cell stack 10 hydrogen supply system 50 water supply system 100, 200 pump device 135 first blade 136 second blade 210 first pump room 220 second pump room 230 elastic membrane

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燃料電池スタックと、 前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供
給系と、 水加圧手段により加圧された水を前記燃料電池スタック
に供給する水供給手段と、を備え、 前記水加圧手段は前記燃料ガスの圧力を利用して前記水
を加圧する、ことを特徴とする燃料電池システム。
1. A fuel cell stack, a fuel gas supply system for supplying fuel gas to the fuel cell stack, and a water supply means for supplying water pressurized by water pressurization means to the fuel cell stack. The fuel cell system according to claim 1, wherein the water pressurizing unit pressurizes the water using the pressure of the fuel gas.
【請求項2】 前記水供給系は前記スタックの空気極に
水を液体の状態で供給する、ことを特徴とする請求項1
に記載の燃料電池システム。
2. The water supply system supplies water in a liquid state to an air electrode of the stack.
3. The fuel cell system according to item 1.
【請求項3】 前記水加圧手段は、前記燃料ガスにより
回転される第1の羽根と、該第1の羽根に従動して回転
する第2の羽根とを備えてなり、前記第2の羽根は前記
水供給系内に配置されて該水供給系内の水を加圧して前
記燃料電池スタックに供給する、ことを特徴とする請求
項1又は2に記載の燃料電池システム。
3. The water pressurizing means includes a first blade rotated by the fuel gas, and a second blade rotated by following the first blade. 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the blade is arranged in the water supply system, and pressurizes the water in the water supply system to supply the water to the fuel cell stack. 4.
【請求項4】 前記水加圧手段は、前記燃料ガス供給系
に連通する第1のポンプ室と、前記水供給系に連通する
第2のポンプ室と、前記第1のポンプ室の圧力を変化さ
せる手段と、該第1のポンプ室の圧力変化を第2のポン
プ室に伝達する手段とを備える、ことを特徴とする請求
項1又は2に記載の燃料電池システム。
4. The water pressurizing means includes a first pump chamber communicating with the fuel gas supply system, a second pump chamber communicating with the water supply system, and a pressure of the first pump chamber. 3. The fuel cell system according to claim 1, further comprising: means for changing the pressure, and means for transmitting a change in the pressure of the first pump chamber to the second pump chamber. 4.
【請求項5】 燃料電池スタックと、 前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供
給系と、 水送り手段により送られる水を前記燃料電池スタックに
供給する水供給手段と、を備え、 前記水送り手段は前記燃料ガスの圧力を利用して前記水
を送る、ことを特徴とする燃料電池システム。
5. A fuel cell stack, comprising: a fuel gas supply system for supplying a fuel gas to the fuel cell stack; and a water supply means for supplying water supplied by water supply means to the fuel cell stack. A fuel cell system, wherein the water feed means sends the water using the pressure of the fuel gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003202026A (en) * 2001-10-22 2003-07-18 Nsk Ltd Rolling bearing device
JP2008047327A (en) * 2006-08-11 2008-02-28 Equos Research Co Ltd Fuel cell system
JP2008047408A (en) * 2006-08-15 2008-02-28 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell power generation system
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