JP2000357530A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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JP2000357530A
JP2000357530A JP11166367A JP16636799A JP2000357530A JP 2000357530 A JP2000357530 A JP 2000357530A JP 11166367 A JP11166367 A JP 11166367A JP 16636799 A JP16636799 A JP 16636799A JP 2000357530 A JP2000357530 A JP 2000357530A
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JP
Japan
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gas
fuel cell
exhaust
supply system
anode
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Pending
Application number
JP11166367A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Noguchi
博司 野口
Takeshi Kanai
健 金井
Shoichi Yoshida
晶一 吉田
Shoji Tsunekawa
庄司 常川
Takashi Arai
隆史 新井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the consumption amount of water by recovering water in exhaust gas. SOLUTION: In this fuel cell system 10, gaseous hydrogen from a gaseous hydrogen supply system 12 and air from an air supply line 13 are supplied to a solid polymer fuel cell 11 to generate power, and a full heat exchanger 47 capable of recovering heat and moisture in exhaust air within an exhaust air line 38 into air within the air supply line 13 is installed in the exhaust air line 38 in a gas exhaust system 30 for discharging exhaust gas from the fuel cell.

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、固体高分子型燃料
電池を備えた燃料電池システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system having a polymer electrolyte fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、固体高分子型燃料電池は、複数
のセル(単電池)が複数積層して構成される。各セル
は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の
両側に対向して配置された一対の電極(アノード、カソ
ード)と、アノードへ水素ガスを供給するためのガス流
路が形成されたアノード基材と、カソードへ酸素ガスま
たは空気を供給するためのガス流路が形成されたカソー
ド基材とを有して構成される。
2. Description of the Related Art In general, a polymer electrolyte fuel cell is constituted by stacking a plurality of cells (unit cells). Each cell has a solid polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes (anode, cathode) arranged opposite to both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a gas flow path for supplying hydrogen gas to the anode. And a cathode substrate in which a gas flow path for supplying oxygen gas or air to the cathode is formed.

【0003】各セルにおいては、アノードで水素が酸化
してプロトン(H+)となり、このプロトンは、固体高
分子電解質膜中を移動してカソードへ至り、このカソー
ド内で電気化学反応により還元されて、水に変化する。
この電気化学反応に伴い電気(直流電力)が生成され
る。
In each cell, hydrogen is oxidized at the anode to form protons (H + ), which move through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode, where they are reduced by an electrochemical reaction. And turn into water.
Electricity (DC power) is generated with this electrochemical reaction.

【0004】プロトンが固体高分子電解質膜中を移動す
るには、固体高分子電解質膜が水によって湿潤状態にあ
ることが必要であり、この湿潤状態が不十分であると、
固体高分子電解質膜のイオン導電性が低下して電池性能
が低下する。
In order for protons to move through the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte membrane needs to be in a wet state with water, and if the wet state is insufficient,
The ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane decreases, and the battery performance decreases.

【0005】これを防止するために、従来の固体高分子
型燃料電池には、アノード基材のガス流路に水素ガスと
共に加湿水を直接供給して、固体高分子電解質膜を加湿
するものがある。
In order to prevent this, a conventional polymer electrolyte fuel cell humidifies the polymer electrolyte membrane by directly supplying humidified water together with hydrogen gas to the gas flow path of the anode substrate. is there.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところが、燃料電池の
固体高分子膜を良好に湿潤させるためには、加湿水供給
系から加湿水を十分に供給する必要があり、この結果、
加湿水としての水を多量に消費してしまう。
However, in order to satisfactorily wet the solid polymer membrane of the fuel cell, it is necessary to sufficiently supply humidification water from a humidification water supply system.
A large amount of water as humidification water is consumed.

【0007】本発明の目的は、上述の事情を考慮してな
されたものであり、排ガス中の水分を回収して水の消費
量を低減できる燃料電池システムを提供することにあ
る。
An object of the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of collecting water in exhaust gas and reducing water consumption.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、アノード側ガス供給系からのアノード側ガスと、カ
ソード側ガス供給系からのカソード側ガスとが燃料電池
に供給されて、この燃料電池が電力を発生する燃料電池
システムにおいて、上記燃料電池からの排ガスを排出す
るガス排出系に、このガス排出系内の排ガスの熱及び水
分を、上記アノード側ガス供給系内の上記アノード側ガ
スまたは上記カソード側ガス供給系内の上記カソード側
ガスに回収可能な全熱交換器が設置されたことを特徴と
するものである。
According to the first aspect of the present invention, an anode gas from an anode gas supply system and a cathode gas from a cathode gas supply system are supplied to a fuel cell. In a fuel cell system in which a fuel cell generates electric power, heat and moisture of the exhaust gas in the gas exhaust system are supplied to a gas exhaust system for exhausting the exhaust gas from the fuel cell, and the anode side gas in the anode gas supply system. A total heat exchanger capable of recovering gas or the cathode side gas in the cathode side gas supply system is provided.

【0009】請求項2に記載の発明は、アノード側ガス
供給系からのアノード側ガスと、カソード側ガス供給系
からのカソード側ガスと、加湿水供給系からの加湿水と
が燃料電池に供給されて、この燃料電池が電力を発生す
る燃料電池システムにおいて、上記燃料電池からの排ガ
スを排出するガス排出系に、上記排ガスの温度を露点以
下に設定可能な冷却器が配置されて、この排ガス中の水
分が上記加湿水供給系に回収可能に構成されたことを特
徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, an anode gas from an anode gas supply system, a cathode gas from a cathode gas supply system, and humidified water from a humidified water supply system are supplied to a fuel cell. In the fuel cell system in which the fuel cell generates electric power, a cooler capable of setting the temperature of the exhaust gas to a dew point or lower is disposed in a gas exhaust system for exhausting the exhaust gas from the fuel cell. The present invention is characterized in that the water contained therein is configured to be recoverable in the humidification water supply system.

【0010】請求項3に記載の発明は、請求項2に記載
の発明において、上記冷却器は、ペルチェ素子を用いた
冷却器であることを特徴とするものである。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the cooler is a cooler using a Peltier element.

【0011】請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3
のいずれかに記載の発明において、上記アノード側ガス
供給系は、水素ガスを供給する水素ガス供給系であり、
上記カソード側ガス供給系は、空気を供給する空気供給
系であることを特徴とするものである。
[0011] The invention according to claim 4 is the invention according to claims 1 to 3.
In the invention described in any one of the above, the anode-side gas supply system is a hydrogen gas supply system that supplies hydrogen gas,
The cathode-side gas supply system is an air supply system that supplies air.

【0012】請求項1または4に記載の発明には、次の
作用がある。
The invention according to claim 1 or 4 has the following operation.

【0013】ガス排出系内の排ガスの水分が全熱交換器
により、アノード側ガス供給系(水素ガス供給系)内の
アノード側ガス(水素ガス)またはカソード側ガス供給
系(空気供給系)内のカソード側ガス(空気)に回収さ
れることから、ガス排出系から外気へ排出される水分が
減少して、燃料電池システムにおける水の消費量を低減
できる。
The moisture of the exhaust gas in the gas discharge system is changed by the total heat exchanger into the anode gas (hydrogen gas) in the anode gas supply system (hydrogen gas supply system) or the cathode gas supply system (air supply system). , The amount of water discharged from the gas discharge system to the outside air decreases, and the amount of water consumed in the fuel cell system can be reduced.

【0014】また、ガス排出系内の排ガスの熱が全熱交
換器により、アノード側ガス供給系内のアノード側ガス
またはカソード側ガス供給系内のカソード側ガスに回収
されることから、アノード側ガス供給系内のアノード側
ガスまたはカソード側ガス供給系内のカソード側ガスの
温度が上昇して、燃流電池における電気化学反応を効率
良く実施でき、従って、燃流電池を高効率に動作させる
ことができる。
Further, since the heat of the exhaust gas in the gas discharge system is recovered by the total heat exchanger to the anode gas in the anode gas supply system or the cathode gas in the cathode gas supply system, The temperature of the anode-side gas in the gas supply system or the temperature of the cathode-side gas in the cathode-side gas supply system rises, and the electrochemical reaction in the fuel cell can be efficiently performed, and therefore, the fuel cell operates with high efficiency. be able to.

【0015】請求項2、3または4に記載の発明には、
次の作用がある。
The invention according to claim 2, 3 or 4 includes:
It has the following effects:

【0016】燃料電池からの排ガスを排出するガス排出
系に、排ガスの温度を露点以下に設定可能な冷却器が配
置されて、この排ガス中の水分が加湿水供給系に回収さ
れることから、ガス排出系から外気へ排出される水分が
減少して、燃料電池システムにおける水の消費量を低減
できる。
A cooler capable of setting the temperature of the exhaust gas below the dew point is disposed in the gas exhaust system for exhausting the exhaust gas from the fuel cell, and the moisture in the exhaust gas is recovered by the humidified water supply system. The amount of water discharged from the gas discharge system to the outside air is reduced, and the amount of water consumed in the fuel cell system can be reduced.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に基づき説明する。 [A]第一の実施の形態(図1、図2) 図1は、本発明に係る燃料電池システムの第一の実施の
形態を示す構成図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. [A] First Embodiment (FIGS. 1 and 2) FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.

【0018】この図1に示す固体高分子型燃料電池シス
テム10は、固体高分子型燃料電池11、アノード側ガ
ス供給系としての水素ガス供給系12、カソード側ガス
供給系としての空気供給系13、加湿水供給系14、ガ
ス排出系30、電力出力系31及び制御装置15を有し
て構成され、上記固体高分子型燃料電池11が電気(直
流電力)を発生する。
The polymer electrolyte fuel cell system 10 shown in FIG. 1 includes a polymer electrolyte fuel cell 11, a hydrogen gas supply system 12 as an anode gas supply system, and an air supply system 13 as a cathode gas supply system. , A humidification water supply system 14, a gas discharge system 30, a power output system 31, and a control device 15, and the polymer electrolyte fuel cell 11 generates electricity (DC power).

【0019】この固体高分子型燃料電池11は、図2に
示すセル16(単電池)が複数積層してモジュールとし
て構成されたものである。各セル16は、高分子イオン
交換膜などの固体高分子電解質膜17と、この固体高分
子電解質膜17の対向面にそれぞれ接合されたアノード
18、カソード19と、アノード18に接して配置され
たアノード基材20と、カソード19に接して配置され
たカソード基材21とを有して構成される。
The polymer electrolyte fuel cell 11 is configured as a module by stacking a plurality of cells 16 (single cells) shown in FIG. Each cell 16 is arranged in contact with a solid polymer electrolyte membrane 17 such as a polymer ion exchange membrane, an anode 18 and a cathode 19 which are respectively joined to opposing surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 17. It has an anode base material 20 and a cathode base material 21 arranged in contact with the cathode 19.

【0020】アノード18およびカソード19は、白金
を担持したカーボンを主成分とし、ガスまたは水を拡散
可能な拡散経路を有する。これらのアノード18及びカ
ソード19内で、後述の電気化学反応が行われる。
The anode 18 and the cathode 19 are mainly composed of carbon carrying platinum and have a diffusion path through which gas or water can diffuse. In the anode 18 and the cathode 19, an electrochemical reaction described below is performed.

【0021】アノード基材20には、アノード18に接
する側に、アノード側ガスとしての水素ガスを流動させ
るアノード側ガス流路22が形成される。また、カソー
ド基材21には、カソード19に接する側にカソード側
ガスとしての空気(または酸素ガス)を流動させるカソ
ード側ガス流路23が形成される。これらのアノード基
材20及びカソード基材21は、多孔質の例えば炭素材
にて形成され、ガスまたは水を透過可能に構成される。
The anode substrate 20 is provided with an anode gas passage 22 for flowing hydrogen gas as an anode gas on the side in contact with the anode 18. In the cathode base material 21, a cathode-side gas flow path 23 for flowing air (or oxygen gas) as a cathode-side gas is formed on the side in contact with the cathode 19. The anode substrate 20 and the cathode substrate 21 are formed of a porous material such as a carbon material, and are configured to be permeable to gas or water.

【0022】このように構成されたセル16において、
アノード基材20のアノード側ガス流路22を経てアノ
ード18内に導入された水素ガスは、このアノード18
内で酸化してプロトン(H+)となり、このプロトン
は、固体高分子電解質膜17中を移動してカソード19
へ至り、このカソード19内で、カソード基材21のカ
ソード側ガス流路23を経て導入された空気中の酸素と
電気化学反応して還元され、水に変化する。この電気化
学反応に伴い、アノード18とカソード19間に直流電
力が発生する。
In the cell 16 configured as described above,
The hydrogen gas introduced into the anode 18 through the anode-side gas flow path 22 of the anode substrate 20
The protons are oxidized to form protons (H + ), which move through the solid polymer electrolyte membrane 17 and become
In the cathode 19, it is reduced by an electrochemical reaction with oxygen in the air introduced through the cathode-side gas flow passage 23 of the cathode substrate 21, and changes to water. With this electrochemical reaction, DC power is generated between the anode 18 and the cathode 19.

【0023】前記水素ガス供給系12は、水素ボンベ2
4、開閉弁32、減圧弁25及び水素供給電磁弁26が
順次配設して構成され、水素供給電磁弁26が固体高分
子型燃料電池11に接続される。この水素ガス供給系1
2における開閉弁32及び水素供給電磁弁26の開操作
により、固体高分子型燃料電池11の各セル16におけ
るアノード基材20のアノード側ガス流路22へ水素ガ
スが供給される。この水素ガスは、減圧弁25により減
圧された水素ガス圧力と、ガス排出系30の絞り弁39
(後述)の弁開度により、固体高分子型燃料電池11へ
の供給流量が調整される。
The hydrogen gas supply system 12 includes a hydrogen cylinder 2
4. The on-off valve 32, the pressure reducing valve 25, and the hydrogen supply electromagnetic valve 26 are sequentially arranged, and the hydrogen supply electromagnetic valve 26 is connected to the polymer electrolyte fuel cell 11. This hydrogen gas supply system 1
The hydrogen gas is supplied to the anode-side gas flow path 22 of the anode substrate 20 in each cell 16 of the polymer electrolyte fuel cell 11 by opening the on-off valve 32 and the hydrogen supply electromagnetic valve 26 in 2. This hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas pressure reduced by the pressure reducing valve 25 and the throttle valve 39 of the gas discharge system 30.
The supply flow rate to the polymer electrolyte fuel cell 11 is adjusted by the valve opening degree (described later).

【0024】前記空気供給系13は、空気供給ファン2
7が固体高分子型燃料電池11に接続されたものであ
る。空気供給ファン27の回転速度の調整により、固体
高分子型燃料電池11の各セル16におけるカソード基
材21のカソード側ガス流路23へ、後述の如く全熱交
換器47にて熱及び湿度分(水分)が回収された空気が
適宜流量供給される。
The air supply system 13 includes an air supply fan 2
7 is connected to the polymer electrolyte fuel cell 11. By adjusting the rotation speed of the air supply fan 27, the heat and humidity components are supplied to the cathode-side gas flow path 23 of the cathode substrate 21 in each cell 16 of the polymer electrolyte fuel cell 11 by the total heat exchanger 47 as described later. The air from which (moisture) has been collected is supplied at an appropriate flow rate.

【0025】前記加湿水供給系14は、メイン水タンク
28に接続された循環ポンプ29と上記メイン水タンク
28とが固体高分子型燃料電池11に接続され、メイン
水タンク28に給水電磁弁33、給水ポンプ34及びサ
ブ水タンク35が順次接続されて構成される。固体高分
子型燃料電池11の各セル16において、固体高分子電
解質膜17内をプロトン(H+)が移動するためには、
この固体高分子電解質膜17が水により湿潤状態とされ
る必要がある。加湿水供給系14は、メイン水タンク2
8内の加湿水を循環ポンプ29から、固体高分子型燃料
電池11の各セル16におけるアノード基材20のアノ
ード側ガス流路22へ直接供給し、この加湿水をアノー
ド18を透過させて固体高分子電解質膜17に供給し、
この固体高分子電解質膜17を加湿して良好な湿潤状態
に維持する。
In the humidification water supply system 14, a circulation pump 29 connected to a main water tank 28 and the main water tank 28 are connected to the polymer electrolyte fuel cell 11, and a water supply solenoid valve 33 is connected to the main water tank 28. , A water supply pump 34 and a sub water tank 35 are sequentially connected. In each of the cells 16 of the polymer electrolyte fuel cell 11, in order for protons (H + ) to move inside the polymer electrolyte membrane 17,
The solid polymer electrolyte membrane 17 needs to be wet by water. The humidification water supply system 14 includes the main water tank 2
The humidified water in the fuel cell 8 is directly supplied from the circulation pump 29 to the anode-side gas flow path 22 of the anode substrate 20 in each cell 16 of the polymer electrolyte fuel cell 11, and the humidified water is allowed to pass through the anode 18 to be solidified. To the polymer electrolyte membrane 17,
The solid polymer electrolyte membrane 17 is humidified and maintained in a good wet state.

【0026】メイン水タンク28は、固体高分子型燃料
電池11の各セル16におけるカソード基材21を拡散
して透過した、カソード19にて生成された水と、固体
高分子電解質膜17に供給された過剰な加湿水とを集水
する。また、メイン水タンク28は、固体高分子型燃料
電池11のカソード19から固体高分子電解質膜17を
経てアノード18へ逆拡散しアノード基材20を透過し
た水を集水する。更に、メイン水タンク28内には、こ
のメイン水タンク28内に貯留された水が不足したとき
に、給水電磁弁33が開操作され、給水ポンプ34が作
動されて、サブ水タンク35内の水が補給される。メイ
ン水タンク28にて集水された水及びサブ水タンク35
から補給された水が循環ポンプ29により取り込まれ、
加湿水及び冷却水として上述の如く各セル16のアノー
ド側ガス流路22へ直接供給される。
The main water tank 28 supplies water generated at the cathode 19, which is diffused and permeated through the cathode substrate 21 in each cell 16 of the polymer electrolyte fuel cell 11, and to the polymer electrolyte membrane 17. Collect excess humidified water. The main water tank 28 collects water that has been reversely diffused from the cathode 19 of the polymer electrolyte fuel cell 11 to the anode 18 via the polymer electrolyte membrane 17 and has passed through the anode substrate 20. Further, when the water stored in the main water tank 28 becomes insufficient in the main water tank 28, the water supply solenoid valve 33 is opened, the water supply pump 34 is operated, and the water in the sub water tank 35 is Water is replenished. Water collected in the main water tank 28 and the sub water tank 35
Is supplied by the circulation pump 29,
As described above, the humidification water and the cooling water are directly supplied to the anode-side gas flow path 22 of each cell 16.

【0027】尚、符号36は、燃料電池システム10の
メンテナンス時などに開操作されて、メイン水タンク2
8内の水を排出する排水コックである。
Reference numeral 36 denotes an opening operation when the fuel cell system 10 is maintained or the like.
8 is a drain cock for discharging the water in 8.

【0028】前記ガス排出系30は、未使用水素ガス排
出ライン37と排出空気ライン38とを有してなる。未
使用水素ガス排出ライン37は、一端が固体高分子型燃
料電池11のアノード18出口に接続され、前記メイン
水タンク28及び絞り弁39を備えると共に、他端が排
気ダクト40に接続される。また、排出空気ライン38
は、一端が固体高分子型燃料電池11のカソード19出
口に接続されると共に、他端が上記排気ダクト40に接
続される。更に、この排出空気ライン38は排気ファン
41を備える。
The gas discharge system 30 has an unused hydrogen gas discharge line 37 and a discharge air line 38. The unused hydrogen gas discharge line 37 has one end connected to the outlet of the anode 18 of the polymer electrolyte fuel cell 11, the main hydrogen tank 28 and the throttle valve 39, and the other end connected to the exhaust duct 40. Also, the exhaust air line 38
Has one end connected to the cathode 19 outlet of the polymer electrolyte fuel cell 11 and the other end connected to the exhaust duct 40. Further, the exhaust air line 38 includes an exhaust fan 41.

【0029】固体高分子型燃料電池11にて反応に供さ
れなかった微量の未使用水素ガスは、固体高分子型燃料
電池11のアノード18から未使用水素ガス排出ライン
37内を流れ、メイン水タンク28及び絞り弁39を経
て排気ダクト40に導かれる。また、固体高分子型燃料
電池11にて酸素が消費された空気は排出空気となり、
且つ、固体高分子型燃料電池11にて発生した水を水蒸
気として多量に含む。この排出空気は、固体高分子型燃
料電池11のカソード19から排出空気ライン38内を
流れて排気ダクト40に導入される。未使用水素ガス排
出ライン37により排気ダクト40に導入された未使用
水素ガスは、排出空気ライン38により排気ダクト40
内に導かれた上記排出空気と、排気ファン41により排
気ダクト40内に導入された空気(外気)とにより混合
され希釈されて、排気ダクト40から外気中へ排出され
る。
A small amount of unused hydrogen gas not subjected to the reaction in the polymer electrolyte fuel cell 11 flows through the unused hydrogen gas discharge line 37 from the anode 18 of the polymer electrolyte fuel cell 11 and It is guided to the exhaust duct 40 via the tank 28 and the throttle valve 39. In addition, the air whose oxygen has been consumed in the polymer electrolyte fuel cell 11 becomes exhaust air,
Further, a large amount of water generated in the polymer electrolyte fuel cell 11 is included as water vapor. The exhaust air flows from the cathode 19 of the polymer electrolyte fuel cell 11 through the exhaust air line 38 and is introduced into the exhaust duct 40. Unused hydrogen gas introduced into the exhaust duct 40 by the unused hydrogen gas discharge line 37 is discharged by the exhaust air line 38 into the exhaust duct 40.
The exhaust air guided to the inside and the air (outside air) introduced into the exhaust duct 40 by the exhaust fan 41 are mixed and diluted, and are discharged from the exhaust duct 40 into the outside air.

【0030】前記電力出力系31は、DC/ACインバ
ータ42、DC/DCコンバータ43、充電回路44及
び充電器45を備えて構成される。
The power output system 31 includes a DC / AC inverter 42, a DC / DC converter 43, a charging circuit 44, and a charger 45.

【0031】DC/ACインバータ42は、固体高分子
型燃料電池11にて発生した直流電力(24〜50V)
を交流電力(例えば100V)に変換し、出力端48へ
出力可能とする。このDC/ACインバータ42は、変
換する交流電力の周波数を50Hz、60Hzに変換可
能とする。また、上記DC/DCコンバータ43は、固
体高分子型燃料電池11にて発生した直流電力を所定電
圧(例えば24V)の直流電力に変換し、循環ポンプ2
9、給水ポンプ34、空気供給ファン27、排気ファン
41、減圧弁25、水素供給電磁弁26、給水電磁弁3
3及び絞り弁39等の補機部品、制御装置15並びに充
電回路44へ供給する。この充電回路44は、DC/D
Cコンバータ43にて供給された直流電力を2次電池4
6に充電可能とする。
The DC / AC inverter 42 controls the DC power (24 to 50 V) generated in the polymer electrolyte fuel cell 11.
Is converted into AC power (for example, 100 V) and can be output to the output terminal 48. This DC / AC inverter 42 can convert the frequency of the AC power to be converted into 50 Hz and 60 Hz. The DC / DC converter 43 converts the DC power generated in the polymer electrolyte fuel cell 11 into a DC power of a predetermined voltage (for example, 24 V).
9, water supply pump 34, air supply fan 27, exhaust fan 41, pressure reducing valve 25, hydrogen supply solenoid valve 26, water supply solenoid valve 3
3 and the accessory parts such as the throttle valve 39, the control device 15, and the charging circuit 44. This charging circuit 44 has a DC / D
The DC power supplied by the C converter 43 is
6 can be charged.

【0032】また、上記充電器45は、2次電池46
を、DC/DCコンバータ43からの直流電力ではな
く、商用交流電力(例えば100V)を用いて充電させ
るときに使用されるものである。
The charger 45 includes a secondary battery 46.
Is charged not by using the DC power from the DC / DC converter 43 but by using commercial AC power (for example, 100 V).

【0033】前記制御装置15は、燃料電池システム1
0の各種制御を実施する。つまり、制御装置15は、固
体高分子型燃料電池11、減圧弁25、水素供給電磁弁
26、空気供給ファン27、循環ポンプ29、給水電磁
弁33、給水ポンプ34、絞り弁39、排気ファン4
1、DC/ACインバータ42及びDC/DCコンバー
タ43等との間で電気信号を送受信して、これらの各種
機器を制御する。例えば、制御装置15は、固体高分子
型燃料電池11から異常信号を受信したときに、水素供
給電磁弁26を閉弁操作して、固体高分子型燃料電池1
1への水素ガスの供給を停止し、固体高分子型燃料電池
11の運転を停止させる。
The control device 15 controls the fuel cell system 1
0 various controls are performed. That is, the control device 15 includes the polymer electrolyte fuel cell 11, the pressure reducing valve 25, the hydrogen supply electromagnetic valve 26, the air supply fan 27, the circulation pump 29, the water supply electromagnetic valve 33, the water supply pump 34, the throttle valve 39, and the exhaust fan 4
1. An electric signal is transmitted and received between the DC / AC inverter 42 and the DC / DC converter 43 to control these various devices. For example, when the control device 15 receives an abnormal signal from the polymer electrolyte fuel cell 11, the control device 15 closes the hydrogen supply electromagnetic valve 26 to perform the closing operation.
The supply of hydrogen gas to 1 is stopped, and the operation of the polymer electrolyte fuel cell 11 is stopped.

【0034】さて、前記ガス排出系30の排出空気ライ
ン38に全熱交換器47が配置される。この全熱交換器
47は、排出空気ライン38を流れる排出空気中の熱及
び湿度分(水分)を、空気供給系13において空気供給
ファン27上流側を流れる空気に回収させるものであ
る。尚、上記排気ファン41は、この全熱交換器47と
排気ダクト40との間の排出空気ライン38に接続され
る。
Now, a total heat exchanger 47 is disposed in the exhaust air line 38 of the gas exhaust system 30. The total heat exchanger 47 recovers heat and humidity (moisture) in the exhaust air flowing through the exhaust air line 38 into air flowing upstream of the air supply fan 27 in the air supply system 13. The exhaust fan 41 is connected to an exhaust air line 38 between the total heat exchanger 47 and the exhaust duct 40.

【0035】従って、上記実施の形態によれば、次の効
果及びを奏する。
Therefore, according to the above embodiment, the following effects and advantages can be obtained.

【0036】ガス排出系30における排出空気ライン
38内の排出空気における水分が、全熱交換器47によ
り空気供給系13内の空気に回収されることから、排気
ダクト40を経て外気へ排出される水分が減少して、燃
料電池システム10における水の消費量を低減できる。
Since the moisture in the exhaust air in the exhaust air line 38 in the gas exhaust system 30 is recovered into the air in the air supply system 13 by the total heat exchanger 47, the moisture is exhausted to the outside air via the exhaust duct 40. As the water content decreases, the water consumption in the fuel cell system 10 can be reduced.

【0037】ガス排出系30における排出空気ライン
38内の排出空気の熱が、全熱交換器47により空気供
給系13内の空気に回収されることから、この空気供給
系13内の空気の温度が上昇して、固体高分子型燃料電
池11における電気化学反応を効率よく実施でき、従っ
て、固体高分子型燃料電池11を高効率に動作させるこ
とができる。
Since the heat of the exhaust air in the exhaust air line 38 in the gas exhaust system 30 is recovered to the air in the air supply system 13 by the total heat exchanger 47, the temperature of the air in the air supply system 13 Is increased, and the electrochemical reaction in the polymer electrolyte fuel cell 11 can be efficiently performed, so that the polymer electrolyte fuel cell 11 can be operated with high efficiency.

【0038】[B]第二の実施の形態(図3) 図3は、本発明に係る燃料電池システムの第二の実施の
形態を示す構成図である。この第二の実施の形態におい
て、前記第一の実施の形態と同様な部分は、同一の符号
を付すことにより説明を省略する。
[B] Second Embodiment (FIG. 3) FIG. 3 is a configuration diagram showing a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In the second embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

【0039】この第二の実施の形態の燃料電池システム
50では、ガス排出系30の排出空気ライン38に全熱
交換器47が配置されず、ガス排出系30の排気ダクト
40内に冷却器51が配置され、この排気ダクト40と
加湿水供給系14の給水ポンプ34との間に水回収ライ
ン52が設置されたものである。
In the fuel cell system 50 according to the second embodiment, the total heat exchanger 47 is not provided in the exhaust air line 38 of the gas exhaust system 30 and the cooler 51 is provided in the exhaust duct 40 of the gas exhaust system 30. And a water recovery line 52 is installed between the exhaust duct 40 and the water supply pump 34 of the humidification water supply system 14.

【0040】上記冷却器51は、電力出力系31のDC
/DCコンバータ43から出力された直流電力により動
作するペルチェ素子によって、排気ダクト40内の排出
空気及び未使用水素ガス(主に排出空気)を露点以下の
温度に設定して、排出空気及び未使用水素ガス(主に排
出空気)中の水分を結露させるものである。この結露し
た排出空気及び未使用水素ガス中の水分は、給水ポンプ
34の作動中に、水回収ライン52を経て加湿水供給系
14のメイン水タンク28に回収される。
The cooler 51 is provided with a DC power output system 31.
The exhaust air and unused hydrogen gas (mainly exhaust air) in the exhaust duct 40 are set to a temperature equal to or lower than the dew point by the Peltier element operated by the DC power output from the / DC converter 43, and the exhaust air and the unused air are set. Dew condensation of moisture in hydrogen gas (mainly exhaust air). The condensed discharged air and the moisture in the unused hydrogen gas are collected in the main water tank 28 of the humidified water supply system 14 via the water collection line 52 while the water supply pump 34 is operating.

【0041】この水回収ライン52には、ろ過装置53
が配設されている。このろ過装置53は、結露して排気
ダクト40から排出された水中のゴミをフィルタにて除
去し、イオンをイオン交換樹脂にて取り除く。
The water recovery line 52 includes a filtration device 53
Are arranged. The filtering device 53 removes debris in water discharged from the exhaust duct 40 by dew condensation with a filter, and removes ions with an ion exchange resin.

【0042】従って、上記実施の形態によれば、次の効
果を奏する。
Therefore, according to the above embodiment, the following effects can be obtained.

【0043】固体高分子型燃料電池11からの排出空
気及び未使用水素ガスを排出するガス排出系30の排気
ダクト40に、排出空気及び未使用水素ガス(主に排出
空気)の温度を露点以下に設定可能な冷却器51が配置
されて、この排出空気及び未使用水素ガス(主に排出空
気)中の水分が加湿水供給系14のメイン水タンク28
に回収されることから、排気ダクト40を経て外気へ排
出される水分が減少して、燃料電池システム10におけ
る水の消費量を低減できる。
The temperature of the discharged air and the unused hydrogen gas (mainly the discharged air) is set to the dew point or lower in the exhaust duct 40 of the gas exhaust system 30 for discharging the exhaust air and unused hydrogen gas from the polymer electrolyte fuel cell 11. A cooler 51 that can be set at the main water tank 28 of the humidified water supply system 14 is provided.
Therefore, the amount of water discharged to the outside air via the exhaust duct 40 is reduced, and the amount of water consumed in the fuel cell system 10 can be reduced.

【0044】以上、本発明を上記実施の形態に基づいて
説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
Although the present invention has been described based on the above embodiment, the present invention is not limited to this.

【0045】例えば、第一の実施の形態の変形例とし
て、全熱交換器47は、排出空気ライン38を流れる排
出空気中の熱及び湿度分(水分)を、水素ガス供給系1
2において水素供給電磁弁26下流側を流れる水素ガス
に回収させるものでも良い。
For example, as a modification of the first embodiment, the total heat exchanger 47 converts the heat and humidity (moisture) in the exhaust air flowing through the exhaust air line 38 into the hydrogen gas supply system 1.
In 2, the hydrogen gas flowing downstream of the hydrogen supply solenoid valve 26 may be recovered.

【0046】また、第一の実施の形態において、全熱交
換器47をガス排出系30における未使用水素ガス排出
ライン37に配置し、この未使用水素ガス排出ライン3
7内を流れる未使用水素ガス中の熱及び湿度分(水分)
を、空気供給系13において空気供給ファン27上流側
を流れる空気、または水素ガス供給系12において水素
供給電磁弁26下流側を流れる水素ガスに回収させるも
のでも良い。
Further, in the first embodiment, the total heat exchanger 47 is disposed in the unused hydrogen gas discharge line 37 in the gas discharge system 30 and the unused hydrogen gas discharge line 3
Heat and humidity (moisture) in unused hydrogen gas flowing in 7
May be recovered to air flowing in the air supply system 13 on the upstream side of the air supply fan 27 or hydrogen gas flowing in the hydrogen gas supply system 12 on the downstream side of the hydrogen supply solenoid valve 26.

【0047】更に、上記第二の実施の形態の冷却器51
は、ペルチェ素子を用いたものに限らず、空気または水
により、排気ダクト40内の排出空気及び未使用水素ガ
スを冷却する熱交換器であっても良い。
Further, the cooler 51 of the second embodiment is used.
Is not limited to the one using the Peltier element, but may be a heat exchanger that cools the exhaust air and unused hydrogen gas in the exhaust duct 40 with air or water.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上のように、請求項1に記載の発明に
係る燃料電池システムによれば、燃料電池からの排ガス
を排出するガス排出系に、このガス排出系内の排ガスの
熱及び水分を、アノード側ガス供給系内のアノード側ガ
スまたはカソード側ガス供給系内のカソード側ガスに回
収可能な全熱交換器が設置されたことから、排ガス中の
水分及び熱を回収して水の消費量を低減できると共に、
燃料電池を高効率に動作させることができる。特に低外
気温下での起動の際、電池温度を早く上昇させ、燃料電
池の始動性を向上させることができる。
As described above, according to the fuel cell system according to the first aspect of the present invention, the heat and moisture of the exhaust gas in the gas exhaust system are supplied to the gas exhaust system for exhausting the exhaust gas from the fuel cell. Since a total heat exchanger capable of recovering the anode gas in the anode gas supply system or the cathode gas in the cathode gas supply system is installed, the water and heat in the exhaust gas are recovered to recover water. While reducing consumption,
The fuel cell can be operated with high efficiency. In particular, at the time of startup under a low outside air temperature, the battery temperature can be quickly raised, and the startability of the fuel cell can be improved.

【0049】請求項2に記載の発明に係る燃料電池シス
テムによれば、燃料電池からの排ガスを排出するガス排
出系に、排ガスの温度を露点以下に設定可能な冷却器が
配置されて、この排ガス中の水分が加湿水供給系に回収
可能に構成されたことから、排ガス中の水分を回収して
水の消費量を低減できる。
According to the fuel cell system according to the second aspect of the present invention, a cooler capable of setting the temperature of the exhaust gas to a dew point or lower is arranged in the gas exhaust system for exhausting the exhaust gas from the fuel cell. Since the water in the exhaust gas can be recovered in the humidified water supply system, the water in the exhaust gas can be recovered and the water consumption can be reduced.

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

【図1】本発明に係る燃料電池システムの第一の実施の
形態を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.

【図2】図1の燃料電池を示す概略構成断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing the configuration of the fuel cell of FIG. 1;

【図3】本発明に係る燃料電池システムの第二の実施の
形態を構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram of a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 燃料電池システム 11 固体高分子型燃料電池 12 水素ガス供給系(アノード側ガス供給系) 13 空気供給系(カソード側ガス供給系) 14 加湿水供給系 30 ガス排出系 37 未使用水素ガス排出ライン 38 排出空気ライン 47 全熱交換器 50 燃料電池システム 51 冷却器 52 水回収ライン Reference Signs List 10 fuel cell system 11 polymer electrolyte fuel cell 12 hydrogen gas supply system (anode side gas supply system) 13 air supply system (cathode side gas supply system) 14 humidified water supply system 30 gas discharge system 37 unused hydrogen gas discharge line 38 Exhaust air line 47 Total heat exchanger 50 Fuel cell system 51 Cooler 52 Water recovery line

フロントページの続き (72)発明者 吉田 晶一 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 常川 庄司 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 新井 隆史 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 BA13 DD03 Continuation of the front page (72) Inventor Shoichi Yoshida 2-5-2-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Shoji Tsunekawa 2-5-2-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka No. Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Inventor Takashi Arai 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka F-term within Sanyo Electric Co., Ltd. 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 BA13 DD03

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アノード側ガス供給系からのアノード側
ガスと、カソード側ガス供給系からのカソード側ガスと
が燃料電池に供給されて、この燃料電池が電力を発生す
る燃料電池システムにおいて、 上記燃料電池からの排ガスを排出するガス排出系に、こ
のガス排出系内の排ガスの熱及び水分を、上記アノード
側ガス供給系内の上記アノード側ガスまたは上記カソー
ド側ガス供給系内の上記カソード側ガスに回収可能な全
熱交換器が設置されたことを特徴とする燃料電池システ
ム。
1. A fuel cell system in which an anode gas from an anode gas supply system and a cathode gas from a cathode gas supply system are supplied to a fuel cell, and the fuel cell generates electric power. The heat and moisture of the exhaust gas in the gas exhaust system are supplied to the gas exhaust system for exhausting the exhaust gas from the fuel cell by the anode side gas in the anode side gas supply system or the cathode side in the cathode side gas supply system. A fuel cell system comprising a total heat exchanger capable of recovering gas.
【請求項2】 アノード側ガス供給系からのアノード側
ガスと、カソード側ガス供給系からのカソード側ガス
と、加湿水供給系からの加湿水とが燃料電池に供給され
て、この燃料電池が電力を発生する燃料電池システムに
おいて、 上記燃料電池からの排ガスを排出するガス排出系に、上
記排ガスの温度を露点以下に設定可能な冷却器が配置さ
れて、この排ガス中の水分が上記加湿水供給系に回収可
能に構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
2. An anode-side gas from an anode-side gas supply system, a cathode-side gas from a cathode-side gas supply system, and humidification water from a humidification water supply system are supplied to a fuel cell. In a fuel cell system that generates electric power, a cooler capable of setting the temperature of the exhaust gas to a dew point or lower is disposed in a gas exhaust system that exhausts the exhaust gas from the fuel cell, and the moisture in the exhaust gas reduces the humidification water. A fuel cell system configured to be recoverable in a supply system.
【請求項3】 上記冷却器は、ペルチェ素子を用いた冷
却器であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池
システム。
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the cooler is a cooler using a Peltier element.
【請求項4】 上記アノード側ガス供給系は、水素ガス
を供給する水素ガス供給系であり、上記カソード側ガス
供給系は、空気を供給する空気供給系であることを特徴
とする請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池シス
テム。
4. The system according to claim 1, wherein the anode-side gas supply system is a hydrogen gas supply system for supplying hydrogen gas, and the cathode-side gas supply system is an air supply system for supplying air. 4. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
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