JP2002298880A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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JP2002298880A
JP2002298880A JP2001095428A JP2001095428A JP2002298880A JP 2002298880 A JP2002298880 A JP 2002298880A JP 2001095428 A JP2001095428 A JP 2001095428A JP 2001095428 A JP2001095428 A JP 2001095428A JP 2002298880 A JP2002298880 A JP 2002298880A
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JP
Japan
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pure water
fuel cell
flow path
temperature
temperature fluid
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Application number
JP2001095428A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Taniyama
剛 谷山
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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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 provide a fuel cell system having satisfactory startability. SOLUTION: This fuel system comprises a fuel cell stack 1 for supplying an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen to respective electrodes to generate power, a humidifier 2 for humidifying at least one of the anode gas and cathode gas supplied to the fuel cell stack 1, and a pure water passage 13a for supplying pure water to the humidifier 2. The pure water in the pure water passage is heated by forming a high-temperature fluid passage, for carrying the fluid discharged from the fuel cell stack 1 in contact with the pure water passage, whereby the temperature of the pure water at starting can be raised quickly.

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、燃料電池システム
の改良に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a fuel cell system.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、アノードに水素等の燃料
を、カソードに酸素等の酸化剤を供給し、各極間でこれ
らを電気化学的に反応させることにより、燃料の有する
化学的エネルギを電気エネルギに変換するもので、特に
電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子電解質
型燃料電池は、出力密度が高いこと、構造がシンプルな
ことや動作温度が比較的低いことなどの特徴を有してお
り、燃料電池の有望な構造として技術開発が行われてい
る。
2. Description of the Related Art In a fuel cell, a fuel such as hydrogen is supplied to an anode, and an oxidant such as oxygen is supplied to a cathode. Solid polymer electrolyte fuel cells, which use a polymer ion exchange membrane as the electrolyte, convert electricity into electrical energy.They have features such as high output density, simple structure, and relatively low operating temperature. The technology is being developed as a promising structure of a fuel cell.

【0003】固体高分子電解質型燃料電池の基本構成で
ある単位セル電池を図8を用いて説明すると、固体高分
子膜28を挟み込むようにアノード29とカソード30
が設置される。アノード29に燃料を供給する燃料ガス
供給溝31がアノード29とガス不透過性のアノードセ
パレータ33の間に形成されると共に、同様にカソード
32に酸化剤を供給する酸化剤ガス供給溝32がカソー
ド30とガス不透過性のカソードセパレータ34の間に
形成される。アノードセパレータ33の外側には水不透
過性の水セパレータ35が設けられ、さらに水セパレー
タ35に面してセルの温度を調整する冷却水を通過させ
る冷却水供給溝36が形成される。このようにして1つ
の単位セル37が構成される。
A unit cell battery, which is a basic configuration of a solid polymer electrolyte fuel cell, will be described with reference to FIG. 8. An anode 29 and a cathode 30 are sandwiched between a solid polymer membrane 28.
Is installed. A fuel gas supply groove 31 for supplying fuel to the anode 29 is formed between the anode 29 and the gas impermeable anode separator 33, and an oxidant gas supply groove 32 for similarly supplying an oxidant to the cathode 32 is It is formed between 30 and a gas impermeable cathode separator 34. A water impermeable water separator 35 is provided outside the anode separator 33, and a cooling water supply groove 36 is formed facing the water separator 35 and through which cooling water for adjusting the cell temperature passes. Thus, one unit cell 37 is configured.

【0004】次にセル内で生じる電気化学反応について
説明する。各電極に燃料としての水素と酸化剤としての
酸素を供給すると、以下の電気化学反応が生じ、起電力
を発生する。
Next, an electrochemical reaction occurring in the cell will be described. When hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant are supplied to each electrode, the following electrochemical reaction occurs to generate an electromotive force.

【0005】 アノード反応: H2→2H++2e- カソード反応: 2H++(1/2)O2+2e-→2H2O つまり、アノード29では水素が水素イオン(以下、プ
ロトンと称す)と電子に解離する。プロトンは固体高分
子膜を透過し、電子は図示しない外部回路を通ってカソ
ード30に移動する。
Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e Cathode reaction: 2H + + (1 /) O 2 + 2e → 2H 2 O That is, at the anode 29, hydrogen is converted into hydrogen ions (hereinafter, referred to as protons) and electrons. To dissociate. Protons pass through the solid polymer membrane, and electrons move to the cathode 30 through an external circuit (not shown).

【0006】カソード30では供給された酸素とプロト
ンと電子が反応して水を生成し、このとき外部回路を通
った電子が電流となり電力を供給することができる。生
成された水や反応に使用されなかった水素や酸素は排ガ
スとして各極から排出される。
At the cathode 30, the supplied oxygen, protons, and electrons react to generate water, and at this time, the electrons passing through the external circuit become electric current and can supply electric power. The generated water and the hydrogen and oxygen not used in the reaction are discharged from each electrode as exhaust gas.

【0007】単位セル当りの起電力は1V以下と小さい
ため、通常の燃料電池は数百セル程度積層し、直列に接
続した燃料電池スタックとして発電を行う。
[0007] Since the electromotive force per unit cell is as low as 1 V or less, a normal fuel cell stacks several hundred cells and generates power as a fuel cell stack connected in series.

【0008】なお固体高分子膜としては、パーフルオロ
ロカーボンスルホン酸が知られており、この膜は膜中に
含有する水分量が少なくなるとプロトンが透過しにくく
なり、燃料と酸化剤が混合し、発電が不可能となる。こ
のため固体高分子膜は飽和含水の状態を保つことが必要
となる。
[0008] Perfluorocarbon sulfonic acid is known as a solid polymer membrane. In this membrane, when the amount of water contained in the membrane becomes small, protons become difficult to permeate, and the fuel and the oxidizing agent are mixed. , Power generation becomes impossible. For this reason, it is necessary that the solid polymer membrane be kept in a saturated water-containing state.

【0009】また上述の電気化学反応時、プロトンが固
体高分子膜を透過すると燃料中の水分もカソード側に移
動するため、アノード側の高分子膜が乾燥する傾向を示
す。また供給される燃料および酸化剤中の水分量が少な
い場合でも固体高分子膜が乾燥する傾向となる。したが
って、固体高分子膜が所定の水分量を維持するように燃
料および酸化剤はあらかじめ加湿した状態で燃料に供給
される。
In addition, during the above-mentioned electrochemical reaction, when protons pass through the solid polymer membrane, water in the fuel also moves to the cathode side, so that the polymer membrane on the anode side tends to dry. Even when the amount of water in the supplied fuel and oxidant is small, the solid polymer membrane tends to dry. Therefore, the fuel and the oxidizing agent are supplied to the fuel in a humidified state so that the solid polymer film maintains a predetermined amount of water.

【0010】このような燃料電池を用いた従来技術とし
て特開平11−162490号公報の燃料電池システム
が知られており、これは燃料供給管および酸化剤供給管
の少なくとも一方に、水蒸気もしくは微粒化した水を供
給して、燃料および酸化剤をあらかじめ加湿し、これを
燃料電池に供給するようにしたものである。
As a prior art using such a fuel cell, a fuel cell system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-162490 is known, in which at least one of a fuel supply pipe and an oxidant supply pipe is provided with steam or atomized water. The fuel and the oxidizing agent are humidified in advance by supplying the water, and the humidifying agent is supplied to the fuel cell.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック
中、あるいは加湿器中の水に含まれる不純物の蓄積を防
止するために、さらに水の帯電によるシステム外への漏
電を防止するために燃料および酸化剤の加湿には純水を
用いるのが一般的であるが、燃料電池スタックの使用環
境温度が氷点下以下になる場合には純水が凍結し、燃料
電池システムが起動しない、あるいは解凍のため起動に
手間がかかるという問題がある。
However, in such a fuel cell system, in order to prevent the accumulation of impurities contained in water in the fuel cell stack or in the humidifier, the system is further charged by water charging. In general, pure water is used to humidify the fuel and oxidizer to prevent electric leakage to the fuel cell.However, when the operating environment temperature of the fuel cell stack falls below the freezing point, pure water freezes and the fuel There is a problem that the battery system does not start, or it takes time to start because of thawing.

【0012】そこで本発明の目的は、上記問題点を解決
する燃料電池システムを提供することである。
It is an object of the present invention to provide a fuel cell system which solves the above problems.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】第1の発明は、水素を含
むアノードガスと酸素を含むカソードガスとをそれぞれ
の極に供給して発電を行う燃料電池スタックと、前記燃
料電池スタックに供給するアノードガスとカソードガス
の少なくとも一方を加湿する加湿器と、前記加湿器への
純水の供給を行う純水流路と、を備えた燃料電池システ
ムにおいて、前記純水流路を流れる純水を燃料電池スタ
ックから排出された流体が流れる高温流体流路を前記純
水流路に接して形成することにより加熱するように構成
する。
According to a first aspect of the present invention, a fuel cell stack for generating electricity by supplying an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen to respective poles, and supplying the fuel cell stack to the fuel cell stack A fuel cell system comprising: a humidifier that humidifies at least one of an anode gas and a cathode gas; and a pure water flow path that supplies pure water to the humidifier. The high-temperature fluid flow path through which the fluid discharged from the stack flows is formed in contact with the pure water flow path to heat the stack.

【0014】第2の発明は、第1の発明において、前記
純水流路を流れる純水の流れ方向と純水を加熱する流体
の流れ方向とを相反する方向とする。
[0014] In a second aspect based on the first aspect, the flow direction of the pure water flowing through the pure water flow path and the flow direction of the fluid for heating the pure water are opposite to each other.

【0015】第3の発明は、第1または2に記載の発明
において、燃料電池スタックの温度を調整する冷却水を
前記高温流体流路に流す。
In a third aspect based on the first or second aspect, cooling water for adjusting the temperature of the fuel cell stack flows through the high-temperature fluid flow path.

【0016】第4の発明は、第1または2の発明におい
て、燃料電池スタックから排出された排ガスを前記高温
流体流路に流す。
In a fourth aspect based on the first or second aspect, the exhaust gas discharged from the fuel cell stack flows through the high-temperature fluid flow path.

【0017】第5の発明は、第1または2の発明におい
て、燃料電池スタックから排出された排ガスを燃焼し、
燃料から改質ガスを生成する改質器を設け、改質器から
排出される燃焼排ガスを前記高温流体流路に流す。
In a fifth aspect based on the first or second aspect, the exhaust gas discharged from the fuel cell stack is burned,
A reformer for generating reformed gas from fuel is provided, and combustion exhaust gas discharged from the reformer flows through the high-temperature fluid flow path.

【0018】第6の発明は、第1から5のいずれか一つ
の発明において、前記高温流体流路から分岐して純水の
加熱に不要な高温流体を外部に排出する排出用流路と、
前記加湿器の純水入口の近傍に設けられ、純水の温度を
検出する温度検出手段と、前記高温流体流路の分岐に設
置されて排出用流路への高温流体の流量を制御する流量
制御弁と、前記温度検出手段の検出結果と加湿器への要
求条件に基づき前記流量制御弁を制御するコントロール
ユニットとを備える。
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects of the present invention, there is provided a discharge channel for branching off the high-temperature fluid channel and discharging a high-temperature fluid unnecessary for heating the pure water to the outside,
A temperature detecting means provided near the pure water inlet of the humidifier for detecting the temperature of the pure water, and a flow rate provided at a branch of the high temperature fluid flow path to control the flow rate of the high temperature fluid to the discharge flow path A control unit for controlling the flow rate control valve based on a detection result of the temperature detecting means and a requirement for a humidifier.

【0019】第7の発明では、第1から6のいずれか一
つの発明において、純水流路と高温流体流路とを二重管
構造として、内側の管内に純水を流し、内側管と外側管
との間に高温流体を流す流路構成とする。
According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the pure water flow path and the high-temperature fluid flow path have a double pipe structure, and pure water flows through the inner pipe and the inner pipe and the outer pipe. A flow path configuration in which a high-temperature fluid flows between the pipe and the pipe.

【0020】第8の発明では、第1から6のいずれか一
つの発明において、純水流路の外周を取り囲むように複
数の高温流体流路を設置する。
In an eighth aspect based on any one of the first to sixth aspects, a plurality of high-temperature fluid flow paths are provided so as to surround the outer periphery of the pure water flow path.

【0021】[0021]

【発明の効果】第1の発明では、発電を行う燃料電池ス
タックから排出される流体が流れる高温流体流路を前記
純水流路に接して形成することによりアノードガスとカ
ソードガスの少なくとも一方を加湿する純水を加熱する
構成としたので、外気温度が氷点下以下でも加湿器での
純水の凍結を抑制、あるいは解凍を素早く行うことがで
き、結果として、加湿器への純水の供給を安定的に行う
ことができ、外気温度に影響されず燃料電池スタックで
の反応や起動性の向上を図れる。
According to the first aspect of the present invention, at least one of the anode gas and the cathode gas is humidified by forming a high-temperature fluid flow path through which the fluid discharged from the fuel cell stack for generating power flows in contact with the pure water flow path. Pure water is heated, so even if the outside air temperature is below the freezing point, it is possible to suppress the freezing of the pure water in the humidifier or to quickly thaw it, resulting in a stable supply of pure water to the humidifier. The reaction and start-up of the fuel cell stack can be improved without being affected by the outside air temperature.

【0022】第2の発明では、純水流路を流れる純水の
流れ方向と純水を加熱する流体の流れ方向とを相反する
方向としたので、高温流体の熱を効率よく純水に伝達す
ることができる。
In the second aspect, since the flow direction of the pure water flowing through the pure water flow path is opposite to the flow direction of the fluid for heating the pure water, the heat of the high-temperature fluid is efficiently transmitted to the pure water. be able to.

【0023】第3の発明では、燃料電池スタックの温度
を調整する冷却水を前記高温流体流路に流すことによ
り、燃料電池スタックの反応熱を冷却水を介して純水の
加熱に利用することができ、燃料電池システムとしての
効率の向上を図ることができる。
In the third aspect, the reaction heat of the fuel cell stack is used for heating pure water through the cooling water by flowing cooling water for adjusting the temperature of the fuel cell stack through the high-temperature fluid flow path. Thus, the efficiency of the fuel cell system can be improved.

【0024】第4の発明では、燃料電池スタックから排
出された排ガスを前記高温流体流路に流すことにより、
燃料電池システム中、最も高温の排ガスを用いることに
より、起動時等の純水の解凍を素早く行え、結果として
燃料電池システムの起動時間を大幅に短縮することがで
きる。
In the fourth invention, the exhaust gas discharged from the fuel cell stack is caused to flow through the high-temperature fluid flow path,
By using the hottest exhaust gas in the fuel cell system, pure water can be quickly thawed at the time of startup or the like, and as a result, the startup time of the fuel cell system can be greatly reduced.

【0025】第5の発明では、燃料電池スタックから排
出された排ガスを燃焼し、燃料から改質ガスを生成する
改質器を設け、改質器から排出される燃焼排ガスを前記
高温流体流路に流すことにより、排ガス中の未燃成分を
燃焼してこの燃焼ガスによって純水を加熱することがで
き、燃料電池システムの効率を向上することができる。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a reformer which burns the exhaust gas discharged from the fuel cell stack and generates a reformed gas from the fuel, and transfers the combustion exhaust gas discharged from the reformer to the high-temperature fluid flow path. In this way, the unburned components in the exhaust gas can be burned, and the pure gas can be heated by the combustion gas, so that the efficiency of the fuel cell system can be improved.

【0026】第6の発明では、前記高温流体流路から分
岐して純水の加熱に不要な高温流体を外部に排出する排
出用流路と、前記加湿器の純水入口の近傍に設けられ、
純水の温度を検出する温度検出手段と、前記高温流体流
路の分岐に設置されて排出用流路への高温流体の流量を
制御する流量制御弁と、前記温度検出手段の検出結果と
加湿器への要求条件に基づき前記流量制御弁を制御する
コントロールユニットとを備えることにより、燃料電池
システムの運転条件や外気温度に影響されず、加湿器の
性能を最大限に発揮することができ、結果として燃料電
池システムとしての効率を向上することができる。
In the sixth aspect of the present invention, a discharge channel for branching off from the high-temperature fluid flow path and discharging a high-temperature fluid unnecessary for heating the pure water to the outside, and a vicinity of the pure water inlet of the humidifier are provided. ,
Temperature detection means for detecting the temperature of pure water; a flow control valve installed at a branch of the high-temperature fluid flow path to control the flow rate of the high-temperature fluid to the discharge flow path; and a detection result of the temperature detection means and humidification. A control unit that controls the flow control valve based on the requirements for the humidifier, without being affected by the operating conditions and the outside air temperature of the fuel cell system, it is possible to maximize the performance of the humidifier, As a result, the efficiency of the fuel cell system can be improved.

【0027】第7の発明では、純水流路と高温流体流路
とを二重管構造として、内側の管内に純水を流し、内側
管と外側管との間に高温流体を流す流路構成とすること
で、高温流体の熱を効率よく純水に伝達することがで
き、燃料電池システムの効率向上を図ることができる。
In the seventh invention, a pure water flow path and a high-temperature fluid flow path have a double pipe structure, and a flow path structure in which pure water flows in the inner pipe and high-temperature fluid flows between the inner pipe and the outer pipe. By doing so, the heat of the high-temperature fluid can be efficiently transmitted to the pure water, and the efficiency of the fuel cell system can be improved.

【0028】第8の発明では、純水流路の外周を取り囲
むように複数の高温流体流路を設置することにより、純
水流路と高温流体流路との流路構成を製造容易に構成す
ることができ、燃料電池システムのコスト低減に役立
つ。
According to the eighth aspect of the present invention, a plurality of high-temperature fluid flow paths are provided so as to surround the outer periphery of the pure water flow path, so that the flow path structure between the pure water flow path and the high-temperature fluid flow path can be easily manufactured. To help reduce the cost of the fuel cell system.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池システム
の構成を添付図面に基づいて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The configuration of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0030】図1は本発明の第1実施形態の構成を説明
する図である。本燃料電池システムは燃料と空気から発
電を行う燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1に
供給される燃料と空気の加湿を行う加湿器2と、燃料電
池スタック1を冷却するための水を貯蔵する水タンク1
1と、加湿器2に供給される純水を貯める純水タンク1
4と、各構成要素間を連通する流路から構成される。
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the first embodiment of the present invention. This fuel cell system stores a fuel cell stack 1 that generates power from fuel and air, a humidifier 2 that humidifies the fuel and air supplied to the fuel cell stack 1, and stores water for cooling the fuel cell stack 1. Water tank 1
1 and a pure water tank 1 for storing pure water supplied to the humidifier 2
4 and a flow path communicating between the constituent elements.

【0031】加湿器2には空気を供給する空気供給流路
3と燃料を供給する燃料供給流路4とが接続されると共
に、これら燃料と空気を加湿する純水を純水タンク14
から供給するための純水流路12aが接続される。加湿
器2から排出される純水は排純水流路12bを通って純
水タンク14に戻ることで、純水は循環する。
The humidifier 2 is connected to an air supply passage 3 for supplying air and a fuel supply passage 4 for supplying fuel, and a pure water tank 14 for humidifying the fuel and air.
Is connected to a pure water flow path 12a. Pure water discharged from the humidifier 2 returns to the pure water tank 14 through the discharged pure water channel 12b, so that the pure water circulates.

【0032】加湿器2においてそれぞれ独立して加湿さ
れた燃料と空気は加湿空気流路5と加湿燃料流路6を通
って燃料電池スタック1のアノードおよびカソードに供
給される。燃料電池スタック1に供給された燃料と空気
は発電後、排ガスとして空気排出流路7と燃料ガス排出
流路8から外部に排出される。
The fuel and air humidified independently in the humidifier 2 are supplied to the anode and the cathode of the fuel cell stack 1 through the humidified air flow path 5 and the humidified fuel flow path 6. After power generation, the fuel and air supplied to the fuel cell stack 1 are exhausted as exhaust gas from the air exhaust passage 7 and the fuel gas exhaust passage 8 to the outside.

【0033】上述した反応に伴って加熱した燃料電池ス
タック1を冷却するために水タンク11から冷却水を供
給する冷却水流路9aが燃料電池スタック1に連通し、
冷却後の冷却水が通過する排冷却水流路(高温流体流路)
9bは純水流路12a、排純水流路12bの流れ方向と
反する向きに冷却水が流れるように、かつ純水流路12
a、排純水流路12bおよび純水タンク14と接するよ
うに形成される。排冷却水流路9bは純水流路12a、
排純水流路12bと接することにより排冷却水の熱を純
水に伝達して純水の温度を高めるように構成するもの
で、接する長さが長い方が好ましいのは言うまでもな
い。そのため本実施形態では、加湿器2の純水入口部に
できるだけ近くから排冷却水流路9bは純水流路12a
に接するよう構成される。冷却水は、排冷却水流路9b
から水タンク11に戻され、循環するようになってい
る。なお冷却水流路9aには循環ポンプ10が設置され
る。
A cooling water passage 9a for supplying cooling water from a water tank 11 for cooling the fuel cell stack 1 heated in accordance with the above-mentioned reaction communicates with the fuel cell stack 1,
Exhaust cooling water passage (high-temperature fluid passage) through which cooling water after cooling passes
9b is a flow passage for cooling water flowing in a direction opposite to the flow direction of the pure water flow path 12a and the exhaust pure water flow path 12b.
a, it is formed so as to be in contact with the pure water flow passage 12 b and the pure water tank 14. The exhaust cooling water channel 9b is a pure water channel 12a,
The configuration is such that the heat of the exhaust cooling water is transferred to the pure water by contact with the exhaust pure water flow path 12b to increase the temperature of the pure water, and it is needless to say that the contact length is preferably longer. Therefore, in the present embodiment, the exhaust cooling water flow path 9b is connected to the pure water flow path 12a from as close as possible to the pure water inlet of the humidifier 2.
Is configured to be in contact with The cooling water is supplied to the exhaust cooling water passage 9b.
From the water tank 11 and circulates. Note that a circulation pump 10 is provided in the cooling water passage 9a.

【0034】次に図2に示す排冷却水流路9bと、これ
に接する純水流路12aおよび排純水流路12bとの構
成の一例を説明する。これは1本のパイプ16の内部を
伝熱隔壁15によって2つの空間に仕切り、2つの空間
それぞれを排冷却水流路9bと純水流路12a、排純水
流路12bとして用いるものである。
Next, an example of the configuration of the exhaust cooling water channel 9b shown in FIG. 2, and the pure water channel 12a and the exhaust pure water channel 12b that are in contact therewith will be described. In this case, the inside of one pipe 16 is partitioned into two spaces by a heat transfer partition 15, and each of the two spaces is used as an exhaust cooling water passage 9b, a pure water passage 12a, and an exhaust pure water passage 12b.

【0035】このように構成されて、前述のように冷却
水と純粋の流れ方向は相反する方向なので、伝熱隔壁1
5を介して冷却水の熱が純水に伝達されやすく、また伝
熱隔壁15の冷却水と純水の接触面積が大きく確保され
るので、効率よく冷却水の熱を純水に伝達することがで
きる。したがって外気温度が氷点下以下でも加湿器2の
特に純水入口付近の純水の凍結を抑制、あるいは解凍を
素早く行うことができ、結果として、加湿器2への純水
の供給を安定的に行うことができ、外気温度に影響され
ず燃料電池スタック1での反応や起動性の向上を図れ
る。
With the above configuration, the flow directions of the cooling water and the pure water are opposite to each other as described above.
5, the heat of the cooling water is easily transmitted to the pure water, and the contact area between the cooling water and the pure water in the heat transfer partition 15 is large, so that the heat of the cooling water can be efficiently transmitted to the pure water. Can be. Therefore, even when the outside air temperature is below the freezing point, the freezing of the pure water in the humidifier 2, especially near the pure water inlet, can be suppressed or the thawing can be quickly performed. Therefore, the reaction and the startability of the fuel cell stack 1 can be improved without being affected by the outside air temperature.

【0036】図3に示す第2の実施形態について説明す
る。これは純水に熱を供給する熱源として第1実施形態
の冷却水の代わりに燃料電池スタック1から排出される
排空気を用いるものである。
Next, a second embodiment shown in FIG. 3 will be described. This uses exhaust air discharged from the fuel cell stack 1 instead of the cooling water of the first embodiment as a heat source for supplying heat to pure water.

【0037】図3の構成を説明すると、ここではアノー
ドから排出される排空気によって純水を加熱する構成を
示しており、排空気が流れる空気流路7が純水流路12
a、12bと接するように構成される。一方、冷却水流
路9は燃料電池スタック1を冷却した冷却水を水タンク
11に直接戻すように構成される。なお排空気の流れ方
向と純水の流れ方向が相反する方向であることは第1実
施形態と同様である。
The configuration of FIG. 3 will be described. Here, a configuration is shown in which pure water is heated by exhaust air discharged from the anode.
a, 12b. On the other hand, the cooling water passage 9 is configured to directly return the cooling water that has cooled the fuel cell stack 1 to the water tank 11. Note that the flow direction of the exhaust air and the flow direction of the pure water are opposite to each other, as in the first embodiment.

【0038】このような構成とすることで、起動時等シ
ステムの温度が低い状態からでも速やかに昇温すること
ができ、さらに燃料電池システム中でもっとも高温とな
る燃料電池スタック1からの排空気によって純水を加熱
するので、外気温氷点下以下からの起動時などの純水解
凍に要する時間を短縮し、燃料電池システムの起動時間
を短縮することができる。
With such a configuration, the temperature can be quickly raised even when the temperature of the system is low, such as at the time of startup, and the exhaust air from the fuel cell stack 1, which has the highest temperature in the fuel cell system, can be obtained. Since the pure water is heated by this, the time required for defrosting the pure water at the time of starting from below the freezing point of the outside temperature can be shortened, and the starting time of the fuel cell system can be shortened.

【0039】図4に示す第3実施形態は、燃料電池シス
テムとして改質ガスを生成しこれを用いて発電する改質
型の燃料電池システムを用い、これに本発明を適用した
ものである。
In the third embodiment shown in FIG. 4, a reforming type fuel cell system which generates a reformed gas and generates electric power using the reformed gas is used as the fuel cell system, and the present invention is applied to this.

【0040】図3に示した第2実施形態と構成を比較す
ると、本実施形態は燃料電池スタック1の下流に改質器
18を設置した点および改質器18から排出された燃焼
排ガスによって純水が加熱される点が異なる。詳しく説
明すると、改質器18は触媒反応部18aと燃焼バーナ
部18bから構成され、燃料電池スタック1から排出さ
れた排ガスは流路7、8を通じて燃焼バーナ18bに送
られて、燃焼する。この燃焼排ガスの燃焼熱によって改
質前燃料供給流路17から触媒反応部18aに供給され
た燃料が改質反応部18aの触媒による改質反応を生
じ、水素リッチの改質ガスとして燃料供給流路4に導入
され、加湿器2を介して燃料電池1での発電に用いられ
る。
Comparing the configuration with the second embodiment shown in FIG. 3, this embodiment is characterized in that the reformer 18 is provided downstream of the fuel cell stack 1 and the combustion exhaust gas discharged from the reformer 18 is pure. The difference is that the water is heated. More specifically, the reformer 18 includes a catalytic reaction section 18a and a combustion burner section 18b, and the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 1 is sent to the combustion burner 18b through the passages 7 and 8 and burns. The fuel supplied from the pre-reformation fuel supply passage 17 to the catalytic reaction section 18a by the combustion heat of the combustion exhaust gas causes a reforming reaction by the catalyst of the reforming reaction section 18a, and the fuel supply flow as a hydrogen-rich reformed gas. The fuel is introduced into the passage 4 and is used for power generation in the fuel cell 1 through the humidifier 2.

【0041】一方、触媒反応部18aで改質前燃料を加
熱した燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路19から外部に排
出されるが、この燃焼排ガス流路19は純水流路12a
と排純水流路12bと接するように、かつそれぞれの流
れ方向が相反するように構成されており、燃焼排ガスの
熱が純水に伝達されることよって純水が加熱されるよう
に構成される。
On the other hand, the combustion exhaust gas, which has heated the fuel before reforming in the catalytic reaction section 18a, is discharged to the outside from the combustion exhaust gas passage 19, and the combustion exhaust gas passage 19 is connected to the pure water passage 12a.
And the exhausted pure water flow path 12b, and the flow directions thereof are opposite to each other, and the pure water is heated by transferring the heat of the combustion exhaust gas to the pure water. .

【0042】したがって第3実施形態においては第2実
施形態の効果に加えて、燃料電池スタック1から排出さ
れた排ガスを燃焼させ、排ガス中の未燃成分の有するエ
ネルギを用いて改質反応を促進させると共に、純水を加
熱させるようにしたので改質型燃料電池システムの効率
を向上することができる。
Therefore, in the third embodiment, in addition to the effect of the second embodiment, the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 1 is burned, and the reforming reaction is promoted by using the energy of the unburned components in the exhaust gas. In addition, since the pure water is heated, the efficiency of the reforming fuel cell system can be improved.

【0043】図5は第4の実施形態を示し、この実施形
態は第2実施形態の構成に対して、燃料電池スタック1
下流の空気排出流路7aが排空気によって純水を加熱す
るための加熱用流路7bと、排空気をそのまま外部に排
出するための排出用流路7cに分岐するように構成し、
この分岐位置に三方弁(流量制御弁)22を設置し、この
三方弁22を調整することで加熱用流路7bと排出用流
路7cとを流れる排空気のそれぞれの流量を制御するよ
うにしたものである。なお、本実施形態では排空気を用
いて説明したが、第1、第3実施形態に示したように冷
却水や燃焼排ガスを用いてもよい。
FIG. 5 shows a fourth embodiment. This embodiment is different from the second embodiment in the configuration of the fuel cell stack 1.
The downstream air discharge channel 7a is configured to branch into a heating channel 7b for heating the pure water by the exhaust air and a discharge channel 7c for discharging the exhaust air to the outside as it is,
At this branch position, a three-way valve (flow control valve) 22 is installed, and by adjusting the three-way valve 22, the respective flow rates of the exhaust air flowing through the heating flow path 7b and the discharge flow path 7c are controlled. It was done. Although the present embodiment has been described using exhaust air, cooling water or combustion exhaust gas may be used as shown in the first and third embodiments.

【0044】加湿器2の純水入口部上流の純水流路12
aには純水流路12aを流れる純水の温度を検出する温
度センサ21が設けられ、この温度センサ21の検出結
果はコントロールユニット23に送られ、この温度と燃
料電池スタックの発電要求値から定まる加湿器22の要
求加湿条件に基づきコントロールユニット23が三方弁
2の開度を推定し、この推定した開度となるように三方
弁22の開度を制御する。
The pure water flow path 12 upstream of the pure water inlet of the humidifier 2
a is provided with a temperature sensor 21 for detecting the temperature of the pure water flowing through the pure water flow path 12a, and the detection result of the temperature sensor 21 is sent to the control unit 23, which is determined from the temperature and the power generation request value of the fuel cell stack. The control unit 23 estimates the opening of the three-way valve 2 based on the required humidification condition of the humidifier 22, and controls the opening of the three-way valve 22 so as to reach the estimated opening.

【0045】したがって純水を加熱する排空気の流量を
加湿器2に流入する純水の温度と加湿器2の目標加湿度
に基づき調整することができ、加湿器2に流入する純水
の温度を最適な温度に制御することが可能となり、燃料
電池システムの運転条件や外気温度に影響されず、加湿
器2の性能を最大限に発揮することができ、結果として
燃料電池システムとしての効率を向上することができ
る。
Therefore, the flow rate of the exhaust air for heating the pure water can be adjusted based on the temperature of the pure water flowing into the humidifier 2 and the target humidification of the humidifier 2. Can be controlled to an optimum temperature, the performance of the humidifier 2 can be maximized without being affected by the operating conditions of the fuel cell system and the outside air temperature, and as a result, the efficiency of the fuel cell system can be improved. Can be improved.

【0046】図6は図2に示した排冷却水流路9bと、
これに接する純水流路12aおよび排純水流路12bの
流路構成の他の一例を示す。なお、第1から第4の実施
形態で説明したように純水を加熱する熱源としての流体
は排冷却水に限らず、したがって排冷却水流路9bを流
れる流体も排冷却水に限られることはない。
FIG. 6 shows the exhaust cooling water passage 9b shown in FIG.
Another example of the flow path configuration of the pure water flow path 12a and the drained pure water flow path 12b in contact therewith is shown. As described in the first to fourth embodiments, the fluid as the heat source for heating the pure water is not limited to the exhaust cooling water, and therefore, the fluid flowing through the exhaust cooling water passage 9b is not limited to the exhaust cooling water. Absent.

【0047】図6の構成では、排冷却水流路9bと、純
水流路12aおよび排純水流路12bとは二重管構造で
構成されており、内側に位置する内管24に加熱される
低温の純水または排純水を流し、外側に位置する外管2
5に純水を加熱する流体としての高温の排冷却水が流通
するように構成される。
In the configuration shown in FIG. 6, the exhaust cooling water passage 9b, the pure water passage 12a and the exhaust pure water passage 12b are formed in a double pipe structure. Of pure water or waste water, and the outer pipe 2
5 is configured such that high-temperature exhaust cooling water as a fluid for heating the pure water flows.

【0048】したがって純水および排純水を内管24全
周から加熱することができ、排冷却水の有する熱を効率
よく純水および排純水に伝達することができる。さらに
燃料電池システム停止後においては、純水および排純水
の放熱が熱容量の大きな排冷却水によって抑制されて、
純水および排純水の温度低下を遅らせることができ、純
水の温度を外気温より高い温度に長時間維持し、燃料電
池システム再始動時の純水の温度を高めることで、再始
動を容易に行える。純水および排純水の放熱を抑制する
ために、図6に示すように外管25の外周に断熱材26
を設けることも有効である。
Therefore, the pure water and the exhausted pure water can be heated from the entire circumference of the inner pipe 24, and the heat of the exhausted cooling water can be efficiently transmitted to the pure water and the exhausted pure water. Further, after the fuel cell system is stopped, the heat radiation of the pure water and the exhaust pure water is suppressed by the exhaust cooling water having a large heat capacity,
The temperature drop of pure water and exhaust water can be delayed, the temperature of pure water can be maintained at a higher temperature than the outside temperature for a long time, and the temperature of pure water at the time of restarting the fuel cell system can be restarted. Easy to do. As shown in FIG. 6, a heat insulating material 26 is provided around the outer tube 25 in order to suppress heat radiation of pure water and waste water.
Is also effective.

【0049】このように流路構成として二重管構造を採
用することで、流路構成を簡素化することができ、さら
に流路の強度が向上し、流路を構造部材として用いるこ
とができるため、構造部材の構成の簡素化や部品点数の
削減となる可能性がある。
By adopting the double pipe structure as the flow path configuration, the flow path configuration can be simplified, the strength of the flow path is further improved, and the flow path can be used as a structural member. Therefore, there is a possibility that the configuration of the structural member is simplified and the number of parts is reduced.

【0050】図7は流路構成の他の一例を示し、これは
純水及び排純水の流れる内管24の外周を排冷却水が流
れる複数のパイプ27によって取り囲むように構成した
ものである。また図7に示すように複数のパイプ27の
外周に断熱材26を設けてもよい。
FIG. 7 shows another example of the flow path configuration, which is configured so that the outer circumference of the inner pipe 24 through which pure water and exhausted pure water flows is surrounded by a plurality of pipes 27 through which exhaust cooling water flows. . Further, as shown in FIG. 7, a heat insulating material 26 may be provided on the outer periphery of the plurality of pipes 27.

【0051】したがって、1本の内管24の回りに複数
のパイプ27を接合することで製造が可能であり、二重
管構造に比べ、流路の製造方法を簡単化することがで
き、製造コストを低減することができる。
Therefore, it is possible to manufacture by joining a plurality of pipes 27 around one inner pipe 24, and it is possible to simplify the method of manufacturing the flow path as compared with the double pipe structure, Cost can be reduced.

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

【図1】本発明の第1実施形態を説明する燃料電池シス
テム概要図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system illustrating a first embodiment of the present invention.

【図2】同じく排冷却水流路と純水流路の流路構成を説
明する断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a flow path configuration of a waste cooling water flow path and a pure water flow path.

【図3】第2実施形態を説明する燃料電池システム概要
図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a fuel cell system illustrating a second embodiment.

【図4】第3実施形態を説明する燃料電池システム概要
図である。
FIG. 4 is a schematic diagram of a fuel cell system illustrating a third embodiment.

【図5】第4実施形態を説明する燃料電池システム概要
図である。
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a fuel cell system according to a fourth embodiment.

【図6】排冷却水流路と純水流路の流路構成の他の一例
を説明する断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating another example of the flow path configuration of the exhaust cooling water flow path and the pure water flow path.

【図7】排冷却水流路と純水流路の流路構成の他の一例
を説明する断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating another example of the flow path configuration of the exhaust cooling water flow path and the pure water flow path.

【図8】燃料電池スタックの内部構成を説明する概要図
である。
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an internal configuration of a fuel cell stack.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料電池スタック 2 加湿器 3 空気供給流路 4 燃料供給流路 5 加湿空気流路 6 加湿燃料流路 7 空気排出流路 8 燃料ガス排出流路 9a 冷却水流路 9b 排冷却水流路 11 水タンク 12a 純水流路 12b 排純水流路 14 純水タンク REFERENCE SIGNS LIST 1 fuel cell stack 2 humidifier 3 air supply flow path 4 fuel supply flow path 5 humidified air flow path 6 humidified fuel flow path 7 air discharge flow path 8 fuel gas discharge flow path 9 a cooling water flow path 9 b drain cooling water flow path 11 water tank 12a Pure water flow path 12b Drained pure water flow path 14 Pure water tank

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】水素を含むアノードガスと酸素を含むカソ
ードガスとをそれぞれの極に供給して発電を行う燃料電
池スタックと、 前記燃料電池スタックに供給するアノードガスとカソー
ドガスの少なくとも一方を加湿する加湿器と、 前記加湿器への純水の供給を行う純水流路と、を備えた
燃料電池システムにおいて、 前記純水流路を流れる純水を燃料電池スタックから排出
された流体が流れる高温流体流路を前記純水流路に接し
て形成することにより加熱するように構成したことを特
徴とする燃料電池システム。
1. A fuel cell stack for generating electricity by supplying an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen to respective poles, and humidifying at least one of the anode gas and the cathode gas supplied to the fuel cell stack. A humidifier, and a pure water flow path for supplying pure water to the humidifier, wherein the high-temperature fluid through which the fluid discharged from the fuel cell stack flows through the pure water flowing through the pure water flow path A fuel cell system characterized in that the flow path is heated by forming the flow path in contact with the pure water flow path.
【請求項2】前記純水流路を流れる純水の流れ方向と純
水を加熱する流体の流れ方向とを相反する方向とするこ
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 fuel cell system according to claim 1, wherein the flow direction of the pure water flowing through the pure water flow path and the flow direction of the fluid for heating the pure water are opposite to each other.
【請求項3】前記燃料電池スタックの温度を調整する冷
却水を前記高温流体流路に流すことを特徴とする請求項
1または2に記載の燃料電池システム。
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein cooling water for adjusting the temperature of the fuel cell stack flows through the high-temperature fluid flow path.
【請求項4】前記燃料電池スタックから排出された排ガ
スを前記高温流体流路に流すことを特徴とする請求項1
または2に記載の燃料電池システム。
4. The system according to claim 1, wherein the exhaust gas discharged from the fuel cell stack flows through the high-temperature fluid flow path.
Or the fuel cell system according to 2.
【請求項5】前記燃料電池スタックから排出された排ガ
スを燃焼し、燃料から改質ガスを生成する改質器を設
け、 この改質器から排出される燃焼排ガスを前記高温流体流
路に流すことを特徴とする請求項1または2に記載の燃
料電池システム。
5. A reformer that burns exhaust gas discharged from the fuel cell stack and generates reformed gas from fuel is provided, and the combustion exhaust gas discharged from the reformer flows through the high-temperature fluid flow path. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein:
【請求項6】前記高温流体流路から分岐して純水の加熱
に不要な高温流体を外部に排出する排出用流路と、 前記加湿器の純水入口の近傍に設けられ、純水の温度を
検出する温度検出手段と、 前記高温流体流路の分岐に設置されて排出用流路への高
温流体の流量を制御する流量制御弁と、 前記温度検出手段の検出結果と加湿器への要求条件に基
づき前記流量制御弁を制御するコントロールユニットを
備えたことを特徴とする請求項1から5のいずれか一つ
に記載の燃料電池システム。
6. A discharge passage branched from the high-temperature fluid flow passage and discharging a high-temperature fluid unnecessary for heating the pure water to the outside, and provided near a pure water inlet of the humidifier. Temperature detection means for detecting a temperature, a flow control valve installed at a branch of the high-temperature fluid flow path to control the flow rate of the high-temperature fluid to the discharge flow path, and a detection result of the temperature detection means and a humidifier. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a control unit that controls the flow control valve based on a required condition.
【請求項7】前記純水流路と高温流体流路とを二重管構
造として、内側の管内に純水を流し、内側管と外側管と
の間に高温流体を流す構成としたことを特徴とすること
を特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の燃
料電池システム。
7. A structure wherein the pure water flow path and the high temperature fluid flow path have a double pipe structure, in which pure water flows in an inner pipe and high temperature fluid flows between an inner pipe and an outer pipe. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein
【請求項8】前記純水流路の外周を取り囲むように複数
の高温流体流路を設置したことを特徴とする請求項1か
ら6のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
8. The fuel cell system according to claim 1, wherein a plurality of high-temperature fluid channels are provided so as to surround an outer periphery of the pure water channel.
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