JP2002313379A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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JP2002313379A JP2001112613A JP2001112613A JP2002313379A JP 2002313379 A JP2002313379 A JP 2002313379A JP 2001112613 A JP2001112613 A JP 2001112613A JP 2001112613 A JP2001112613 A JP 2001112613A JP 2002313379 A JP2002313379 A JP 2002313379A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To regulate the pressure different between the water and gas supplied to a humidifying means to a proper range while the increase in the driving force of a humidifying water pump is suppressed to a necessary minimum. SOLUTION: The fuel gas or oxidizer gas supplied through a gas supply pipe 3 is humidified by a humidifier 1. A passage 4 to supply water to the humidifier 1 is furnished with a pump 5 which sends the humidifying water while pressurizing it, and a place near the suction port of the pump 5 is communicated with the gas supply pipe 3 through a pressure tank 6. The pressure tank 6 keeps the humidifying water in its lower part at all times. Using a tank internal pressure regulating valve 7, a control unit 8 regulates at least either of the inflow and outflow of the gas to/from the tank 6 so that its internal pressure heightens as the system operating condition becomes with a higher load.

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、固体高分子電解質
を用いた燃料電池システムに係り、特に燃料ガスまたは
空気を加湿する加湿器用の水圧制御におけるエネルギ効
率を向上させ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 using a solid polymer electrolyte, and more particularly to a fuel cell system with improved energy efficiency in water pressure control for a humidifier for humidifying fuel gas or air.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は水素などの燃料と空気などの
酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のも
つ化学的エネルギを直接電気エネルギに変換する装置で
あり、近年家庭向けの定置式発電システムや、自動車等
移動体の動力源などへの利用が広がりつつある。その中
でも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、構造が単純な
こと、動作温度が比較的低いことなどの好ましい特徴が
多くあり、より一層の技術開発への期待が高まってい
る。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a device for directly converting chemical energy of fuel into electric energy by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen and an oxidant such as air. Applications for power generation systems and power sources for mobile objects such as automobiles are expanding. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a polymer ion exchange membrane as an electrolyte has many preferable features such as a high output density, a simple structure, and a relatively low operating temperature. Expectations for technology development are increasing.

【0003】このような従来の固体高分子電解質型燃料
電池(PEFC)における単位セル電池の構成を、図1
2を用いて説明する。すなわち、イオン導電性を有する
固体高分子膜28を挟んで、アノード電極29、カソー
ド電極30が配置され、アノード電極29に燃料ガスを
供給するための燃料ガス供給溝31、カソード電極30
に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝32、
それぞれの供給溝の外側には導電性を有するガス不透過
性のアノードセパレータ33、カソードセパレータ3
4、アノードセパレータ33のさらに外側には、導電性
を有するガスおよび水不透過性の水セパレータ35、発
電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、電
池スタック温度を適正に保つためのスタック冷却水を流
す冷却水供給溝36が配設されており、28〜36によ
って単位セル電池37が構成されている。
FIG. 1 shows the configuration of a unit cell battery in such a conventional solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC).
2 will be described. That is, an anode electrode 29 and a cathode electrode 30 are arranged with a solid polymer film 28 having ion conductivity interposed therebetween, and a fuel gas supply groove 31 for supplying a fuel gas to the anode electrode 29 and a cathode electrode 30.
Gas supply groove 32 for supplying an oxidant gas to the
Outside the supply grooves, a gas-impermeable anode separator 33 and a cathode separator 3 having conductivity are provided.
4. Further outside the anode separator 33, a conductive gas and water-impermeable water separator 35, a stack for removing excess heat generated by power generation to maintain a proper battery stack temperature. A cooling water supply groove 36 for flowing cooling water is provided, and a unit cell battery 37 is constituted by 28 to 36.

【0004】以上のような固体高分子電解質型燃料電池
においては、アノード電極29に燃料ガスを、カソード
電極30に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単にセル
電池の一対の電極間で電気化学反応により、以下のよう
に起電力が生じる。
In the above-mentioned solid polymer electrolyte fuel cell, when a fuel gas is supplied to the anode electrode 29 and an oxidizing gas is supplied to the cathode electrode 30, the electrochemical reaction simply occurs between the pair of electrodes of the cell battery. , An electromotive force is generated as follows.

【0005】[0005]

【数1】アノード反応:H→2H+2e カソード反応:2H+1/2O+2e→2HO すなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸
化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード
電極29に水素、カソード電極30に空気をそれぞれ供
給すると、アノード電極29では、供給された水素は水
素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高
分子膜28を通り、電子は外部回路を通って、それぞれ
カソード電極30に移動する。
[Number 1] anode reaction: H 2 → 2H + + 2e - cathodic reaction: 2H + + 1 / 2O 2 + 2e - → 2H 2 O In other words, usually, as the fuel gas of hydrogen is used, use air as an oxidant gas First, when hydrogen is supplied to the anode electrode 29 and air is supplied to the cathode electrode 30, the supplied hydrogen is dissociated into hydrogen ions and electrons at the anode electrode 29. Then, the hydrogen ions pass through the solid polymer membrane 28, and the electrons pass through the external circuit to the cathode electrode 30, respectively.

【0006】一方、カソード電極30においては、供給
された空気中の酸素と上記水素イオンと電子が反応して
水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流と
なり電力を供給することができる。つまり、アノード電
極29にカソード電極30においては、それぞれ上述し
た化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成された
水は未反応ガスと共に電池外に排出される。
On the other hand, in the cathode electrode 30, the oxygen in the supplied air, the hydrogen ions, and the electrons react to generate water. At this time, the electrons passing through the external circuit become current and can supply power. That is, the reaction represented by the above-described chemical reaction proceeds between the anode electrode 29 and the cathode electrode 30. The generated water is discharged out of the battery together with the unreacted gas.

【0007】ところで、単位セル電池37の起電力は1
V以下と低いため、通常の実用型燃料電池システムは、
数十〜数百枚の単位セル37を積層した電池スタックを
有し、この電池スタックによる発電を行なっている。
Incidentally, the electromotive force of the unit cell battery 37 is 1
V or less, the usual practical fuel cell system is
It has a battery stack in which several tens to hundreds of unit cells 37 are stacked, and power is generated by this battery stack.

【0008】以上のような固体高分子電解質型燃料電池
に使用されるイオン導電性を有する固体高分子膜28と
しては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロ
カーボンスルホン酸(Nafion:米国デュポン社)が知
られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基を
もち、飽和含水することによりイオン導電性電解質とし
て機能すると共に、燃料と酸化剤を分離する機能も有す
る。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高く
なり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバが発生し、
電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜
は飽和含水としておくことが望ましい。
[0008] As the solid polymer film 28 having the above-mentioned solid polymer electrolyte fuel ion conductivity for use in batteries, for example, a proton exchange membrane perfluorosulfonic b carbon sulfonic acid (Nafion R: DuPont Is known. This membrane has a hydrogen ion exchange group in the molecule and functions as an ion conductive electrolyte by containing saturated water, and also has a function of separating the fuel and the oxidant. Conversely, when the water content of the membrane decreases, the ionic resistance increases, and a crossover in which the fuel and the oxidant mix occurs,
Power generation with batteries becomes impossible. For this reason, it is desirable that the solid polymer membrane be saturated with water.

【0009】一方、発電によりアノード電極で分離した
水素イオンが固体高分子膜を通りカソード電極に移動す
る時に、水も一緒に移動するために、アノード電極側で
は固体高分子膜は乾燥する傾向にある。また、供給する
燃料又は空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの
反応ガス入り口付近で固体高分子膜は乾燥する傾向にあ
る。上記の理由から、固体高分子電解質型燃料電池に
は、予め加湿した燃料と酸化剤を供給することが一般的
に行われている。
On the other hand, when hydrogen ions separated at the anode electrode by power generation move through the solid polymer membrane to the cathode electrode, water also moves together, and the solid polymer membrane tends to dry on the anode electrode side. is there. Also, if the amount of water vapor contained in the supplied fuel or air is small, the solid polymer membrane tends to dry near the respective reaction gas inlets. For the above reasons, it is common practice to supply a pre-humidified fuel and an oxidizing agent to a polymer electrolyte fuel cell.

【0010】以上述べてきたような固体高分子電解質型
燃料電池システムの従来技術として、特開2000−3
48751号公報や、特開2000−188119号公
報に示されているものが知られている。これらは、燃料
供給管および酸化剤供給管の一方または両方に加湿手段
を設け、タンク内に貯蔵されている水を前記加湿手段に
供給することにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスを予め
加湿してから、燃料電池スタックに供給する構成になっ
ている。
As a prior art of the solid polymer electrolyte fuel cell system as described above, JP-A-2000-3
Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 48751 and 2000-188119 are known. These are provided with humidifying means in one or both of a fuel supply pipe and an oxidant supply pipe, and by supplying water stored in a tank to the humidifier, the fuel gas and the oxidant gas are humidified in advance. From the supply to the fuel cell stack.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のよ
うな従来の固体高分子電解質型燃料電池システムでは、
次のような問題点があった。
However, in the conventional solid polymer electrolyte fuel cell system as described above,
There were the following problems.

【0012】燃焼ガスおよび酸化剤ガスの加湿手段とし
て、一般的には高分子の膜を介してガスと水を接触させ
る方式を採っている。この方式では膜の両面の圧力差に
よる膜の劣化を防止するために、ガスと水の圧力差をあ
る所定の範囲に調整しなければならない。一般的にシス
テムの負荷が高くなっていくにつれてガスの圧力を高く
するが、加湿性能を維持するためだけの水量とした場合
には、水側の圧力の上昇の傾きはガスよりも緩いことが
多い。このため、水とガスとの圧力差を所定以内に保持
するために、加湿のための要求水量以上の量を加湿水ポ
ンプで送出する、または加湿水循環路の加湿器下流側に
絞り弁を設けてこれを閉じていくことで、水側の圧力を
高めることになる。よって結果として、加湿水ポンプの
駆動に必要以上のエネルギを消費させることになり、燃
料電池システム全体のエネルギ効率が向上しないという
問題点があった。
As a means for humidifying the combustion gas and the oxidizing gas, a method is generally employed in which the gas is brought into contact with water via a polymer film. In this method, the pressure difference between gas and water must be adjusted to a predetermined range in order to prevent deterioration of the film due to the pressure difference between both surfaces of the film. Generally, the gas pressure increases as the load on the system increases, but if the amount of water is sufficient to maintain humidification performance, the slope of the water-side pressure rise may be less gradual than that of gas. Many. For this reason, in order to keep the pressure difference between water and gas within a predetermined range, a humidifying water pump sends out an amount of water equal to or more than the required amount of water for humidification, or a throttle valve is provided downstream of the humidifier in the humidification water circulation path. Closing this will increase the pressure on the water side. Therefore, as a result, more energy is consumed than necessary for driving the humidifying water pump, and there is a problem that the energy efficiency of the entire fuel cell system is not improved.

【0013】本発明は上記従来の問題点に鑑み、システ
ムの運転負荷が高まり加湿手段に供給されるガス側の圧
力が高くなった場合でも、加湿水ポンプの駆動力の増加
を必要最低限に抑えながら、加湿手段に供給されるガス
と水の圧力差を適正な範囲に調節することができ、結果
としてシステム全体のエネルギ効率を高めることができ
る燃料電池システムを提供することを目的とする。
In view of the above problems, the present invention minimizes the increase in the driving force of the humidifying water pump even when the operating load of the system increases and the pressure on the gas side supplied to the humidifying means increases. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of adjusting the pressure difference between gas and water supplied to a humidifying unit to an appropriate range while suppressing the energy consumption, thereby increasing the energy efficiency of the entire system.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は上
記目的を達成するため、固体高分子からなる電解質膜が
燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくと
も一つ有する燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガ
スを供給する燃料供給管と、前記酸化剤極に酸化剤ガス
を供給する酸化剤供給管と、前記燃料ガスと酸化剤ガス
の両方または、どちらか一方を加湿する加湿手段と、前
記加湿手段に水を供給する加湿水供給管と、前記加湿手
段に供給する水を加圧しつつ送出する加湿水加圧手段を
備えた燃料電池システムにおいて、前記加湿水供給管の
前記加湿水加圧手段の吸入口付近と、燃料ガスあるいは
酸化剤ガスの配管とを連通させるとともに下部に常に加
湿水を保持するタンクと、前記タンクへのガスの流入又
は流出量の少なくともいずれか一方が制御可能な調整弁
と、システムの運転状態が高負荷になるにつれて、前記
タンクの内圧が高くなるように、前記調整弁の開度を調
整する制御手段と、を備えたことを要旨とする。
According to the first aspect of the present invention, at least one unit cell in which an electrolyte membrane made of a solid polymer is disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode is provided. A fuel cell stack, a fuel supply pipe for supplying a fuel gas to the fuel electrode, an oxidant supply pipe for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode, and / or one of the fuel gas and the oxidant gas A humidifying unit for humidifying one of the humidifying units, a humidifying water supply pipe for supplying water to the humidifying unit, and a humidifying water pressurizing unit for supplying water to the humidifying unit while pressurizing the water; A tank that connects the vicinity of the suction port of the humidifying water pressurizing means of the water supply pipe with a fuel gas or oxidizing gas pipe and that always holds the humidifying water at a lower portion thereof, and the amount of gas flowing into or out of the tank Less of And a control means for adjusting the opening of the control valve so that the internal pressure of the tank increases as the operating state of the system increases. Is the gist.

【0015】請求項2記載の発明は上記目的を達成する
ため、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記
タンクに、内部の圧力を外気に逃がすための圧力逃がし
弁を備えたことを要旨とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system according to the first aspect, wherein the tank is provided with a pressure relief valve for releasing internal pressure to the outside air. I do.

【0016】請求項3記載の発明は上記目的を達成する
ため、請求項1または請求項2記載の燃料電池システム
において、前記燃料供給管あるいは酸化剤供給管から前
記タンクへと配管を分岐する場所を、高圧燃料ガスボン
ベ出口付近、あるいは酸化剤としての空気を圧縮する空
気圧縮機出口付近に配置したことを要旨とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system according to the first or second aspect, wherein a pipe branches from the fuel supply pipe or the oxidant supply pipe to the tank. Is arranged near the outlet of the high-pressure fuel gas cylinder or near the outlet of the air compressor that compresses air as an oxidant.

【0017】請求項4記載の発明は上記目的を達成する
ため、請求項1ないし請求項3のいずれか1項記載の燃
料電池システムにおいて、前記タンクの内部圧力を検出
する圧力検出手段を備え、該圧力検出手段が検出した圧
力に基づいて前記制御手段が前記調整弁を制御すること
を要旨とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in order to achieve the above object, the fuel cell system according to any one of the first to third aspects further comprises a pressure detecting means for detecting an internal pressure of the tank, The gist is that the control means controls the regulating valve based on the pressure detected by the pressure detection means.

【0018】請求項5記載の発明は上記目的を達成する
ため、請求項1ないし請求項4のいずれか1項記載の燃
料電池システムにおいて、燃料電池システム内から回収
される水を溜める回収水タンクと前記タンクとを回収水
通路により連通させるとともに、該回収水通路に前記制
御手段の制御により開度調整可能な回収水調整弁を設
け、前記回収水タンクから直接系外に回収水を放出する
水放出弁を設けたことを要旨とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects, wherein a recovered water tank for storing water recovered from the fuel cell system is provided. And the tank are communicated with each other by a recovered water passage, and a recovered water adjusting valve whose opening can be adjusted under the control of the control means is provided in the recovered water passage, and the recovered water is discharged directly from the recovered water tank to the outside of the system. The point is that a water discharge valve is provided.

【0019】[0019]

【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、固体高分
子からなる電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置さ
れた単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタック
と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前
記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管と、前
記燃料ガスと酸化剤ガスの両方または、どちらか一方を
加湿する加湿手段と、前記加湿手段に水を供給する加湿
水供給管と、前記加湿手段に供給する水を加圧しつつ送
出する加湿水加圧手段を備えた燃料電池システムにおい
て、前記加湿水供給管の前記加湿水加圧手段の吸入口付
近と、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの配管とを連通させ
るとともに下部に常に加湿水を保持するタンクと、前記
タンクへのガスの流入又は流出量の少なくともいずれか
一方が制御可能な調整弁と、システムの運転状態が高負
荷になるにつれて、前記タンクの内圧が高くなるよう
に、前記調整弁の開度を調整する制御手段と、を備えた
ことにより、システムの運転中に負荷の要求値が高くな
り、前記加湿手段に供給されるガス側の圧力を高くする
場合でも、前記タンクの内圧を前記調整弁で高めること
で、加湿水循環路内の基準圧力を高くすることができ、
これにより高負荷化に対応する前記加湿水加圧手段での
揚程増加は、前記加湿手段における被加湿ガスへの加湿
性能を満足させる水量に対応する分だけで十分となる。
つまり、前記加湿水加圧手段の駆動力の増加を必要最低
限に抑えながら、前記加湿手段に供給されるガスと水の
圧力差を適正な範囲に調整することができ、結果として
システム全体のエネルギ効率を向上することができると
いう効果がある。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell stack having at least one unit cell in which an electrolyte membrane made of a solid polymer is disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode; A fuel supply pipe for supplying a fuel gas to an electrode, an oxidant supply pipe for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode, and humidifying means for humidifying both or one of the fuel gas and the oxidant gas, In a fuel cell system comprising: a humidification water supply pipe for supplying water to the humidification means; and a humidification water pressurization means for supplying water to the humidification means while pressurizing the water. A tank that connects the vicinity of the suction port of the pressure means to the fuel gas or oxidizing gas pipe and always holds the humidified water in the lower part, and at least one of the inflow and outflow of the gas into and from the tank can be controlled. Key tone A valve, and control means for adjusting the opening of the regulating valve so that the internal pressure of the tank increases as the operating state of the system increases. When the required value is increased and the pressure on the gas side supplied to the humidifying unit is increased, the reference pressure in the humidifying water circulation path can be increased by increasing the internal pressure of the tank with the adjusting valve,
As a result, an increase in the head by the humidifying water pressurizing means corresponding to an increase in load is sufficient only by an amount corresponding to the amount of water that satisfies the humidifying performance of the humidifying means to the gas to be humidified.
That is, the pressure difference between gas and water supplied to the humidifying unit can be adjusted to an appropriate range while suppressing the increase in the driving force of the humidifying water pressurizing unit to a minimum, and as a result, the entire system can be adjusted. There is an effect that energy efficiency can be improved.

【0020】又、運転負荷が高負荷から中〜低負荷に移
行する場合の、タンク内圧を下げる必要が生じた条件下
では、タンク内圧をガス供給管側へ徐々にリークして低
下させ、外部(大気)へ燃料ガス等をリークして燃費等
を悪化させることなく、同様の目的を達成することが出
来る。
Further, when the operating load shifts from a high load to a medium to low load, under conditions where it is necessary to lower the tank internal pressure, the tank internal pressure is gradually leaked to the gas supply pipe side to be reduced. The same purpose can be achieved without leaking fuel gas or the like to the (atmosphere) and deteriorating fuel efficiency and the like.

【0021】請求項2記載の発明によれば、請求項1の
発明の効果に加えて、前記タンクに、内部の圧力を外気
に逃がすための圧力逃がし弁を備えたことにより、シス
テムの運転状態や被加湿ガスの供給時の状態が変化した
場合でかつ、前記加圧タンク内圧を低下させるべき場合
に、前記圧力逃がし弁の開度を調整することで、目標の
タンク内圧まで素早く低下させることが可能となるた
め、システムの運転性がより良好となるという効果があ
る。
According to the second aspect of the present invention, in addition to the effects of the first aspect of the present invention, since the tank is provided with a pressure relief valve for releasing the internal pressure to the outside air, the operating state of the system is improved. Or when the state at the time of supply of the humidified gas changes, and when the internal pressure of the pressurized tank is to be reduced, by adjusting the opening of the pressure relief valve to quickly reduce the internal pressure of the tank to the target. Therefore, there is an effect that the operability of the system is further improved.

【0022】請求項3記載の発明によれば、請求項1ま
たは請求項2の発明の効果に加えて、前記燃料供給管あ
るいは酸化剤供給管から前記タンクへと配管を分岐する
場所を、高圧燃料ガスボンベ出口付近、あるいは酸化剤
としての空気を圧縮する空気圧縮機出口付近に配置した
ことにより、前記分岐部付近がガス流路中で最も高圧に
なる箇所であるために、前記タンクにガスを導入したと
きのタンク内圧の調整可能幅を最も広くすることがで
き、これにより前記加湿水加圧手段での揚程、つまり加
湿水量とは独立に制御可能な前記加湿手段への加湿水の
供給圧の幅を広くすることができるため、結果として幅
広いシステムの運転状態に適合させることができるとい
う効果がある。
According to the third aspect of the present invention, in addition to the effects of the first or second aspect of the present invention, the location where the pipe branches from the fuel supply pipe or the oxidant supply pipe to the tank is provided with a high pressure. By arranging it near the outlet of the fuel gas cylinder or near the outlet of the air compressor that compresses air as an oxidant, the vicinity of the branch is the highest pressure point in the gas flow path. The adjustable width of the tank internal pressure at the time of introduction can be maximized, whereby the head in the humidifying water pressurizing means, that is, the supply pressure of the humidifying water to the humidifying means can be controlled independently of the humidifying water amount Can be widened, and as a result, there is an effect that it can be adapted to a wide range of system operating conditions.

【0023】請求項4記載の発明によれば、請求項1な
いし請求項3の発明の効果に加えて、前記タンクの内部
圧力を検出する圧力検出手段を備え、該圧力検出手段が
検出した圧力に基づいて前記制御手段が前記調整弁を制
御することにより、前記タンク内圧を直接検出できるた
め、より正確な弁開度制御信号を前記調整弁に送出する
ことが可能となり、前記タンク内圧、つまり加湿水循環
路内の基準圧力の調整の精度を向上することができる。
結果としてシステムの運転性、エネルギ効率のさらなる
改善が期待できるという効果がある。
According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the effects of the first to third aspects, a pressure detecting means for detecting the internal pressure of the tank is provided, and the pressure detected by the pressure detecting means is provided. By controlling the regulating valve based on the, the tank internal pressure can be directly detected, it is possible to send a more accurate valve opening control signal to the regulating valve, the tank internal pressure, that is, The accuracy of adjustment of the reference pressure in the humidification water circulation path can be improved.
As a result, there is an effect that further improvement in operability and energy efficiency of the system can be expected.

【0024】請求項5記載の発明によれば、請求項1な
いし請求項4の発明の効果に加えて、燃料電池システム
内から回収される水を溜める回収水タンクと前記タンク
とを回収水通路により連通させるとともに、該回収水通
路に前記制御手段の制御により開度調整可能な回収水調
整弁を設け、前記回収水タンクから直接系外に回収水を
放出する水放出弁を設けたことにより、加湿水を蓄積し
ている前記タンク内の水の残量が少なくなった場合に、
システムの排気等などから凝縮して回収される水を前記
タンクに注ぎ足すことが可能となるため、システム全体
の水収支が良好になり、系外からの水の補給の必要性が
なくなるため、システムを運転するときの作業工数を大
幅に低減することができるという効果がある。
According to the fifth aspect of the present invention, in addition to the effects of the first to fourth aspects, a recovered water tank for storing water recovered from the fuel cell system and a recovered water passage are provided. The collected water passage is provided with a collected water adjusting valve whose opening can be adjusted by the control of the control means in the collected water passage, and a water discharge valve for discharging collected water directly from the collected water tank to the outside of the system is provided. When the remaining amount of water in the tank storing the humidification water is reduced,
Since water condensed and recovered from the exhaust of the system or the like can be poured into the tank, the water balance of the entire system is improved, and the necessity of supplying water from outside the system is eliminated. There is an effect that the number of operation steps when operating the system can be significantly reduced.

【0025】さらに必要以上の回収水が前記回収水タン
クに溜まった場合には、系外に捨てることもできるた
め、燃料電池システムを車両等に搭載するときに、総重
量を必要最低限に維持しつつ走行させることができるた
め、車両の運転性が向上し、燃費も低く抑えることがで
きるという効果がある。
Further, if more than necessary collected water accumulates in the collected water tank, it can be discarded outside the system. Therefore, when the fuel cell system is mounted on a vehicle or the like, the total weight is kept to a minimum. Therefore, it is possible to improve the drivability of the vehicle and reduce the fuel consumption.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明に係る燃
料電池システムの第一実施形態を示す概略構成図であ
り、請求項1記載の発明に対応する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention, and corresponds to the first aspect of the present invention.

【0027】同図において、燃料電池スタック2は、固
体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極との間に配置した
単電池を所望の出力電圧を得るために一つ以上積層した
燃料電池スタックである。加湿器1には、加湿水流路4
と燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通路となるガス供給管
3が接続されており、加湿器1で加湿されたガスが燃料
電池スタック2に供給される構成となっている。
In FIG. 1, a fuel cell stack 2 is a fuel cell stack in which at least one unit cell in which a solid polymer electrolyte membrane is disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode is stacked in order to obtain a desired output voltage. It is. The humidifier 1 has a humidifying water flow path 4
And a gas supply pipe 3 serving as a passage for a fuel gas or an oxidizing gas, and a gas humidified by the humidifier 1 is supplied to the fuel cell stack 2.

【0028】加湿器1に加湿水を送出するために、加湿
水流路4の循環系には加湿水加圧手段出である加湿水ポ
ンプ5が設けられ、ガスを加湿するにつれて減少してい
く水分を加湿水流路4に補充するために、加圧タンク6
内に蓄えられた水が、加湿水ポンプ5の吸入部付近に供
給されるようになっている。
A humidifying water pump 5 serving as a humidifying water pressurizing means is provided in a circulating system of the humidifying water flow path 4 to supply humidifying water to the humidifier 1. Pressurized tank 6 to replenish
The water stored therein is supplied to the vicinity of the suction portion of the humidifying water pump 5.

【0029】またガス供給管3と加圧タンク6の上部と
は、タンク内圧調整弁7を介して連通しており、タンク
内圧調整弁7はシステム運転時の負荷に応じて、制御手
段であるコントロールユニット8からの制御信号によっ
て開閉または開度が制御される。これにより、ガス供給
管3の圧力がタンク内圧調整弁7により調整されて加圧
タンク6に加えられるようになっている。
The gas supply pipe 3 and the upper part of the pressurized tank 6 communicate with each other via a tank internal pressure adjusting valve 7, and the tank internal pressure adjusting valve 7 is a control means according to the load during system operation. Opening / closing or opening is controlled by a control signal from the control unit 8. Thereby, the pressure of the gas supply pipe 3 is adjusted by the tank internal pressure adjusting valve 7 and applied to the pressurized tank 6.

【0030】図2は、本発明の第一実施形態における加
圧タンク内圧と運転負荷との関係を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the internal pressure of the pressurized tank and the operating load in the first embodiment of the present invention.

【0031】図2(a)より、負荷に対して燃料電池ス
タックに供給する反応ガス流量Qgasはほぼ比例の関係
があり、反応ガス流量Qgasと燃料電池スタックへのガ
ス供給圧Pgasともほぼ比例関係である。このことか
ら、結果的に負荷と反応ガス圧Pgasもほぼ比例関係に
あることが一般的である。
FIG. 2A shows that the flow rate of the reactant gas Qgas supplied to the fuel cell stack is substantially proportional to the load, and that the flow rate of the reactant gas Qgas is substantially proportional to the gas supply pressure Pgas to the fuel cell stack. It is. From this, as a result, it is general that the load and the reaction gas pressure Pgas are also substantially proportional to each other.

【0032】図2(b)より、負荷に対してガスを加湿
するのに必要な加湿水流量Qwaterもほぼ比例関係であ
り、加湿水流量Qwaterと加湿水ポンプの揚程(または
吐出圧)ΔPheadともほぼ比例関係である。このことか
ら、結果的に負荷と加湿水ポンプ揚程ΔPheadとの関係
もほぼ比例となるが、その傾きはガスの場合に比べて小
さくなることが多い。
From FIG. 2B, it can be seen that the humidifying water flow rate Qwater required to humidify the gas with respect to the load is substantially proportional to the humidifying water flow rate Qwater and the humidifying water pump head (or discharge pressure) ΔPhead. It is almost proportional. As a result, the relationship between the load and the humidification water pump head ΔPhead is almost proportional, but the slope is often smaller than that of gas.

【0033】図2(a),(b)の両方の図を重ねるこ
とで、ガス供給圧と加湿水供給圧の関係を示したものが
図2(c)である。加湿器1に供給される加湿水の圧力
はガスとの差圧を適正に保つために、ガス供給圧を基準
としたある許容差圧範囲内に収まる必要がある。しか
し、加湿に必要な水量だけを加湿水ポンプ5で送出する
場合には、図のように負荷が高くなるにつれて差圧が許
容範囲より下側に外れて、加湿水圧力がガス供給圧を大
きく下回ることになり、加湿器1を劣化させる可能性が
ある。
FIG. 2 (c) shows the relationship between the gas supply pressure and the humidification water supply pressure by superimposing both of FIGS. 2 (a) and 2 (b). The pressure of the humidifying water supplied to the humidifier 1 needs to fall within a certain allowable differential pressure range based on the gas supply pressure in order to properly maintain the differential pressure with the gas. However, when only the amount of water necessary for humidification is sent out by the humidification water pump 5, as shown in the figure, as the load increases, the differential pressure falls below the allowable range, and the humidification water pressure increases the gas supply pressure. Therefore, the humidifier 1 may be deteriorated.

【0034】そこで本発明では負荷が高くなるにつれ
て、図2(c)の破線ハッチングのように加圧タンク6
の内圧を高めるように、タンク内圧調整弁7の開度を調
整し、ガス供給管3からガスを加圧タンク6に送り込む
ことにより、ガス供給圧と加湿水圧力との差圧を許容範
囲内に収めている。
Therefore, according to the present invention, as the load increases, the pressure tank 6 as shown by the broken line in FIG.
The pressure difference between the gas supply pressure and the humidification water pressure is within an allowable range by adjusting the opening of the tank internal pressure adjusting valve 7 so as to increase the internal pressure of the tank and sending gas from the gas supply pipe 3 to the pressurized tank 6. In.

【0035】図3は、本発明の第一実施形態における加
湿水量と加湿水圧力の同時調整方法を説明する図であ
る。
FIG. 3 is a view for explaining a method for simultaneously adjusting the humidifying water amount and the humidifying water pressure in the first embodiment of the present invention.

【0036】図3(a)のように加湿水流量Qwaterは
加湿水のポンプ揚程ΔPheadとほぼ比例関係にあり、Δ
Pheadを変化させることで調整され、図2の(b)のよ
うに負荷とΔPheadは比例関係にあることが基本であ
る。しかしながら、スタック内部の固体高分子電解質膜
の湿り状態によっては、加湿水流量Qwaterを増減させ
る必要性が生じるときがある。この場合でも本発明によ
れば、図3(b)のように加湿器1への加湿水の供給圧
Pwaterは許容差圧範囲内に一定に保ちつつ、加圧タン
ク内圧Ptankと加湿水ポンプ揚程ΔPheadの配分を変化
させることができる。
As shown in FIG. 3A, the humidification water flow rate Qwater is substantially proportional to the humidification water pump head ΔPhead.
It is adjusted by changing Phead, and basically, the load and ΔPhead are in a proportional relationship as shown in FIG. 2B. However, depending on the wet state of the solid polymer electrolyte membrane inside the stack, it may be necessary to increase or decrease the humidification water flow rate Qwater. Even in this case, according to the present invention, the supply pressure Pwater of the humidifying water to the humidifier 1 is kept constant within the allowable differential pressure range as shown in FIG. The distribution of ΔPhead can be changed.

【0037】以上のような本実施形態の作用は以下の通
りである。すなわち、システムの負荷が高くなった場合
の加湿水量の調整は、加湿器1における加湿性能を維持
できる分だけとし、その加湿水量に対応する加湿水ポン
プ揚程で加湿水ポンプ5を運転するとともに、被加湿ガ
ス圧を基準とした許容差圧範囲内に加湿水供給圧が収ま
るように、加圧タンク内圧をタンク内圧調整弁7の開度
調整によって合わせる。また燃料電池スタック2の電解
質膜の湿り状態に応じて、ポンプ揚程を変化させて加湿
水供給量を変化させるとともに、加圧タンク内圧を調整
して加湿水供給圧をほぼ一定に保つ。
The operation of this embodiment as described above is as follows. That is, the adjustment of the humidifying water amount when the load on the system is increased is limited to the amount that can maintain the humidifying performance of the humidifier 1, and the humidifying water pump 5 is operated at the humidifying water pump lift corresponding to the humidifying water amount. The internal pressure of the pressurized tank is adjusted by adjusting the opening of the tank internal pressure adjusting valve 7 so that the humidified water supply pressure falls within the allowable differential pressure range based on the humidified gas pressure. Further, in accordance with the wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell stack 2, the pump head is changed to change the humidification water supply amount, and the pressure in the pressurized tank is adjusted to keep the humidification water supply pressure substantially constant.

【0038】逆に運転負荷が低くなった場合の加湿水量
の調整は上記の場合とは逆に、高くなったタンク内圧を
徐々に低下させるべくタンク内圧調整弁7の開度調整に
より加圧タンク6側からガス供給管3側へ圧力をリーク
させて、結果的に加湿水供給量を減少させる。即ちリリ
ーフ弁を適用せず、燃料や空気を系外に放出することな
く、燃費や効率を悪化させずに所望の加湿水の供給を制
御する。
Conversely, the adjustment of the amount of humidification water when the operating load is reduced is contrary to the above case, and the pressure of the pressurized tank is adjusted by adjusting the opening of the tank internal pressure adjusting valve 7 so as to gradually reduce the increased tank internal pressure. Pressure is leaked from the 6 side to the gas supply pipe 3 side, and as a result, the supply amount of humidification water is reduced. That is, the supply of desired humidification water is controlled without applying a relief valve, discharging fuel or air out of the system, and without deteriorating fuel efficiency and efficiency.

【0039】以上のような本実施形態によれば、システ
ムの負荷やスタック内部の膜の湿り状態が変化した場合
でも、加湿水加圧のための加湿水ポンプ5の駆動力の増
加を必要最低限に抑えながら、加湿器1に供給されるガ
スと水の圧力差を適正な範囲に調節することができ、結
果としてシステム全体のエネルギ効率が向上することが
できる。
According to this embodiment as described above, even if the load on the system or the wet state of the film inside the stack changes, the driving force of the humidifying water pump 5 for pressurizing the humidifying water should be increased to the minimum necessary. The pressure difference between the gas and the water supplied to the humidifier 1 can be adjusted to an appropriate range while keeping it to a minimum, and as a result, the energy efficiency of the entire system can be improved.

【0040】図4は、請求項2記載の発明に対応する、
本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態を示す概
略構成図であり、図1の第一実施形態の構成に対して異
なる部分のみを示したものである。
FIG. 4 corresponds to the second aspect of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention, and shows only parts different from the configuration of the first embodiment in FIG. 1.

【0041】本実施の形態は、前述の第一実施形態に対
し、加圧タンク6に、タンク内部の圧力を外気に逃がす
ための大気開放通路10と、この大気開放通路10を開
閉する圧力逃がし弁であるリリーフ弁9とが追加された
構成となっている。これにより、システム運転時の負荷
と吸気状態(被加湿ガス供給時の状態)に対応するタン
ク内圧の目標値が現状より低くなった場合に、リリーフ
弁9の開度を調整することで、目標のタンク内圧まで負
荷の急激な低下に伴い素早く低下させることができる。
This embodiment is different from the first embodiment in that the pressurized tank 6 has an atmosphere opening passage 10 for releasing the pressure inside the tank to the outside air, and a pressure relief opening and closing the atmosphere opening passage 10. A relief valve 9 as a valve is added. Thereby, when the target value of the tank internal pressure corresponding to the load during the system operation and the intake state (the state at the time of supplying the humidified gas) becomes lower than the current value, the opening degree of the relief valve 9 is adjusted to thereby achieve the target. To the tank internal pressure can be quickly reduced with a sudden decrease in load.

【0042】図5は、本発明の第二実施形態におけるリ
リーフ弁の動作と、加湿水圧力の調整方法を説明する図
である。
FIG. 5 is a view for explaining the operation of the relief valve and the method of adjusting the humidification water pressure in the second embodiment of the present invention.

【0043】特に酸化剤ガスとしての空気を外気から取
り込むという一般的な燃料電池システムの場合、システ
ムの運転中に吸気時の湿度が低くなった場合には、シス
テム負荷が同じであっても、加湿器1において空気を加
湿するための加湿水の要求量が増加することになる。
In particular, in the case of a general fuel cell system in which air as an oxidant gas is taken in from outside air, if the humidity during intake becomes low during operation of the system, even if the system load is the same, The required amount of humidifying water for humidifying the air in the humidifier 1 increases.

【0044】図5(a)によると、加湿水供給量をQwa
ter1→Qwater2にするためには、加湿水ポンプ5での揚
程をΔPhead1→ΔPhead2にしなければならない。この
とき加圧タンク6の内圧が同じであると、加湿器1へ供
給される加湿水圧Pwaterが高くなりすぎて、ガス圧力
を基準とした許容差圧範囲を超えてしまうおそれがあ
る。このため、本実施形態では、図5(b)のようにリ
リーフ弁9の開度を調整することで加圧タンク6の内圧
の一部を開放し、Ptank1→Ptank2に下げることで、P
tank2とΔPhead2との和である加湿水圧Pwaterはほぼ
一定に保持することが可能となる。
According to FIG. 5A, the supply amount of humidification water is Qwa
In order to make ter1 → Qwater2, the head of the humidification water pump 5 must be changed from ΔPhead1 to ΔPhead2. At this time, if the internal pressure of the pressurized tank 6 is the same, the humidification water pressure Pwater supplied to the humidifier 1 may become too high and exceed the allowable differential pressure range based on the gas pressure. For this reason, in the present embodiment, as shown in FIG. 5B, by adjusting the opening of the relief valve 9, a part of the internal pressure of the pressurized tank 6 is released, and the pressure is reduced from Ptank1 to Ptank2.
The humidification water pressure Pwater, which is the sum of tank2 and ΔPhead2, can be kept substantially constant.

【0045】図6は、本発明の第二実施形態におけるタ
ンク内圧と加湿水供給量を制御するためのフローチャー
トであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
FIG. 6 is a flowchart for controlling the tank internal pressure and the humidification water supply amount in the second embodiment of the present invention. The algorithm will be described below.

【0046】まず、ステップS11でシステムの運転状
態、吸気状態に対応する要求加湿水量と加湿水圧をコン
トロールユニット8にて算出して決定し、ステップS1
2に移って、現在の加湿水供給量Qwaterに対して増量
する必要性があるかどうかを判断する。増量の必要性が
ない場合は再びステップS11に戻るが、必要性がある
場合には次のステップS13に移る。ステップS13で
は加湿水供給量Qwaterを増量させるために加湿水ポン
プ揚程ΔPheadを増加させた場合に、加湿水供給圧力P
waterが許容差圧範囲内に収まるのかどうかについて判
定する。
First, in step S11, the required humidifying water amount and the humidifying water pressure corresponding to the operating state and the intake state of the system are calculated and determined by the control unit 8, and in step S1.
Moving to 2, it is determined whether it is necessary to increase the current humidification water supply amount Qwater. If there is no need to increase the amount, the process returns to step S11. If there is, the process proceeds to the next step S13. In step S13, when the humidification water pump head ΔPhead is increased to increase the humidification water supply amount Qwater, the humidification water supply pressure P
It is determined whether or not water falls within the allowable differential pressure range.

【0047】許容範囲内に収まるならば、次のステップ
S14にて必要分だけΔPheadを増加させてQwaterを
増量させる。ステップS13にて許容差圧範囲内から外
れると判定したときは、ステップS24にて空気ライン
と接続されているタンク内圧調整弁7を全閉にして遮断
し、ステップS25にてリリーフ弁9の開度を調整しな
がら、Pwaterがほぼ一定に保たれるようにポンプ揚程
ΔPheadを増加させていく。次いで、ステップS26に
て目標のΔPheadに到達したかを判定し、到達した場合
にのみステップS27に移ってリリーフ弁9を全閉にす
るとともに、ポンプ揚程ΔPheadの増加を停止する。
If it falls within the allowable range, in the next step S14, ΔPhead is increased by a necessary amount to increase Qwater. If it is determined in step S13 that the pressure is out of the allowable differential pressure range, the tank internal pressure adjusting valve 7 connected to the air line is fully closed and shut off in step S24, and the relief valve 9 is opened in step S25. While adjusting the degree, the pump head ΔPhead is increased so that Pwater is kept almost constant. Next, in step S26, it is determined whether or not the target ΔPhead has been reached. Only when the target ΔPhead has been reached, the process proceeds to step S27 to fully close the relief valve 9 and stop increasing the pump head ΔPhead.

【0048】本実施形態の作用のうち、第一実施形態と
異なるところは、次の通りである。上述の図6の制御フ
ローに従って、ガス供給圧を一定にした状態で加湿器1
への加湿水供給量を増加させる必要性が生じた場合に、
リリーフ弁9の開度と加湿水ポンプ5でのポンプ揚程を
同時に変化させることで対応させる。
The operation of this embodiment differs from that of the first embodiment in the following. According to the control flow of FIG. 6 described above, the humidifier 1 is kept at a constant gas supply pressure.
Need to increase the supply of humidified water to
The opening degree of the relief valve 9 and the pump head of the humidification water pump 5 are changed at the same time to cope with this.

【0049】以上のような本実施形態によれば、前述の
第一実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、シス
テムの負荷と吸気状態の関係により要求加湿水量が増加
した場合でも、目標のタンク内圧まで素早く低下させる
ことが可能となり、外的入力に対する追従性が向上する
ため、システムの運転性がより良好となる。
According to the present embodiment as described above, the same effects as those of the above-described first embodiment can be obtained. In addition, even when the required humidification water amount increases due to the relationship between the system load and the intake state, Since it is possible to quickly reduce the pressure to the target tank internal pressure and to improve the ability to follow an external input, the operability of the system is further improved.

【0050】図7は、請求項3記載の発明に対応する、
本発明の第三実施形態を示す概略構成図である。
FIG. 7 corresponds to the third aspect of the present invention.
It is a schematic structure figure showing a third embodiment of the present invention.

【0051】本実施の形態は、前述までの第一、第二実
施形態に対し、被加湿ガス供給管3から加圧タンク6へ
と配管を分岐する場所を、被加湿ガスを高圧ボンベ11
から供給する形式の場合は高圧ボンベ出口付近、被加湿
ガスを圧縮機11で圧縮して加圧供給する形式の場合は
ガスの圧縮機出口付近に配置させていることが特徴であ
り、それ以外の構成は前述までの実施形態と同様であ
る。
The present embodiment is different from the first and second embodiments described above in that the location where the piping is branched from the humidified gas supply pipe 3 to the pressurized tank 6 is different from that of the first embodiment.
Is supplied near the outlet of the high-pressure cylinder in the case of the type supplied from the compressor, and is disposed near the outlet of the gas compressor in the case of the type supplied with the humidified gas compressed by the compressor 11 under pressure. Is the same as in the above-described embodiments.

【0052】図8は、本発明の第三実施形態の構成によ
る効果を説明する図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining the effect of the configuration of the third embodiment of the present invention.

【0053】被加湿ガスの供給、排出ライン全体を考え
ると、最もガス圧が高くなるのは高圧ボンベあるいは圧
縮機11の出口部であり、加圧タンク6の内部に導入で
きるガス圧の最高値が高いほど加圧タンク内圧の調整可
能範囲が広く取れることになる。
Considering the entire supply and discharge line of the gas to be humidified, the highest gas pressure is at the outlet of the high-pressure cylinder or the compressor 11 and the maximum value of the gas pressure that can be introduced into the pressurized tank 6. The higher the value, the wider the adjustable range of the internal pressure of the pressurized tank.

【0054】本実施形態の作用のうち、第一、第二実施
形態と異なるところは、上述の図8の説明にあるよう
に、タンク内圧調整弁7の開度を調整することによる加
圧タンク6の内圧の調整可能範囲を最大限広くすること
ができる。
The operation of this embodiment differs from the first and second embodiments in that the pressurized tank by adjusting the opening of the tank internal pressure adjusting valve 7 as described in FIG. 6, the adjustable range of the internal pressure can be maximized.

【0055】以上のような本実施形態によれば、前述の
第一、第二実施形態と同様の効果が得られるのに加え
て、加圧ポンプ5での揚程つまり加湿水量に対して、独
立に制御可能な加湿器1への加湿水の供給圧の幅を広く
することができるため、結果として幅広いシステムの運
転状態に適合させることが可能となる。
According to this embodiment as described above, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained, and in addition, the head of the pressurizing pump 5, that is, the amount of humidified water is independent. The width of the supply pressure of the humidifying water to the humidifier 1 that can be controlled at a high speed can be widened, and as a result, it is possible to adapt to a wide range of system operating conditions.

【0056】図9は、請求項4記載の発明に対応する、
本発明の第四実施形態を示す概略構成図である。
FIG. 9 corresponds to the fourth aspect of the present invention.
It is a schematic structure figure showing a 4th embodiment of the present invention.

【0057】本実施の形態は、前述の第二実施形態に対
し、加圧タンク6にタンク内圧を常時検出する圧力セン
サ12が備わっており、この圧力センサ12からの信号
はコントロールユニット8に送られるという構成になっ
ている。上記以外の構成は、第二実施形態と同様であ
る。
In the present embodiment, the pressure tank 6 is provided with a pressure sensor 12 for constantly detecting the tank internal pressure, and a signal from the pressure sensor 12 is sent to the control unit 8 in contrast to the second embodiment. It is configured to be. The configuration other than the above is the same as that of the second embodiment.

【0058】本実施形態の作用のうち、第二実施形態と
異なるところは、加圧タンク6の内圧を直接検出するこ
とができるため、加圧タンク6の内圧を制御するタンク
内圧調整弁7およびリリーフ弁9へ与えるバルブ開度制
御信号をより正確に、より早くコントロールユニット8
内にて算出、決定することができる。
The operation of this embodiment differs from that of the second embodiment in that the internal pressure of the pressurized tank 6 can be directly detected. The valve opening control signal given to the relief valve 9 is more accurately and promptly supplied to the control unit 8.
It can be calculated and determined within.

【0059】以上のような本実施形態によれば、前述ま
での第一、第二実施形態と同様の効果が得られるのに加
えて、加圧タンク6の内圧、つまり加湿水循環路内の基
準圧力の調整の精度を向上することができ、結果として
システムの運転性、エネルギ効率のさらなる改善が期待
できる。
According to the present embodiment as described above, in addition to the same effects as those of the first and second embodiments described above, in addition to the internal pressure of the pressurized tank 6, that is, the reference pressure in the humidification water circulation path, Accuracy of pressure adjustment can be improved, and as a result, further improvement in operability and energy efficiency of the system can be expected.

【0060】図10は、請求項5記載の発明に対応す
る、本発明の第五実施形態を示す概略構成図である。
FIG. 10 is a schematic diagram showing a fifth embodiment of the present invention, corresponding to the fifth aspect of the present invention.

【0061】本実施の形態は、前述の第四実施形態に対
して異なる点は次の通りである。燃料電池システムから
の排気などから凝縮によって回収される水を貯蔵するた
めに回収水タンク15を備え、この貯蔵水量を検出する
回収水タンク水位センサ16が回収水タンク15に設け
られている。前述の加圧タンク6にも貯蔵水量を検出す
る加圧タンク水位センサ17が設けられ、上記2つの水
位センサからの水位信号はコントロールユニット8に送
られる構成になっている。回収水タンク15と加圧タン
ク6とは回収水通路14によって連結されており、この
回収水通路14には回収水調整弁13が設けられてお
り、また回収水タンク15から直接系外に回収水を放出
する通路を設け、その放出通路に回収水放出弁18が備
わっている。前述の回収水調整弁13と回収水放出弁1
8とは、コントロールユニット8からのバルブ制御信号
によって開度調整される。上述以外の構成は、第一〜第
四実施形態と同様である。
This embodiment is different from the fourth embodiment in the following points. A collected water tank 15 is provided for storing water collected by condensation from exhaust gas from the fuel cell system or the like. A collected water tank level sensor 16 for detecting the amount of stored water is provided in the collected water tank 15. The above-mentioned pressurized tank 6 is also provided with a pressurized tank water level sensor 17 for detecting the amount of stored water, and the water level signals from the two water level sensors are sent to the control unit 8. The recovered water tank 15 and the pressurized tank 6 are connected by a recovered water passage 14, and the recovered water passage 14 is provided with a recovered water regulating valve 13, and is directly recovered from the recovered water tank 15 to the outside of the system. A passage for discharging water is provided, and the discharge passage is provided with a recovered water discharge valve 18. The above-mentioned recovered water adjustment valve 13 and recovered water discharge valve 1
8, the opening is adjusted by a valve control signal from the control unit 8. The configuration other than the above is the same as in the first to fourth embodiments.

【0062】図11は本発明の第五実施形態におけるタ
ンク内圧、加湿水供給量、回収水の量を制御するための
フローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明
する。
FIG. 11 is a flowchart for controlling the tank internal pressure, the humidified water supply amount, and the recovered water amount in the fifth embodiment of the present invention. The algorithm will be described below.

【0063】まず、ステップS31にて加圧タンク6内
の貯蔵量が所定の下限値以下かどうかを判定し、下限値
以下と判定された時には、ステップS32に移ってタン
ク内圧調整弁7を全閉にして、加湿水加圧ポンプでの揚
程ΔPheadを許容差圧範囲内で増加させていく。次のス
テップS33では加圧タンク6の内圧Ptankが大気圧以
下になっているかどうかを判定し、大気圧以下になって
いる場合には、ステップS34にて回収水調整弁13を
開くことで、回収水タンク15内に貯蔵された水を回収
水通路14を経由して加圧タンク6へ注入することを開
始する。
First, it is determined in step S31 whether or not the storage amount in the pressurized tank 6 is equal to or less than a predetermined lower limit. If it is determined that the storage amount is equal to or less than the lower limit, the process proceeds to step S32 and the tank internal pressure adjusting valve 7 is fully turned off. It is closed, and the head ΔPhead by the humidifying water pressurizing pump is increased within the allowable differential pressure range. In the next step S33, it is determined whether or not the internal pressure Ptank of the pressurized tank 6 is lower than the atmospheric pressure. If the internal pressure Ptank is lower than the atmospheric pressure, the recovered water adjusting valve 13 is opened in step S34. The injection of the water stored in the recovered water tank 15 into the pressurized tank 6 via the recovered water passage 14 is started.

【0064】次いで、ステップS35では加圧タンク6
内の水量が基準値以上かどうかを判定し、基準値以上と
判定された場合には、ステップS37にて回収水調整弁
13を閉じる。ステップS35で基準値に達していない
と判定されたときには、ステップS36に移って、引き
続き回収水タンク15の水量が空かどうかを調べる。回
収水タンク15が空でない場合は回収水の注入を続けた
状態のままステップS35に戻される。ステップS36
で回収水タンク15が空になったと判定された場合に
は、加圧タンク6内の水位によらないで、ステップS3
7にて回収水調整弁13を閉じる。その後ステップS3
8に移って、タンク内圧調整弁7の開度と加湿水ポンプ
5の揚程ΔPheadとを、システムの運転状態、吸気状態
に適合する値に調整する。
Next, in step S35, the pressure tank 6
It is determined whether or not the amount of water inside is equal to or greater than a reference value. When it is determined that the reference value has not been reached in step S35, the process proceeds to step S36, and it is continuously checked whether or not the amount of water in the recovered water tank 15 is empty. If the recovered water tank 15 is not empty, the process returns to step S35 while the injection of the recovered water is continued. Step S36
If it is determined in step S3 that the collected water tank 15 is empty, the process proceeds to step S3 regardless of the water level in the pressurized tank 6.
At 7, the recovered water regulating valve 13 is closed. Then step S3
8, the opening degree of the tank internal pressure adjusting valve 7 and the head ΔPhead of the humidifying water pump 5 are adjusted to values suitable for the operating state and the intake state of the system.

【0065】ステップS33にてPtankが大気圧より高
いと判定されたときには、加圧タンク内圧と回収水タン
クの圧力差の関係上、加圧タンク内に回収水を注ぎ込む
ことができないため、以下のような手順によって、Pta
nkを大気圧以下に下げることになる。ステップS40で
は加圧タンク6のリリーフ弁9を開き、ステップS41
にてPtankが大気圧に到達したかどうかを調べ、到達し
た場合には次のステップS42に移ってリリーフ弁9を
閉じるとともに、ステップS33に戻る。
When it is determined in step S33 that Ptank is higher than the atmospheric pressure, the recovered water cannot be poured into the pressurized tank due to the relationship between the internal pressure of the pressurized tank and the pressure difference between the recovered water tank. By such a procedure, Pta
nk will be reduced to below atmospheric pressure. In step S40, the relief valve 9 of the pressurized tank 6 is opened, and in step S41
It is checked whether or not Ptank has reached the atmospheric pressure, and if it has reached, the process proceeds to the next step S42, closes the relief valve 9, and returns to step S33.

【0066】最初のステップS31にて加圧タンク内の
水量がまだ十分あると判定された場合は、次のステップ
S43にて回収水タンク15が満水状態にないかどうか
を調べる。満水に達していない場合は正常な運転状態を
維持できるとして終わるが、もし満水と判定された場合
は、ステップS44で回収水放出弁18を全開にして、
回収水の系外への放出を開始する。回収水の放出をしな
がら、ステップS45では回収水タンク15の水位が基
準値以下に戻ったかどうかを調べ、まだの場合は放出を
継続する一方、基準値以下に戻ったときには、ステップ
S46にて回収水放出弁18を全閉にして、回収水の放
出を停止する。
If it is determined in the first step S31 that the amount of water in the pressurized tank is still sufficient, it is checked in the next step S43 whether the recovered water tank 15 is not full. If it is not full, the normal operation state can be maintained, but if it is determined that it is full, the recovered water discharge valve 18 is fully opened in step S44,
Start discharging the recovered water out of the system. While discharging the recovered water, it is checked in step S45 whether the water level in the recovered water tank 15 has returned to or below the reference value. If not yet, the discharge is continued. The collection water discharge valve 18 is fully closed to stop the collection water discharge.

【0067】本実施形態の作用のうち、第一〜第四実施
形態に対して特徴的なところは、加湿器1におけるガス
の加湿により、加圧タンク6内および加湿水流路4内の
加湿水が次第に減少していくのに応じて、システムの排
気等から回収される水を加えていくことで、水量を維持
できることである。
The operation of this embodiment is characterized in that the humidifier 1 humidifies the gas in the pressurized tank 6 and the humidified water flow path 4 by humidifying the gas in the humidifier 1. As water gradually decreases, the amount of water can be maintained by adding water recovered from the exhaust of the system or the like.

【0068】以上のような本実施形態によれば、系外か
らの水の補給の必要性がなくなり、システム全体の水収
支が良好になり、これによりシステムを運転するときの
作業工数が大幅に低減される。また、回収水タンク15
から直接系外に水を放出可能な回収水放出弁18を備え
たので、必要以上の回収水が前記回収水タンク15に溜
まった場合には系外に捨てることができる。このため、
燃料電池システムを車両等に搭載するときに、総重量を
必要最低限に維持しつつ走行させることができるように
なり、車両の運転性が向上し、燃費も低く抑えることが
できる。
According to this embodiment as described above, there is no need to supply water from outside the system, and the water balance of the entire system is improved, thereby greatly reducing the number of working steps when operating the system. Reduced. Also, the recovered water tank 15
Is provided with a collected water discharge valve 18 capable of discharging water directly out of the system, so that if more collected water is collected in the collected water tank 15, it can be discarded outside the system. For this reason,
When the fuel cell system is mounted on a vehicle or the like, the vehicle can be driven while keeping the total weight at a minimum, so that the drivability of the vehicle is improved and the fuel efficiency can be suppressed.

【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実施形態
を示す概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.

【図2】本発明の第一実施形態における加圧タンク内圧
と運転負荷との関係を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between an internal pressure of a pressurized tank and an operation load according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第一実施形態における加湿水量と加湿
水圧力の同時調整方法を説明する図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a method for simultaneously adjusting a humidifying water amount and a humidifying water pressure in the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態
を示す概略構成図である。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.

【図5】本発明の第二実施形態におけるタンク内圧逃が
し弁の動作と、加湿水圧力の調整方法を説明する図であ
る。
FIG. 5 is a diagram illustrating an operation of a tank internal pressure relief valve and a method of adjusting humidification water pressure according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第二実施形態におけるタンク内圧と加
湿水供給量の制御を説明するフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart illustrating control of a tank internal pressure and a humidification water supply amount according to a second embodiment of the present invention.

【図7】本発明に係る燃料電池システムの第三実施形態
を示す概略構成図である。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention.

【図8】本発明の第三実施形態の構成による効果を説明
する図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating the effect of the configuration of the third embodiment of the present invention.

【図9】本発明に係る燃料電池システムの第四実施形態
を示す概略構成図である。
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.

【図10】本発明に係る燃料電池システムの第五実施形
態を示す概略構成図である。
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.

【図11】本発明の第五実施形態におけるタンク内圧、
加湿水供給量、回収水の量を制御するためのフローチャ
ートである。
FIG. 11 shows a tank internal pressure according to a fifth embodiment of the present invention;
It is a flowchart for controlling the supply amount of humidification water and the amount of recovery water.

【図12】従来の固体高分子電解質型燃料電池(PEF
C)における単位セル電池の構成を示す模式断面図であ
る。
FIG. 12 shows a conventional solid polymer electrolyte fuel cell (PEF).
It is a schematic cross section which shows the structure of the unit cell battery in C).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 加湿器 2 燃料電池スタック 3 ガス供給管 4 加湿水流路 5 加湿水ポンプ 6 加圧タンク 7 タンク内圧調整弁 8 コントロールユニット 9 リリーフ弁 10 大気開放通路 REFERENCE SIGNS LIST 1 humidifier 2 fuel cell stack 3 gas supply pipe 4 humidification water channel 5 humidification water pump 6 pressurized tank 7 tank internal pressure regulating valve 8 control unit 9 relief valve 10 atmosphere open passage

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体高分子からなる電解質膜が燃料極と
酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有
する燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給
する燃料供給管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給す
る酸化剤供給管と、前記燃料ガスと酸化剤ガスの両方ま
たは、どちらか一方を加湿する加湿手段と、前記加湿手
段に水を供給する加湿水供給管と、前記加湿手段に供給
する水を加圧しつつ送出する加湿水加圧手段を備えた燃
料電池システムにおいて、 前記加湿水供給管の前記加湿水加圧手段の吸入口付近
と、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの配管とを連通させる
とともに下部に常に加湿水を保持するタンクと、 前記タンクへのガスの流入又は流出量の少なくともいず
れか一方が制御可能な調整弁と、 システムの運転状態が高負荷になるにつれて、前記タン
クの内圧が高くなるように、前記調整弁の開度を調整す
る制御手段と、 を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
1. A fuel cell stack having at least one unit cell in which an electrolyte membrane made of a solid polymer is disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode, and a fuel supply pipe for supplying a fuel gas to the fuel electrode An oxidant supply pipe for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode, a humidifier for humidifying both or one of the fuel gas and the oxidant gas, and a humidifier for supplying water to the humidifier. A fuel cell system comprising: a supply pipe; and a humidifying water pressurizing unit that pressurizes and sends out water to be supplied to the humidifying unit. Alternatively, a tank that communicates with the oxidizing gas pipe and always holds the humidifying water in the lower part, an adjustment valve that can control at least one of the gas inflow and outflow to the tank, and an operating state of the system. Control means for adjusting the opening of the regulating valve so that the internal pressure of the tank increases as the load increases.
【請求項2】 前記タンクに、内部の圧力を外気に逃が
すための圧力逃がし弁を備えたことを特徴とする請求項
1記載の燃料電池システム。
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the tank is provided with a pressure relief valve for releasing internal pressure to outside air.
【請求項3】 前記燃料供給管あるいは酸化剤供給管か
ら前記タンクへと配管を分岐する場所を、高圧燃料ガス
ボンベ出口付近、あるいは酸化剤としての空気を圧縮す
る空気圧縮機出口付近に配置したことを特徴とする請求
項1または請求項2記載の燃料電池システム。
3. A location where a pipe branches from the fuel supply pipe or the oxidant supply pipe to the tank is disposed near a high-pressure fuel gas cylinder outlet or near an air compressor outlet for compressing air as an oxidant. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein:
【請求項4】 前記タンクの内部圧力を検出する圧力検
出手段を備え、 該圧力検出手段が検出した圧力に基づいて前記制御手段
が前記調整弁を制御することを特徴とする請求項1ない
し請求項3のいずれか1項記載の燃料電池システム。
4. The apparatus according to claim 1, further comprising pressure detection means for detecting an internal pressure of the tank, wherein the control means controls the regulating valve based on the pressure detected by the pressure detection means. Item 4. The fuel cell system according to any one of items 3.
【請求項5】 燃料電池システム内から回収される水を
溜める回収水タンクと前記タンクとを回収水通路により
連通させるとともに、該回収水通路に前記制御手段の制
御により開度調整可能な回収水調整弁を設け、前記回収
水タンクから直接系外に回収水を放出する水放出弁を設
けたことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれ
か1項記載の燃料電池システム。
5. A recovered water tank for storing water recovered from the fuel cell system and said tank communicating with each other through a recovered water passage, and the recovered water whose opening degree can be adjusted by controlling said control means in said recovered water passage. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a regulating valve, and a water discharge valve for discharging the recovered water directly from the recovered water tank to the outside of the system.
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