JP2004288491A - Fuel cell system - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of collecting and reclaiming a fuel gas with a simple structure without enlarging a fuel cell, and capable of maintaining high performance for a long period of time at a low fuel consumption rate. <P>SOLUTION: This fuel cell system is provided with an electrolyte membrane, a fuel electrode and an oxygen electrode to hold the electrolyte membrane between them, a fuel chamber in contact with the fuel electrode, and an oxygen chamber in contact with the oxygen electrode. The system also has a fuel cell which maintains its wet condition because water is inversely diffused from the oxygen electrode to the fuel cell in the electrolyte membrane, a fuel supply pipeline connected to the fuel chamber to supply a fuel gas, a fuel exhausting pipeline connected to the fuel chamber to exhaust the fuel gas of the fuel chamber, a gas-liquid separating trap disposed in the fuel exhausting pipeline to separate inversely diffused water taken into the fuel gas exhausted from the fuel chamber, and a fuel exhausting pipeline connected to the gas-liquid separating trap and the fuel supply pipeline to introduce the fuel gas exhausted from the gas-liquid separating trap to the fuel supply pipeline. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。
【0003】
この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方をアノード極とし、その表面に燃料として水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子に分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方をカソード極とし、その表面に酸化剤として空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【0004】
そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極としてのアノード極側及び酸素極としてのカソード極側のそれぞれに水を供給する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この場合、燃料及び酸化剤を加湿された状態とすることによって、アノード極側及びカソード極側のそれぞれに水を供給する。また、アノード極及びカソード極の表面に凹凸を形成し、凹部を撥(はっ)水部として機能させ、凸部を集水部として機能させるようになっている。そして、アノード極及びカソード極の表面の集水部に接触するようにウィックを配設し、余剰の水を前記集水部からウィックを通して燃料電池の外部に排出して、トラップに貯留するようになっている。
【0005】
【特許文献1】
特開平4−12462号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池においては、余剰の水を燃料電池の外部に排出するためにアノード極及びカソード極の表面の集水部に接触するようにウィックを配設するようになっている。そのため、燃料電池の構成が複雑化するとともに、燃料電池が大型化してしまう。一般的な燃料電池においては、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合したユニットを数十〜数百個結合するようになっている。そのため、各ユニットにおけるアノード極及びカソード極の表面にウィックを配設すると、ユニットを数十〜数百個結合して構成される燃料電池全体の構成が極めて複雑になり、かつ、燃料電池全体が大型化してしまう。
【0007】
また、前記従来の燃料電池においては、燃料電池から排出される燃料から水分を分離することが考慮されていない。通常の燃料電池の場合、アノード極側に供給される燃料の量は、アノード極の表面における燃料の不足を引き起こすことがないように、必要量よりも多くなっている。そのため、燃料電池からは余剰となった燃料を大気中に放出するのが一般的である。さらに、トラップに貯留した水を外部に排出するときに、燃料の水素も一緒に排気するために、燃料の消費量が大きくなってしまう。
【0008】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、固体高分子電解質膜の燃料極側を逆拡散水で湿潤するようにするとともに、余剰の逆拡散水を燃料ガスとともに排出して前記燃料極側の燃料流路の水詰まりを防止し、排出された燃料ガスから水分を分離するようにして、簡単な構成で燃料電池を大型化することなく、乾燥した燃料を回収して再利用することができ、長期間に亘(わた)り低い燃料消費率で、高い性能を維持す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。
【0009】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質膜、該電解質膜を狭持する燃料極及び酸素極、前記燃料極と接する燃料室、並びに、前記酸素極と接する酸素室を備えるとともに、前記電解質膜において酸素極から燃料極に対して水が逆拡散してその湿潤状態を維持する燃料電池と、前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給管路と、前記燃料室に接続され、該燃料室の燃料ガスを排出する燃料排出管路と、該燃料排出管路に配設され、前記燃料室から排出された燃料ガスに取りこまれた逆拡散水を分離する気液分離トラップと、該気液分離トラップと燃料供給管路とに接続され、前記気液分離トラップから排出された燃料ガスを前記燃料供給管路に導入する燃料排出管路とを有する。
【0010】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記気液分離トラップに接続され、排水用開閉弁を備える排水管路を有し、前記排水用開閉弁は、前記排水管路を開閉して、前記気液分離トラップ内に貯留された逆拡散水の量を制御する。
【0011】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記気液分離トラップは水位センサを備え、前記排水用開閉弁は、前記水位センサの検出した水位に基づいて前記排水管路を開閉する。
【0012】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記排水用開閉弁は、前記逆拡散水の性質に基づいて設定されたシーケンスに従って前記排水管路を開閉する。
【0013】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記排水管路は、水タンクに接続され、前記気液分離トラップから排出された逆拡散水は前記水タンクに回収される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0015】
図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの概念図、図2は本発明の第1の実施の形態における燃料電池の単位ユニットの構成を示す断面図である。
【0016】
図1において、11は燃料電池(FC)としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池スタック11と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。
【0017】
そして、燃料電池スタック11は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。
【0018】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。
【0019】
本実施の形態において、セル40は、図2に示されるように、固体高分子電解質膜45をガス拡散層と反応層とが一つに接続された電極である燃料極43及び酸素極44で挟み、金属板、カーボン若しくはカーボン板等から成るセパレータ46及びセパレータ47で狭持して、接合する。また、前記セパレータ46には、複数の燃料室48が、図において紙面に垂直方向に延在するように形成され、前記セパレータ47には、複数の酸素室49が、図において上下方向に延在するように形成される。なお、前記燃料室48及び酸素室49の一面は、前記燃料極43及び酸素極44と接している。そして、前記燃料極43をアノード極とし、前記燃料室48内に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子に分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜45を透過する。また、前記酸素極44をカソード極とし、前記酸素室49内に酸化剤として空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【0020】
例えば、本実施の形態において、燃料電池スタック11は、一例として、PEM型燃料電池であり、数百枚のセルを直列に接続したスタックから成る。出力は数〜数10〔kW〕である。そして、定常動作時の温度は30〜90〔℃〕程度である。
【0021】
なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック11に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段13に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池スタック11は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【0022】
この場合、前記燃料電池スタック11の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。
【0023】
図1において、燃料電池スタック11に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段13から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路21、及び、該第1燃料供給管路21に接続された燃料供給管路としての第2燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック11の燃料室48に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、燃料貯蔵手段元開閉弁24、圧力センサ27、第1燃料圧力調整弁25a、第2燃料圧力調整弁25b及び燃料供給電磁弁26が配設される。また、前記第2燃料供給管路33には、安全弁33aが配設される。なお、前記第1燃料供給管路21には、燃料電池スタック11の起動時に前記第2燃料圧力調整弁25bをバイパスして水素ガスを供給するための起動用バイパス管路22が接続され、該起動用バイパス管路22には起動用燃料供給電磁弁23が配設される。また、前記燃料貯蔵手段13は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。
【0024】
そして、燃料電池スタック11の燃料室48から排出される水素ガスは、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック11の外部に排出される。前記燃料排出管路31には吸引循環ポンプ36が配設され、また、前記燃料排出管路31における燃料電池スタック11と反対側の端部は、気液分離トラップ60に接続されている。そして、該気液分離トラップ60には水と分離された水素ガスを排出する燃料排出管路30が接続されている。該燃料排出管路30には起動定常運転切替弁34が配設されている。なお、必要に応じて、気液分離トラップ60と起動定常運転切替弁34との間に第2の吸引循環ポンプ36aを配設することもできる。また、前記燃料排出管路30における気液分離トラップ60と反対側の端部は、第2燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック11の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック11の燃料室48に供給して再利用することができる。
【0025】
また、前記燃料排出管路31における燃料電池スタック11と吸引循環ポンプ36との間には、起動専用燃料排出管路56が接続されている。そして、該起動専用燃料排出管路56には、起動専用排気弁56a、起動専用逆止弁56b及び消音器56cが配設され、燃料電池スタック11の起動時に燃料室48から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、前記水素ガスをそのまま大気中へ排出せずに、酸素と結合させて水にした後で、排出させるようにしてもよい。
【0026】
さらに、前記気液分離トラップ60には、水素ガスと分離された水を排出して後述される水タンク52に回収するための排水管路としての水排出管路61が接続されている。そして、該水排出管路61には、排水用逆止弁63及び排水用開閉弁としての排水用電磁弁62が配設されている。なお、前記排水用逆止弁63は省略することもできる。
【0027】
さらに、前記燃料排出管路30における第2燃料供給管路33と起動定常運転切替弁34との間には、外気導入管路28が接続されている。そして、該外気導入管路28には、外気導入用電磁弁28a及びエアフィルタ28bが配設され、燃料電池スタック11の運転終了時に外気を燃料室48に導入することができるようになっている。
【0028】
なお、気液分離トラップ60は、燃料排出管路31の最も低い位置に存在し、水を溜( た )めやすくしている。
【0029】
ここで、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。
【0030】
また、前記起動用燃料供給電磁弁23、燃料供給電磁弁26、外気導入用電磁弁28a、起動定常運転切替弁34、起動専用排気弁56a及び排水用電磁弁62はいわゆるオン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁24は手動若しくは電磁弁を用いて自動的に作動させられる。そして、前記起動専用逆止弁56b及び排水用逆止弁63は、通常の構造を有するものである。さらに、前記吸引循環ポンプ36及び第2の吸引循環ポンプ36aは、水素ガスを強制的に排出し、燃料室48内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
【0031】
なお、前記エアフィルタ28bは、空気に含まれる塵埃(じんあい)、不純物、有害ガス等を除去する。
【0032】
一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源15から、酸化剤供給管路17及び吸気マニホールド14を通って、燃料電池スタック11の酸素室49に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、酸素室49から排出される空気は、排気マニホールド12、凝縮器12a及び酸化剤排出管路18を通って大気中へ排出される。
【0033】
また、前記吸気マニホールド14内には、水をスプレーして、燃料電池スタック11の酸素極(カソード極)44を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル16が配設される。また、スプレーされた水によって前記酸素極44及び燃料極43を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド12の端部に配設された凝縮器12aは、前記燃料電池スタック11から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器12aによって凝縮された水は凝縮水排出管路19を通って水タンク52に回収される。なお、前記凝縮水排出管路19には排水ポンプ51が配設され、前記水タンク52にはレベルゲージ(水位計)52a及び安全弁52bが配設されている。また、前記水タンク52には水排出管路61が接続され、前記気液分離トラップ60から排出された水も水タンク52に回収される。
【0034】
そして、該水タンク52内の水は、給水管路53を通って水供給ノズル16に供給される。なお、前記給水管路53には、給水ポンプ54及び水フィルタ55が配設されている。
【0035】
ここで、前記排水ポンプ51及び給水ポンプ54は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ55は、水に含まれる塵埃、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。
【0036】
また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ(コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【0037】
また、前記燃料電池スタック11は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック11又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。
【0038】
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック11の燃料室48及び酸素室49に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源15、第1燃料圧力調整弁25a、第2燃料圧力調整弁25b、起動用燃料供給電磁弁23、燃料供給電磁弁26、外気導入用電磁弁28a、起動定常運転切替弁34、吸引循環ポンプ36、排水ポンプ51、給水ポンプ54、起動専用排気弁56a、排水用電磁弁62等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック11に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。
【0039】
次に、前記気液分離トラップ60の構成について詳細に説明する。
【0040】
図3は本発明の第1の実施の形態における気液分離トラップと燃料電池スタックとの位置関係を示す図、図4は本発明の第1の実施の形態における気液分離トラップの構成を示す図である。
【0041】
本実施の形態において、気液分離トラップ60は、図3に示されるように、燃料電池スタック11における燃料排出管路31の接続口よりも鉛直方向に関して下方に位置する、すなわち、鉛直下方向に位置することが望ましい。これにより、燃料電池スタック11の燃料室48から容易に水を排出することができる。
【0042】
ところで、本実施の形態における燃料電池システムでは、特許文献1に示されるような従来の燃料電池のように、アノード極側に水を供給するようにはなっていない。すなわち、燃料電池スタック11は、燃料室48に水を供給する機構を備えておらず、また、前記燃料室48内に燃料として供給される水素ガスも加湿されていない。本実施の形態における燃料電池システムでは、逆拡散水によって、燃料極43を加湿するようになっている。なお、逆拡散水とは、酸素室49において生成される水が固体高分子電解質膜45内に拡散し、該固体高分子電解質膜45内を水素イオンと逆方向に透過して燃料室48にまで浸透したものである。このように、それぞれのセル40が燃料室48に水を供給する機構を備えていないので、燃料電池スタック11の構成は簡素であり、かつ、小型になっている。また、水素ガスに水分を加えて加湿する必要もないので、第1燃料供給管路21や第2燃料供給管路33に水を導入するための配管や制御弁を配設する必要がなく、構成が簡素であり、コストを抑制することができる。
【0043】
そして、燃料電池スタック11の燃料室48内においては、余剰となった前記逆拡散水が余剰となった水素ガスと混合して、気液混合物となる。該気液混合物は、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック11の外部に導出される。そして、前記気液混合物は、気液分離トラップ60の上部からトラップ容器64内に導入される。そして、前記気液混合物は、トラップ容器64内において水素ガスと水分としての逆拡散水とに分離し、すなわち、気液分離した水素ガスは燃料排出管路30からトラップ容器64外に排出される。また、分離された逆拡散水はトラップ容器64内の下部に貯留水65として貯留する。なお、トラップ容器64の下部には、排水用電磁弁62が配設された水排出管路61が接続されている。図3においては、排水用逆止弁63は省略されている。また、前記水排出管路61及び排水用電磁弁62は、図3において点線で示される位置61’及び62’に配設することもできる。
【0044】
ここで、前記気液分離トラップ60は、図4に示されるような構成を有している。前記トラップ容器64は有底筒状の形状を有し、開放している上部は容器カバー66によって気密に塞(ふさ)がれている。なお、容器カバー66はトラップ容器64に対してボルト等の固着部材66aによって固着され、また、容器カバー66の下面とトラップ容器64の上端面との間には、O−リング等のシール部材66bが配設され、気密性を維持している。そして、燃料排出管路31及び燃料排出管路30は、トラップ容器64上部の側壁に、互いに離れた位置で接続されている。
【0045】
また、前記容器カバー66には、貯留水65の水位を計測するための水位センサ67が取り付けられている。該水位センサ67は、鉛直方向に垂下する棒状の計測部材67aを備え、貯留水65の水面65aの位置を水位として計測するようになっている。なお、図4において、67b及び67cは水位の適正範囲の上限及び下限に対応する水位上検知点及び水位下検知点を示している。本実施の形態において、燃料電池システムの制御装置は、水位が上昇して前記水位上検知点67bを超えると排水用電磁弁62を開けて貯留水65を水排出管路61からトラップ容器64外に流出させ、水位が下降して前記水位下検知点67cより下がると排水用電磁弁62を閉じて貯留水65が水排出管路61からトラップ容器64外に流出することを停止させる。
【0046】
なお、前記水位上検知点67b及び水位下検知点67cの位置は任意に設定することができるが、前記水位下検知点67cは、水排出管路61がトラップ容器64に接続されている位置よりも鉛直方向に関して上方に位置することが望ましい。これにより、流出する水に水素ガスが混入することを防止して、水素ガスの回収率を向上させることができる。
【0047】
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。ここでは、定常運転における貯留水65の水位を制御する動作について説明する。
【0048】
図5は本実施の第1の形態における貯留水の水位を制御する動作を示すフローチャートである。
【0049】
本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源15は常に一定量の空気を燃料電池スタック11の酸素室49に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック11の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。
【0050】
そして、燃料電池スタック11が運転を開始すると、該燃料電池スタック11を構成する各セル40において逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜45を透過して燃料室48にまで浸透して、前記固体高分子電解質膜45の燃料極43側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜45の燃料極43側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜45内をスムーズに移動することができる。
【0051】
また、前記燃料室48に供給されて余剰となった水素ガスは、前記燃料室48にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料電池スタック11に接続された燃料排出管路31を通って前記燃料電池スタック11の外部に導出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路31を通過してトラップ容器64内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記トラップ容器64内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路30からトラップ容器64外に排出される。なお、前記燃料排出管路30から排出された水素ガスは、第2燃料供給管路33に導入され、再び、燃料電池スタック11の燃料室48に供給されて再利用される。
【0052】
ここで、前記燃料排出管路30は、トラップ容器64上部の側壁に接続されているので、逆拡散水が分離して軽量となった乾燥した状態の水素ガスだけが、燃料排出管路30から排出され、水分が排出されることがない。また、燃料排出管路31と燃料排出管路30とは、互いに離れた位置でトラップ容器64上部の側壁に接続されているので、燃料排出管路31からトラップ容器64内に導入された気液混合物が、そのまま燃料排出管路30から流出してしまうこともない。これにより、燃料室48に浸透して余剰となった逆拡散水を適切にトラップすることができ、余剰となった水素ガスを乾燥した状態で回収して、再利用することができる。
【0053】
一方、前記気液混合物から分離して落下した逆拡散水は、トラップ容器64内の下部に貯留水65として貯留する。ここで、該貯留水65の水位は、水位センサ67によって計測される、すなわち、水位センサ67による水位検知が行われる(ステップS1)。そして、燃料電池スタック11が運転を継続することによって、該燃料電池スタック11の外部に導出される気液混合物から分離した水の量が増え、貯留水65の水位が徐々に上昇する。そして、燃料電池システムの制御装置は、貯留水65の水位が水位上検知点67bを超えたと判断すると(ステップS2)、排水用電磁弁62を開けて水排出管路61を開通させ、貯留水65を水排出管路61からトラップ容器64外に流出させる(ステップS3)。これにより、貯留水65の水位は徐々に下降する。そして、燃料電池システムの制御装置は、貯留水65の水位が水位下検知点67cより下がったと判断すると(ステップS4)、排水用電磁弁62を閉じて水排出管路61を閉止し、貯留水65が水排出管路61からトラップ容器64外に流出することを停止させる(ステップS5)。以降、このような動作を繰り返すことによって、貯留水65の水位を水位上検知点67bと水位下検知点67cとの間に維持することができる。
【0054】
なお、水排出管路61からトラップ容器64外に流出した逆拡散水は、水タンク52に回収される。これにより、余剰となった逆拡散水を有効に再利用することができる。
【0055】
このように、本実施の形態においては、燃料室48内で余剰となった逆拡散水と水素ガスとの気液混合物が、吸引循環ポンプ36によって吸引され燃料電池スタック11の外部に排出されるようになっている。そのため、燃料室48内における水素ガスの流通が余剰となった逆拡散水によって妨げられる水詰まりを防止することができ、燃料極43の表面に燃料としての水素ガスを安定的に供給することができる。
【0056】
また、余剰となった逆拡散水を気液分離トラップ60によって水素ガスから分離し、水タンク52に回収するので、有効に再利用することができる。これにより、燃料電池スタック11の酸素極44を加湿するためにスプレーする水の不足を補うことができ、水タンク52を小型軽量化することができる。
【0057】
さらに、余剰となった水素ガスと混合していた逆拡散水を気液分離トラップ60によって分離するので、余剰となった水素ガスを回収して再利用することができる。これにより、燃料電池スタック11の燃料消費量を抑制することができる。
【0058】
さらに、水位センサ67によって水位検知を行い、トラップ容器64内の貯留水65の水位を適切に制御することができるので、貯留水65の量を低減して、気液分離トラップ60を小型化することができる。
【0059】
さらに、逆拡散水によって燃料極43を加湿し、それぞれのセル40が燃料室48に水を供給する機構を備えていないので、燃料電池スタック11の構成を簡素化して、小型化することができる。また、水素ガスに水分を加えて加湿する必要もないので、第1燃料供給管路21や第2燃料供給管路33に水を導入するための配管や制御弁を配設する必要がなく、燃料電池システムの構成を簡素化し、コストを抑制することができる。
【0060】
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【0061】
図6は本発明の第2の実施の形態における気液分離トラップの構成を示す図、図7は本発明の第2の実施の形態における気液分離トラップの水回収量の変化を示す図、図8は本発明の第2の実施の形態における固体高分子電解質膜が湿潤する時間を示す図、図9は本発明の第2の実施の形態における固体高分子電解質膜が湿潤した場合の気液分離トラップの水回収量の変化を示す図、図10は本発明の第2の実施の形態における気液分離トラップから流出する水の量の変化を示す図、図11は本実施の第2の形態における貯留水の水位を制御する動作を示すフローチャートである。
【0062】
本実施の形態における気液分離トラップ60は、図6に示されるように、水位センサ67を備えていない点、及び、燃料排出管路31がトラップ容器64上部の側壁でなく、容器カバー66に接続されている点において、前記第1の実施の形態と相違する。そのため、燃料電池システムの制御装置は、トラップ容器64内の貯留水65の水位を適切に制御するために、あからじめ設定されたシーケンスに従って排水用電磁弁62の動作を制御する。
【0063】
まず、実験によって、燃料電池スタック11から回収される逆拡散水の量の時間的変化を計測したところ、図7に示される結果を得ることができた。なお、図7においては、縦軸に逆拡散水の回収量〔ml〕を採り、横軸に時間〔分〕を採ってある。ここで、横軸は燃料電池システムの運転を開始した時からの時間を示し、時間0〔分〕は燃料電池システムの運転を開始した時である。
【0064】
ここで、逆拡散水の回収量は、燃料電池スタック11の総電極面積、燃料電池スタック11の電流密度、固体高分子電解質膜45の膜厚、燃料極43及び酸素極44を構成するガス拡散電極の水分の透過しやすさ、燃料室48内の湿度、酸素室49内の湿度、燃料室48内の圧力、酸素室49内の圧力、燃料室48内の温度、酸素室49内の温度等の関数として表すことができる。
【0065】
そこで、図7においては、燃料電池スタック11の電流密度毎に、逆拡散水の量の時間的変化を計測した結果が示されている。なお、前記電流密度は、燃料電池スタック11の出力する電流値を燃料電池スタック11の総電極面積で除した値であって、〔A/cm〕で表される。図7において、曲線71は電流密度が0.1〔A/cm〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線72は電流密度が0.2〔A/cm〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線73は電流密度が0.3〔A/cm〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線74は電流密度が0.4〔A/cm〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線75は電流密度が0.5〔A/cm〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化を示している。なお、直線76はトラップ容器64内の貯留水65の最大量を示している。このことから、電流密度が増加するほど逆拡散水の量が増加することが分かる。
【0066】
また、点線Aで示される範囲においては、逆拡散水の量がほとんど増加していないことが分かる。これは、燃料電池システムの運転を開始した直後の時間帯においては、固体高分子電解質膜45が乾燥しているので、逆拡散水が燃料室48にまで浸透しないためであると考えることができる。そして、燃料電池システムの運転を開始してから、しばらく時間が経過すると、固体高分子電解質膜45が逆拡散水によって湿潤した状態となる。すると、逆拡散水が燃料室48にまで浸透し、余剰となった逆拡散水が燃料室48に供給されて余剰となった水素ガスと混合して、気液混合物となって燃料電池スタック11の外部に導出され、トラップ容器64内に貯留水65として回収される。したがって、逆拡散水の回収量は、トラップ容器64内の貯留水65の量を計測することによって計測される。
【0067】
そして、図7に示される結果に基づいて、固体高分子電解質膜45が湿潤するまでに要する時間と電流密度との関係を得ることができる。ここでは、図8に示される結果を得ることができた。なお、図8においては、縦軸に時間〔秒〕を採り、横軸に電流密度〔A/cm〕を採ってある。ここで、縦軸は燃料電池システムの運転を開始した時からの時間を示し、時間0〔秒〕は燃料電池システムの運転を開始した時である。
【0068】
図8において、曲線76は、図7に示される結果に基づいて求めた固体高分子電解質膜45が湿潤するまでに要する時間と電流密度との関係を示す点を結ぶ曲線であり、曲線77は前記曲線76の近似曲線である。前記曲線77は、次の式(1)によって表すことができる。
t2=aI+bI+c・・・式(1)
ここで、t2は燃料電池スタック11の固体高分子電解質膜45が湿潤するまでに要する時間、すなわち、電解質膜湿潤時間〔秒〕、Iは電流密度の平均値〔A/cm〕である。また、a、b及びcは、前記曲線77を描くための定数であり、例えば、a=3428.6、b=−4337.1、c=1455という値とすることによって、前記曲線77を描くことができた。
【0069】
また、図7に示される結果に基づいて、固体高分子電解質膜45が湿潤した後の逆拡散水の回収量と電流密度との関係を得ることができる。ここでは、図9に示される結果を得ることができた。なお、図9においては、縦軸に逆拡散水の回収量〔ml〕を採り、横軸に電流密度〔A/cm〕を採ってある。
【0070】
図9において、折線78は、図7に示される結果に基づいて求めた固体高分子電解質膜45が湿潤した後の逆拡散水の回収量と電流密度との関係を示す点を結ぶ線であり、曲線79は前記折線78の近似曲線である。前記曲線79は、次の式(2)によって表すことができる。
Q1=dI+eI・・・式(2)
ここで、Q1は単位時間当たりの逆拡散水の回収量としての単位時間当回収量〔ml〕、Iは電流密度の平均値〔A/cm〕である。また、d及びeは、前記曲線79を描くための定数であり、例えば、d=−0.019669、e=0.19775という値とすることによって、前記曲線79を描くことができた。
【0071】
また、実験によって、排水用電磁弁62を開けて水排出管路61を開通させ、貯留水65を水排出管路61からトラップ容器64外に流出させた場合に気液分離トラップ60から流出する水の量の変化を計測したところ、図10に示されるような結果を得ることができた。なお、図10においては、縦軸に流出する水の量〔ml〕を採り、横軸に排水用電磁弁62を開けている時間〔秒〕を採ってある。
【0072】
この場合、気液分離トラップ60から流出する水の量と排水用電磁弁62を開けている時間との関係は、直線81で示されるように、比例関係にあることが分かる。そして、直線81上の点Bから、排水用電磁弁62を1〔秒〕だけ開けていると、気液分離トラップ60から16〔ml〕の水が流出することが分かる。そのため、例えば、トラップ容器64内の貯留水65の量としての気液分離トラップ貯水量Q2〔ml〕が所定値を超えた場合に排水用電磁弁62を1〔秒〕だけ開けるというシーケンスを設定した場合、次の式(3)が満たされたときに、排水用電磁弁62を1〔秒〕だけ開けることになる。
Q2>16・・・式(3)
本実施の形態においては、制御装置の記憶手段には、前記式(1)〜(3)があらかじめ格納されている。そして、前記制御装置は、時刻、電流密度等を取得し、前記式(1)〜(3)に基づいて演算を行うことによって排水用電磁弁62の動作を制御する。
【0073】
まず、前記制御装置は、図示されない時計から取得した時刻に基づいて、燃料電池システムの運転を開始した時からの経過時間tの測定を開始する(ステップS11)。続いて、前記制御装置は、前回の運転が終了してから今回の運転を開始するまでの経過時間t1を測定し(ステップS12)、該t1が所定値を超えているか否かを判断する(ステップS13)。これは、燃料電池システムの運転を終了した直後の時間帯においては、固体高分子電解質膜45が乾燥しておらず、湿潤した状態にあると考えることができるからである。
【0074】
そのため、前回の運転が終了してから所定時間を経過していない場合、固体高分子電解質膜45が湿潤しているので、今回の運転を開始した直後から逆拡散水が燃料室48にまで浸透し、余剰となった逆拡散水が燃料室48に供給されると考えることができる。そして、余剰となった逆拡散水が燃料室48に供給されて余剰となった水素ガスと混合して、気液混合物となって燃料電池スタック11の外部に導出され、トラップ容器64内に貯留水65として回収される。したがって、前回の運転が終了してから所定時間を経過していない場合、前記制御装置は、固体高分子電解質膜45が湿潤している場合の動作モードである電解質膜湿潤時モードの動作を行う。
【0075】
一方、前回の運転が終了してから所定時間を超えている場合、固体高分子電解質膜45が乾燥しているので、今回の運転を開始した直後には、逆拡散水が燃料室48にまで浸透しないと考えることができる。この場合、前記制御装置は、固体高分子電解質膜45が乾燥している場合の動作モードである電解質膜乾燥時モードの動作を行う。なお、前記所定時間は実験に基づいて適宜設定することができる。
【0076】
そして、電解質膜乾燥時モードの動作において、前記制御装置は、まず、燃料電池スタック11における電流密度i〔A/cm〕を測定する(ステップS14)。この場合、燃料電池スタック11の各セル40における燃料極43及び酸素極44の面積は既知であるので、燃料電池スタック11の出力する電流値を測定することによって、電流密度iを得ることができる。なお、電流密度iの測定は所定時間周期で、例えば、毎秒一回の周期で繰り返し行われる。
【0077】
続いて、前記制御装置は、測定した電流密度iの平均値I〔A/cm〕を算出する(ステップS15)。続いて、前記制御装置は、前記式(1)に基づいて、燃料電池スタック11の電解質膜湿潤時間t2を算出し(ステップS16)、前記経過時間tが電解質膜湿潤時間t2未満であるか否かを判断する(ステップS17)。そして、前記経過時間tが電解質膜湿潤時間t2未満である場合には、固体高分子電解質膜45が依然として湿潤していないと考えられるので、前記制御装置は、電解質膜乾燥時モードの動作を最初から繰り返して行う。
【0078】
また、前記経過時間tが電解質膜湿潤時間t2以上である場合には、固体高分子電解質膜45が湿潤していると考えられるので、前記制御装置は、電解質膜湿潤時モードの動作を開始する。この場合、前記制御装置は、まず、燃料電池スタック11における電流密度i〔A/cm〕を測定する(ステップS18)。なお、電流密度iの測定は所定時間周期で、例えば、毎秒一回の周期で繰り返し行われる。続いて、前記制御装置は、測定した電流密度iの平均値I〔A/cm〕を算出し、前記式(2)に基づいて、単位時間当回収量Q1〔ml〕を算出する(ステップS19)。
【0079】
続いて、前記制御装置は、前回算出した気液分離トラップ貯水量Q2に前記単位時間当回収量Q1を加えて気液分離トラップ貯水量Q2を更新する(ステップS20)。なお、初回の気液分離トラップ貯水量Q2は、リセットされた値であり、0である。
【0080】
続いて、前記制御装置は、更新された気液分離トラップ貯水量Q2が所定値を超えているか否かを判断する(ステップS21)。なお、前記所定値は、前記式(3)に従う場合、16〔ml〕である。そして、気液分離トラップ貯水量Q2が所定値を超えていない場合、排水用電磁弁62を開ける必要がないので、前記制御装置は、電解質膜湿潤時モードの動作を最初から繰り返して行う。また、気液分離トラップ貯水量Q2が所定値を超えている場合、前記制御装置は排水用電磁弁62を所定時間だけ開ける(ステップS22)。なお、前記所定時間は、前記式(3)に従う場合、1〔秒〕である。続いて、前記制御装置は、気液分離トラップ貯水量Q2をリセットして0にする(ステップS23)。以降、前記制御装置は、電解質膜湿潤時モードの動作を最初から繰り返して行う。
【0081】
このように、本実施の形態においては、逆拡散水の性質に基づいて設定されたシーケンスに従って排水用電磁弁62の動作を制御するようになっている。そのため、気液分離トラップ60が、前記第1の実施の形態におけるような水位センサ67を備えていなくても、トラップ容器64内の貯留水65の水位を適切に制御することができ、貯留水65の量を低減して、気液分離トラップ60を小型化することができる。
【0082】
また、前記第1の実施の形態におけるような水位センサ67を備えていなので、気液分離トラップ60の構成を簡素化することができ、コストを抑制することができる。さらに、燃料排出管路31や燃料排出管路30をトラップ容器64に接続する位置も、前記第1の実施の形態におけるような水位センサ67の位置を考慮することなく、自由に決めることができるので、気液分離性能を向上させることができる。
【0083】
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、第1及び第2の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1及び第2の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【0084】
図12は本発明の第3の実施の形態における燃料電池システムの概念図である。
【0085】
本実施の形態においては、気液分離トラップ60によって気液混合物から分離した逆拡散水を水タンク52に回収することなく、外部に排出するようになっている。そのため、図12に示されるように、起動専用燃料排出管路56における消音器56cと起動専用排気弁56aとの間の部分に水排出管路61が接続されている。なお、本実施の形態において起動専用逆止弁56bは省略されている。また、図12においては、燃料貯蔵手段13、排気マニホールド12、凝縮器12a、水タンク52等の記載が省略されているが、本実施の形態における燃料電池システムは、水排出管路61が、水タンク52に接続されず、起動専用燃料排出管路56に接続されている点を除いては、第1及び第2の実施の形態と同様の構成を有するものである。
【0086】
このように、本実施の形態においては、水排出管路61を水タンク52に接続しないので、前記水排出管路61の配管を簡素化することができる。そのため、燃料電池システムの構成を簡素化することができ、コストを抑制することができる。
【0087】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0088】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質膜、該電解質膜を狭持する燃料極及び酸素極、前記燃料極と接する燃料室、並びに、前記酸素極と接する酸素室を備えるとともに、前記電解質膜において酸素極から燃料極に対して水が逆拡散してその湿潤状態を維持する燃料電池と、前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給管路と、前記燃料室に接続され、該燃料室の燃料ガスを排出する燃料排出管路と、該燃料排出管路に配設され、前記燃料室から排出された燃料ガスに取りこまれた逆拡散水を分離する気液分離トラップと、該気液分離トラップと燃料供給管路とに接続され、前記気液分離トラップから排出された燃料ガスを前記燃料供給管路に導入する燃料排出管路とを有する。
【0089】
この場合、燃料室内で余剰となった逆拡散水が混合した燃料ガスが燃料電池の外部に排出されるときに、気液分離トラップによって水と燃料ガスとが分離するので、余剰となった燃料を回収して再利用するとともに、水だけを選択的に排出することができる。これにより、燃料電池の燃料消費量を抑制することができる。
【0090】
さらに、逆拡散水によって燃料極を加湿し、燃料室に水を供給する機構を備えていないので、燃料電池の構成を簡素化して、小型化することができる。また、燃料に水分を加えて加湿する必要もないので、燃料供給管路に水を導入するための配管や制御弁を配設する必要がなく、燃料電池システムの構成を簡素化し、コストを抑制することができる。
【0091】
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記気液分離トラップに接続され、排水用開閉弁を備える排水管路を有し、前記排水用開閉弁は、前記排水管路を開閉して、前記気液分離トラップ内に貯留された逆拡散水の量を制御する。
【0092】
この場合、気液分離トラップ内に貯留された逆拡散水の量を適切に制御することができるので、貯留された逆拡散水の量を低減して、気液分離トラップを小型化することができる。
【0093】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記気液分離トラップは、水位センサを備え、前記排水用開閉弁は、前記水位センサの検出した水位に基づいて前記排水管路を開閉する。
【0094】
この場合、気液分離トラップ内に貯留された逆拡散水の水位を計測するので、逆拡散水の量を適切に制御することができる。
【0095】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記排水用開閉弁は、前記逆拡散水の性質に基づいて設定されたシーケンスに従って前記排水管路を開閉する。
【0096】
この場合、水位センサを備えていなので、気液分離トラップの構成を簡素化することができ、コストを抑制することができる。さらに、燃料排出管路や排水管路を気液分離トラップに接続する位置を自由に決めることができるので、気液分離性能を向上させることができる。
【0097】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記排水管路は、水タンクに接続され、前記気液分離トラップから排出された逆拡散水は前記水タンクに回収される。
【0098】
この場合、余剰となった逆拡散水を有効に再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの概念図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態における燃料電池の単位ユニットの構成を示す断面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態における気液分離トラップと燃料電池スタックとの位置関係を示す図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態における気液分離トラップの構成を示す図である。
【図5】本実施の第1の形態における貯留水の水位を制御する動作を示すフローチャートである。
【図6】本発明の第2の実施の形態における気液分離トラップの構成を示す図である。
【図7】本発明の第2の実施の形態における気液分離トラップの水回収量の変化を示す図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態における固体高分子電解質膜が湿潤する時間を示す図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態における固体高分子電解質膜が湿潤した場合の気液分離トラップの水回収量の変化を示す図である。
【図10】本発明の第2の実施の形態における気液分離トラップから流出する水の量の変化を示す図である。
【図11】本実施の第2の形態における貯留水の水位を制御する動作を示すフローチャートである。
【図12】本発明の第3の実施の形態における燃料電池システムの概念図である。
【符号の説明】
11 燃料電池スタック
21 第1燃料供給管路
30、31 燃料排出管路
33 第2燃料供給管路
43 燃料極
44 酸素極
48 燃料室
49 酸素室
52 水タンク
60 気液分離トラップ
61 水排出管路
62 排水用電磁弁
67 水位センサ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, so they have been put to practical use as industrial or household power generators or as power sources for artificial satellites and spacecraft. It is being developed as a power source for vehicles such as buses and trucks. The fuel cell may be of an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but a solid polymer type fuel cell is generally used.
[0003]
In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes, integrated and joined. When one of the gas diffusion electrodes is used as an anode and hydrogen gas is supplied as fuel to the surface of the gas diffusion electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions pass through the solid polymer electrolyte membrane. When the other of the gas diffusion electrodes is used as a cathode and air is supplied as an oxidizing agent to the surface of the cathode, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
[0004]
In a polymer electrolyte fuel cell, since it is necessary to maintain both sides of the polymer electrolyte membrane in a wet state, water is supplied to each of the anode electrode side as the fuel electrode and the cathode electrode side as the oxygen electrode. A supply technique has been proposed (for example, see Patent Document 1). In this case, the fuel and the oxidant are humidified to supply water to each of the anode electrode side and the cathode electrode side. Further, irregularities are formed on the surfaces of the anode electrode and the cathode electrode, so that the concave portions function as water repellent portions and the convex portions function as water collecting portions. Then, a wick is provided so as to be in contact with a water collecting portion on the surface of the anode and the cathode, and excess water is discharged from the water collecting portion to the outside of the fuel cell through the wick and stored in a trap. Has become.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-4-12462
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional fuel cell, a wick is provided so as to contact the water collecting portions on the surfaces of the anode and the cathode in order to discharge excess water to the outside of the fuel cell. Therefore, the configuration of the fuel cell becomes complicated, and the size of the fuel cell increases. In a general fuel cell, several tens to several hundreds of solid polymer electrolyte membranes are sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated and joined. Therefore, when wicks are provided on the surfaces of the anode and cathode in each unit, the configuration of the entire fuel cell formed by connecting tens to hundreds of units becomes extremely complicated, and the entire fuel cell becomes It becomes large.
[0007]
Further, in the conventional fuel cell, separation of water from fuel discharged from the fuel cell is not considered. In the case of a normal fuel cell, the amount of fuel supplied to the anode is larger than necessary so as not to cause a shortage of fuel on the surface of the anode. Therefore, it is common to discharge surplus fuel from the fuel cell to the atmosphere. Furthermore, when the water stored in the trap is discharged to the outside, hydrogen of the fuel is also exhausted, so that the fuel consumption increases.
[0008]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, so that the fuel electrode side of the solid polymer electrolyte membrane is wetted with the back diffusion water, and the excess back diffusion water is discharged together with the fuel gas to discharge the fuel electrode. Prevent water clogging of the fuel passage on the side and separate moisture from the discharged fuel gas to collect and reuse dried fuel without increasing the size of the fuel cell with a simple configuration It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of maintaining a high performance with a low fuel consumption rate over a long period of time.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
For this purpose, the fuel cell system of the present invention includes an electrolyte membrane, a fuel electrode and an oxygen electrode sandwiching the electrolyte membrane, a fuel chamber in contact with the fuel electrode, and an oxygen chamber in contact with the oxygen electrode. A fuel cell in which water is back-diffused from the oxygen electrode to the fuel electrode in the electrolyte membrane to maintain the wet state, a fuel supply pipe connected to the fuel chamber and supplying fuel gas to the fuel chamber, A fuel discharge pipe connected to the fuel chamber for discharging fuel gas from the fuel chamber; and a back-diffusion water disposed in the fuel discharge pipe and taken in by the fuel gas discharged from the fuel chamber. A gas-liquid separation trap, and a fuel discharge line connected to the gas-liquid separation trap and the fuel supply line, for introducing the fuel gas discharged from the gas-liquid separation trap into the fuel supply line.
[0010]
In another fuel cell system of the present invention, the fuel cell system further includes a drain pipe connected to the gas-liquid separation trap and having a drain valve, and the drain valve is configured to open and close the drain pipe. And controlling the amount of reverse diffusion water stored in the gas-liquid separation trap.
[0011]
In still another fuel cell system according to the present invention, the gas-liquid separation trap further includes a water level sensor, and the drainage on-off valve opens and closes the drainage pipe based on a water level detected by the water level sensor.
[0012]
In still another fuel cell system according to the present invention, the drainage on-off valve opens and closes the drainage line in accordance with a sequence set based on the properties of the reverse diffusion water.
[0013]
In still another fuel cell system according to the present invention, the drain pipe is connected to a water tank, and the back-diffused water discharged from the gas-liquid separation trap is collected in the water tank.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a unit unit of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
[0016]
In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a fuel cell stack as a fuel cell (FC), which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, riding carts, luggage carts, and the like. Here, the vehicle is provided with a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as lighting devices, radios, and power windows, which are used even when the vehicle is stopped. Since the output range is very wide, it is desirable to use the fuel cell stack 11 as a power source together with a secondary battery (not shown) as power storage means.
[0017]
The fuel cell stack 11 is of an alkaline aqueous solution type (AFC), a phosphoric acid type (PAFC), a molten carbonate type (MCFC), a solid oxide type (SOFC), a direct type methanol (DMFC), or the like. However, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is preferable.
[0018]
More preferably, a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell using hydrogen gas as a fuel and oxygen or air as an oxidant, or a PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell is used. Here, the PEM fuel cell generally has a stack in which a plurality of cells (Fuel Cell) in which a catalyst, an electrode, and a separator are connected on both sides of a solid polymer electrolyte membrane that transmits ions such as protons are connected in series. (Stack).
[0019]
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the cell 40 includes a solid polymer electrolyte membrane 45 formed by a fuel electrode 43 and an oxygen electrode 44 which are electrodes in which a gas diffusion layer and a reaction layer are connected to one. The separator 46 and the separator 47 made of a metal plate, carbon, a carbon plate, or the like are sandwiched and sandwiched. A plurality of fuel chambers 48 are formed in the separator 46 so as to extend in a direction perpendicular to the plane of the drawing, and a plurality of oxygen chambers 49 are formed in the separator 47 in a vertical direction in the figure. It is formed so that. One surface of the fuel chamber 48 and the oxygen chamber 49 is in contact with the fuel electrode 43 and the oxygen electrode 44. When the fuel electrode 43 is used as an anode electrode and hydrogen gas is supplied as fuel gas into the fuel chamber 48, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions pass through the solid polymer electrolyte membrane 45. I do. When the oxygen electrode 44 is used as a cathode and air is supplied as an oxidizing agent into the oxygen chamber 49, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
[0020]
For example, in the present embodiment, the fuel cell stack 11 is, for example, a PEM type fuel cell, and includes a stack in which several hundred cells are connected in series. The output is several to several tens [kW]. The temperature during the steady operation is about 30 to 90 [° C.].
[0021]
In addition, hydrogen gas, which is a fuel obtained by reforming methanol, gasoline, or the like by a reformer (not shown), can be directly supplied to the fuel cell stack 11. In order to be able to supply an amount of hydrogen gas, it is desirable to supply the hydrogen gas stored in the fuel storage means 13 such as a hydrogen storage alloy or a hydrogen gas cylinder. As a result, the hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell stack 11 can supply a necessary current by following the fluctuation of the load of the vehicle without delay.
[0022]
In this case, the output impedance of the fuel cell stack 11 is extremely low and can be approximated to zero.
[0023]
FIG. 1 shows a device for supplying hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant to a fuel cell stack 11. Hydrogen gas is supplied from a container storing a hydrogen storage alloy, a container storing a hydrogen storage liquid such as decalin, a fuel storage means 13 such as a hydrogen gas cylinder, a first fuel supply line 21 as a fuel supply line, and The fuel is supplied to the fuel chamber 48 of the fuel cell stack 11 through a second fuel supply pipe 33 serving as a fuel supply pipe connected to the first fuel supply pipe 21. The first fuel supply pipe 21 is provided with a fuel storage means open / close valve 24, a pressure sensor 27, a first fuel pressure control valve 25a, a second fuel pressure control valve 25b, and a fuel supply solenoid valve 26. You. Further, a safety valve 33 a is provided in the second fuel supply pipe 33. The first fuel supply line 21 is connected to a start-up bypass line 22 for supplying hydrogen gas by bypassing the second fuel pressure regulating valve 25b when the fuel cell stack 11 is started. A starting fuel supply solenoid valve 23 is provided in the starting bypass pipe 22. Further, the fuel storage means 13 has a sufficiently large capacity and has an ability to always supply hydrogen gas at a sufficiently high pressure.
[0024]
The hydrogen gas discharged from the fuel chamber 48 of the fuel cell stack 11 is discharged to the outside of the fuel cell stack 11 through the fuel discharge pipe 31. A suction circulation pump 36 is provided in the fuel discharge line 31, and an end of the fuel discharge line 31 opposite to the fuel cell stack 11 is connected to a gas-liquid separation trap 60. The gas-liquid separation trap 60 is connected to a fuel discharge pipe 30 for discharging hydrogen gas separated from water. A startup steady operation switching valve 34 is provided in the fuel discharge line 30. Note that, if necessary, a second suction circulation pump 36a may be provided between the gas-liquid separation trap 60 and the startup steady-state operation switching valve 34. An end of the fuel discharge line 30 opposite to the gas-liquid separation trap 60 is connected to a second fuel supply line 33. Thereby, the hydrogen gas led out of the fuel cell stack 11 can be collected, supplied to the fuel chamber 48 of the fuel cell stack 11, and reused.
[0025]
In addition, between the fuel cell stack 11 and the suction circulation pump 36 in the fuel discharge line 31, a fuel discharge line 56 dedicated for starting is connected. A start-only exhaust valve 56a, a start-only check valve 56b, and a muffler 56c are provided in the start-only fuel discharge line 56. Hydrogen gas discharged from the fuel chamber 48 when the fuel cell stack 11 is started is provided. Can be discharged into the atmosphere. The hydrogen gas may not be directly discharged to the atmosphere but may be discharged after being combined with oxygen to form water.
[0026]
Further, a water discharge pipe 61 is connected to the gas-liquid separation trap 60 as a drain pipe for discharging water separated from hydrogen gas and collecting it in a water tank 52 described later. The water discharge pipe 61 is provided with a check valve 63 for drainage and a solenoid valve 62 for drainage as an on-off valve for drainage. The drain check valve 63 can be omitted.
[0027]
Further, an outside air introduction pipe 28 is connected between the second fuel supply pipe 33 and the startup steady operation switching valve 34 in the fuel discharge pipe 30. An electromagnetic valve 28a for introducing outside air and an air filter 28b are arranged in the outside air introducing pipe 28, so that outside air can be introduced into the fuel chamber 48 when the operation of the fuel cell stack 11 ends. .
[0028]
In addition, the gas-liquid separation trap 60 is located at the lowest position of the fuel discharge line 31 to make it easy to store water.
[0029]
Here, the first fuel pressure regulating valve 25a and the second fuel pressure regulating valve 25b may be a butterfly valve, a regulator valve, a diaphragm valve, a mass flow controller, a sequence valve, or the like. Any type may be used as long as it can adjust the pressure of the hydrogen gas flowing out of the outlets of the 25a and the second fuel pressure adjusting valve 25b to a preset pressure. The pressure may be adjusted manually, but is desirably adjusted by an actuator including an electric motor, a pulse motor, an electromagnet, and the like.
[0030]
The start-up fuel supply solenoid valve 23, the fuel supply solenoid valve 26, the outside air introduction solenoid valve 28a, the start-up steady operation switching valve 34, the start-up exclusive exhaust valve 56a, and the drainage solenoid valve 62 are of a so-called on-off type. And is operated by an actuator composed of an electric motor, a pulse motor, an electromagnet or the like. The fuel storage means open / close valve 24 is operated manually or automatically using an electromagnetic valve. The check valve 56b exclusively for starting and the check valve 63 for drainage have a normal structure. Further, the suction circulating pump 36 and the second suction circulating pump 36a may be of any type as long as the pump is capable of forcibly discharging hydrogen gas and bringing the inside of the fuel chamber 48 into a negative pressure state. There may be.
[0031]
The air filter 28b removes dust (dust), impurities, harmful gas and the like contained in the air.
[0032]
On the other hand, air as an oxidant is supplied from an oxidant supply source 15 such as an air supply fan, an air cylinder and an air tank to the oxygen chamber 49 of the fuel cell stack 11 through the oxidant supply line 17 and the intake manifold 14. Supplied. In addition, oxygen can be used instead of air as the oxidizing agent. Then, the air discharged from the oxygen chamber 49 is discharged to the atmosphere through the exhaust manifold 12, the condenser 12a, and the oxidant discharge line 18.
[0033]
Further, a water supply nozzle 16 for spraying water to maintain the oxygen electrode (cathode electrode) 44 of the fuel cell stack 11 in a wet state is provided in the intake manifold 14. Further, the oxygen electrode 44 and the fuel electrode 43 can be cooled by the sprayed water. Further, a condenser 12a provided at an end of the exhaust manifold 12 is for condensing and removing moisture contained in air discharged from the fuel cell stack 11, and is condensed by the condenser 12a. The water thus collected is collected in the water tank 52 through the condensed water discharge pipe 19. The condensed water discharge pipe 19 is provided with a drain pump 51, and the water tank 52 is provided with a level gauge (water level gauge) 52a and a safety valve 52b. A water discharge pipe 61 is connected to the water tank 52, and the water discharged from the gas-liquid separation trap 60 is also collected in the water tank 52.
[0034]
Then, the water in the water tank 52 is supplied to the water supply nozzle 16 through the water supply pipe 53. The water supply pipe 53 is provided with a water supply pump 54 and a water filter 55.
[0035]
Here, the drainage pump 51 and the water supply pump 54 may be of any type as long as they can suck and discharge water. The water filter 55 may be of any type as long as it removes dust, impurities and the like contained in water.
[0036]
The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and is generally a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, or the like. The power storage means may not necessarily be a battery, and may store and discharge energy electrically, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, a pressure accumulator, and the like. Any form may be used as long as it has a function. Further, any of these may be used alone or a plurality of them may be used in combination.
[0037]
The fuel cell stack 11 is connected to a load (not shown) and supplies the generated current to the load. Here, the load is generally an inverter device that is a drive control device, and a drive motor that converts a DC current from the fuel cell stack 11 or the power storage unit into an AC current to rotate wheels of the vehicle. To supply. Here, the drive motor also functions as a generator, and generates a so-called regenerative current during the deceleration operation of the vehicle. In this case, since the drive motor is rotated by the wheels to generate power, the drive motor brakes the wheels, that is, functions as a vehicle braking device (brake). Then, the regenerative current is supplied to the power storage means, and the power storage means is charged.
[0038]
In the present embodiment, the fuel cell system has control means (not shown). The control means includes arithmetic means such as a CPU and an MPU, storage means such as a magnetic disk and a semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and is supplied from various sensors to the fuel chamber 48 and the oxygen chamber 49 of the fuel cell stack 11. By detecting the flow rate, temperature, output voltage and the like of hydrogen, oxygen, air, etc., the oxidant supply source 15, the first fuel pressure regulating valve 25a, the second fuel pressure regulating valve 25b, the starting fuel supply solenoid valve 23, The operation of the fuel supply solenoid valve 26, the outside air introduction solenoid valve 28a, the startup steady operation switching valve 34, the suction circulation pump 36, the drain pump 51, the water supply pump 54, the startup exhaust valve 56a, the drain solenoid valve 62, and the like is controlled. . Further, the control means integrally controls the operation of all devices for supplying fuel and oxidant to the fuel cell stack 11 in cooperation with other sensors and other control devices.
[0039]
Next, the configuration of the gas-liquid separation trap 60 will be described in detail.
[0040]
FIG. 3 is a diagram showing a positional relationship between the gas-liquid separation trap and the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the gas-liquid separation trap according to the first embodiment of the present invention. FIG.
[0041]
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the gas-liquid separation trap 60 is located below the connection port of the fuel discharge pipe 31 in the fuel cell stack 11 in the vertical direction, that is, in the vertically downward direction. It is desirable to be located. Thereby, water can be easily discharged from the fuel chamber 48 of the fuel cell stack 11.
[0042]
Incidentally, in the fuel cell system according to the present embodiment, water is not supplied to the anode electrode side unlike the conventional fuel cell disclosed in Patent Document 1. That is, the fuel cell stack 11 does not include a mechanism for supplying water to the fuel chamber 48, and the hydrogen gas supplied as fuel into the fuel chamber 48 is not humidified. In the fuel cell system according to the present embodiment, the fuel electrode 43 is humidified by the back diffusion water. In addition, the back diffusion water means that the water generated in the oxygen chamber 49 diffuses into the solid polymer electrolyte membrane 45, passes through the solid polymer electrolyte membrane 45 in the opposite direction to the hydrogen ions, and enters the fuel chamber 48. It is a thing that has permeated up to. As described above, since each cell 40 is not provided with a mechanism for supplying water to the fuel chamber 48, the configuration of the fuel cell stack 11 is simple and small. Further, since it is not necessary to add moisture to the hydrogen gas and humidify it, there is no need to provide a pipe or a control valve for introducing water into the first fuel supply pipe 21 or the second fuel supply pipe 33, The configuration is simple, and the cost can be reduced.
[0043]
Then, in the fuel chamber 48 of the fuel cell stack 11, the surplus back-diffused water mixes with the surplus hydrogen gas to form a gas-liquid mixture. The gas-liquid mixture is sucked by the suction circulation pump 36 and is led out of the fuel cell stack 11 through the fuel discharge line 31. Then, the gas-liquid mixture is introduced into the trap container 64 from above the gas-liquid separation trap 60. Then, the gas-liquid mixture is separated into hydrogen gas and back-diffused water as moisture in the trap container 64, that is, the gas-liquid separated hydrogen gas is discharged from the fuel discharge pipe 30 to the outside of the trap container 64. . The separated back-diffused water is stored as stored water 65 in the lower part of the trap container 64. In addition, a water discharge pipe 61 provided with a drainage electromagnetic valve 62 is connected to a lower portion of the trap container 64. In FIG. 3, the check valve 63 for drainage is omitted. Further, the water discharge pipe 61 and the drain solenoid valve 62 can be arranged at positions 61 'and 62' indicated by dotted lines in FIG.
[0044]
Here, the gas-liquid separation trap 60 has a configuration as shown in FIG. The trap container 64 has a cylindrical shape with a bottom, and an open upper portion is airtightly closed (blocked) by a container cover 66. The container cover 66 is fixed to the trap container 64 by a fixing member 66a such as a bolt, and a seal member 66b such as an O-ring is provided between the lower surface of the container cover 66 and the upper end surface of the trap container 64. Are provided and maintain airtightness. The fuel discharge line 31 and the fuel discharge line 30 are connected to the upper side wall of the trap container 64 at positions separated from each other.
[0045]
Further, a water level sensor 67 for measuring the water level of the stored water 65 is attached to the container cover 66. The water level sensor 67 includes a rod-shaped measuring member 67a that hangs down in the vertical direction, and measures the position of the water surface 65a of the stored water 65 as a water level. In FIG. 4, reference numerals 67b and 67c denote detection points above and below the water level corresponding to the upper and lower limits of the appropriate range of the water level. In the present embodiment, when the water level rises and exceeds the above-water level detection point 67b, the control device of the fuel cell system opens the drainage electromagnetic valve 62 to move the stored water 65 from the water discharge line 61 to the outside of the trap container 64. When the water level falls and falls below the below-water level detection point 67c, the drainage electromagnetic valve 62 is closed to stop the stored water 65 from flowing out of the trap container 64 from the water discharge pipe 61.
[0046]
The positions of the above-water detection point 67b and the below-water detection point 67c can be set arbitrarily, but the below-water detection point 67c is located at a higher position than the position where the water discharge pipe 61 is connected to the trap container 64. It is also desirable that the upper part be located above in the vertical direction. Thereby, it is possible to prevent the outflowing water from being mixed with the hydrogen gas and to improve the recovery rate of the hydrogen gas.
[0047]
Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described. Here, an operation of controlling the water level of the stored water 65 in the steady operation will be described.
[0048]
FIG. 5 is a flowchart showing an operation for controlling the level of the stored water in the first embodiment.
[0049]
During a steady operation in the fuel cell system of the present embodiment, the pressure of the hydrogen gas flowing out from the outlets of the first fuel pressure regulating valve 25a and the second fuel pressure regulating valve 25b is adjusted to a predetermined constant pressure, and The first fuel pressure adjusting valve 25a and the second fuel pressure adjusting valve 25b are not adjusted during the operation of the fuel cell system, and are kept as they are. The oxidant supply source 15 operates so as to always supply a constant amount of air to the oxygen chamber 49 of the fuel cell stack 11. In this case, the amount of supplied air is sufficiently larger than the amount of air required to maximize the output of the fuel cell stack 11.
[0050]
When the fuel cell stack 11 starts operating, reverse diffusion water is generated in each cell 40 constituting the fuel cell stack 11, and the reverse diffusion water passes through the solid polymer electrolyte membrane 45 and enters the fuel chamber 48. To humidify the fuel electrode 43 side of the solid polymer electrolyte membrane 45. As a result, the fuel electrode 43 side of the solid polymer electrolyte membrane 45 is in a wet state, and hydrogen ions generated from hydrogen by the electrochemical reaction can smoothly move in the solid polymer electrolyte membrane 45.
[0051]
The surplus hydrogen gas supplied to the fuel chamber 48 permeates into the fuel chamber 48 and mixes with surplus back-diffused water to form a gas-liquid mixture. The hydrogen gas that has become the gas-liquid mixture is sucked by the suction circulation pump 36, and is led out of the fuel cell stack 11 through the fuel discharge pipe 31 connected to the fuel cell stack 11. Then, the gas-liquid mixture passes through the fuel discharge pipe 31 and is introduced into the trap container 64. Then, by staying in the trap container 64 having a relatively large space, the heavy water content falls downward due to gravity, and the reverse diffusion water is separated from the hydrogen gas. The hydrogen gas in a state where the back diffusion water is separated and dried is discharged from the fuel discharge pipe 30 to the outside of the trap container 64. The hydrogen gas discharged from the fuel discharge pipe 30 is introduced into the second fuel supply pipe 33, and is again supplied to the fuel chamber 48 of the fuel cell stack 11 for reuse.
[0052]
Here, since the fuel discharge line 30 is connected to the side wall of the upper portion of the trap container 64, only the dry hydrogen gas in which the back-diffused water is separated and lightened can be discharged from the fuel discharge line 30. It is discharged and no water is discharged. Further, since the fuel discharge line 31 and the fuel discharge line 30 are connected to the upper side wall of the trap container 64 at positions separated from each other, the gas liquid introduced into the trap container 64 from the fuel discharge line 31 The mixture does not flow out of the fuel discharge line 30 as it is. As a result, excess back-diffused water that has penetrated into the fuel chamber 48 can be appropriately trapped, and excess hydrogen gas can be recovered in a dry state and reused.
[0053]
On the other hand, the reverse diffusion water separated and dropped from the gas-liquid mixture is stored as stored water 65 in the lower portion of the trap container 64. Here, the water level of the stored water 65 is measured by the water level sensor 67, that is, the water level is detected by the water level sensor 67 (step S1). Then, as the fuel cell stack 11 continues to operate, the amount of water separated from the gas-liquid mixture led out of the fuel cell stack 11 increases, and the water level of the stored water 65 gradually rises. When the control device of the fuel cell system determines that the water level of the stored water 65 has exceeded the water level detection point 67b (step S2), the electromagnetic valve 62 for drainage is opened to open the water discharge pipe 61, and the stored water is opened. 65 is discharged from the water discharge pipe 61 to the outside of the trap container 64 (step S3). Thereby, the water level of the storage water 65 gradually decreases. When the control device of the fuel cell system determines that the water level of the stored water 65 has fallen below the water level detection point 67c (step S4), it closes the drainage electromagnetic valve 62, closes the water discharge line 61, and stores the stored water. The flow of water 65 out of the trap container 64 from the water discharge pipe 61 is stopped (step S5). Thereafter, by repeating such an operation, the water level of the stored water 65 can be maintained between the above-water level detection point 67b and the below-water level detection point 67c.
[0054]
Note that the reverse diffusion water flowing out of the trap container 64 from the water discharge pipe 61 is collected in the water tank 52. This makes it possible to effectively reuse the surplus back-diffused water.
[0055]
As described above, in the present embodiment, the gas-liquid mixture of the back-diffused water and the hydrogen gas that has become excessive in the fuel chamber 48 is sucked by the suction circulation pump 36 and discharged to the outside of the fuel cell stack 11. It has become. Therefore, the flow of hydrogen gas in the fuel chamber 48 can be prevented from being clogged by excess back-diffusion water, and the hydrogen gas as fuel can be stably supplied to the surface of the fuel electrode 43. it can.
[0056]
Further, surplus back-diffused water is separated from hydrogen gas by the gas-liquid separation trap 60 and collected in the water tank 52, so that it can be effectively reused. This makes it possible to compensate for the shortage of water to be sprayed for humidifying the oxygen electrode 44 of the fuel cell stack 11, and to reduce the size and weight of the water tank 52.
[0057]
Further, since the reverse diffusion water mixed with the surplus hydrogen gas is separated by the gas-liquid separation trap 60, the surplus hydrogen gas can be collected and reused. Thereby, the fuel consumption of the fuel cell stack 11 can be suppressed.
[0058]
Further, since the water level is detected by the water level sensor 67 and the water level of the stored water 65 in the trap container 64 can be appropriately controlled, the amount of the stored water 65 is reduced, and the size of the gas-liquid separation trap 60 is reduced. be able to.
[0059]
Further, since the fuel electrode 43 is humidified by the back diffusion water and each cell 40 does not have a mechanism for supplying water to the fuel chamber 48, the configuration of the fuel cell stack 11 can be simplified and downsized. . Further, since it is not necessary to add moisture to the hydrogen gas and humidify it, there is no need to provide a pipe or a control valve for introducing water into the first fuel supply pipe 21 or the second fuel supply pipe 33, The configuration of the fuel cell system can be simplified, and the cost can be reduced.
[0060]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about what has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by attaching the same code | symbol. The description of the same operation and effect as those of the first embodiment is omitted.
[0061]
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a gas-liquid separation trap according to a second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram illustrating a change in water recovery amount of the gas-liquid separation trap according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8 is a diagram showing the time when the solid polymer electrolyte membrane according to the second embodiment of the present invention is wet, and FIG. 9 is a diagram showing the time when the solid polymer electrolyte membrane according to the second embodiment of the present invention is wet. FIG. 10 shows a change in the amount of water collected by the liquid separation trap, FIG. 10 shows a change in the amount of water flowing out from the gas-liquid separation trap in the second embodiment of the present invention, and FIG. It is a flowchart which shows the operation | movement which controls the water level of the stored water in the form of FIG.
[0062]
As shown in FIG. 6, the gas-liquid separation trap 60 according to the present embodiment does not include the water level sensor 67, and the fuel discharge line 31 is not provided on the side wall of the trap container 64 but on the container cover 66. It differs from the first embodiment in that it is connected. Therefore, the control device of the fuel cell system controls the operation of the drainage electromagnetic valve 62 according to a preset sequence in order to appropriately control the level of the stored water 65 in the trap container 64.
[0063]
First, an experiment was performed to measure a temporal change in the amount of the back-diffused water recovered from the fuel cell stack 11, and the result shown in FIG. 7 could be obtained. In FIG. 7, the vertical axis represents the amount of recovered reverse diffusion water [ml], and the horizontal axis represents time [minutes]. Here, the horizontal axis represents the time from the start of the operation of the fuel cell system, and the time 0 [minute] is the start of the operation of the fuel cell system.
[0064]
Here, the recovery amount of the back-diffused water depends on the total electrode area of the fuel cell stack 11, the current density of the fuel cell stack 11, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 45, and the gas diffusion constituting Ease of water permeability of electrodes, humidity in fuel chamber 48, humidity in oxygen chamber 49, pressure in fuel chamber 48, pressure in oxygen chamber 49, temperature in fuel chamber 48, temperature in oxygen chamber 49 And so on.
[0065]
Therefore, FIG. 7 shows a result of measuring a temporal change in the amount of the back diffusion water for each current density of the fuel cell stack 11. Note that the current density is a value obtained by dividing the current value output from the fuel cell stack 11 by the total electrode area of the fuel cell stack 11, and is [A / cm 2 ] Is represented. In FIG. 7, a curve 71 indicates a current density of 0.1 A / cm. 2 ], The change over time in the amount of reverse diffusion water recovered, curve 72 shows a current density of 0.2 [A / cm 2 ], The curve 73 shows the current density of 0.3 [A / cm 2 Curve 74 shows the current density of 0.4 [A / cm]. 2 ], The curve 75 shows the current density of 0.5 [A / cm] 2 ] Shows the change over time of the recovery amount of the back-diffused water. Note that the straight line 76 indicates the maximum amount of the stored water 65 in the trap container 64. From this, it is understood that the amount of the reverse diffusion water increases as the current density increases.
[0066]
Also, it can be seen that in the range shown by the dotted line A, the amount of the reverse diffusion water hardly increases. This can be considered to be because in the time zone immediately after the operation of the fuel cell system is started, since the solid polymer electrolyte membrane 45 is dry, the back diffusion water does not permeate into the fuel chamber 48. . Then, after a certain period of time has elapsed since the operation of the fuel cell system was started, the solid polymer electrolyte membrane 45 is in a state of being wetted by the back diffusion water. Then, the back-diffused water permeates into the fuel chamber 48, and the surplus back-diffused water is supplied to the fuel chamber 48 and mixed with the surplus hydrogen gas to form a gas-liquid mixture to form a gas-liquid mixture. And collected as stored water 65 in the trap container 64. Therefore, the recovery amount of the reverse diffusion water is measured by measuring the amount of the stored water 65 in the trap container 64.
[0067]
Then, based on the results shown in FIG. 7, it is possible to obtain the relationship between the time required until the solid polymer electrolyte membrane 45 becomes wet and the current density. Here, the result shown in FIG. 8 was obtained. In FIG. 8, the vertical axis represents time [seconds], and the horizontal axis represents current density [A / cm. 2 ] Has been taken. Here, the vertical axis indicates the time from the start of the operation of the fuel cell system, and the time 0 [second] is the start of the operation of the fuel cell system.
[0068]
8, a curve 76 is a curve connecting points indicating the relationship between the time required for the solid polymer electrolyte membrane 45 to become wet and the current density obtained based on the results shown in FIG. 7, and the curve 77 is It is an approximate curve of the curve. The curve 77 can be represented by the following equation (1).
t2 = aI 2 + BI + c Equation (1)
Here, t2 is the time required until the solid polymer electrolyte membrane 45 of the fuel cell stack 11 is wet, that is, the electrolyte membrane wet time [sec], and I is the average value of the current density [A / cm]. 2 ]. A, b, and c are constants for drawing the curve 77. For example, the curve 77 is drawn by setting a = 3428.6, b = -4337.1, and c = 1455. I was able to.
[0069]
Further, based on the results shown in FIG. 7, it is possible to obtain the relationship between the recovery amount of the reverse diffusion water after the solid polymer electrolyte membrane 45 is wet and the current density. Here, the result shown in FIG. 9 was obtained. In FIG. 9, the vertical axis represents the recovery amount [ml] of the reverse diffusion water, and the horizontal axis represents the current density [A / cm]. 2 ] Has been taken.
[0070]
In FIG. 9, a fold line 78 is a line connecting the points indicating the relationship between the amount of reverse diffusion water recovered after the solid polymer electrolyte membrane 45 is wetted and the current density obtained based on the results shown in FIG. 7. , A curve 79 is an approximate curve of the broken line 78. The curve 79 can be represented by the following equation (2).
Q1 = dI 2 + EI Equation (2)
Here, Q1 is a recovery amount per unit time [ml] as a recovery amount of reverse diffusion water per unit time, and I is an average value of current density [A / cm]. 2 ]. Further, d and e are constants for drawing the curve 79. For example, the curve 79 could be drawn by setting d = −0.019669 and e = 0.197775.
[0071]
Further, according to an experiment, the drainage electromagnetic valve 62 is opened to open the water discharge pipe 61, and when the stored water 65 flows out of the trap vessel 64 from the water discharge pipe 61, the stored water 65 flows out of the gas-liquid separation trap 60. When the change in the amount of water was measured, a result as shown in FIG. 10 could be obtained. In FIG. 10, the amount of water flowing out [ml] is plotted on the vertical axis, and the time [sec] during which the drain solenoid valve 62 is open is plotted on the horizontal axis.
[0072]
In this case, it can be seen that the relationship between the amount of water flowing out from the gas-liquid separation trap 60 and the time during which the drain solenoid valve 62 is open is a proportional relationship as shown by a straight line 81. From the point B on the straight line 81, it can be seen that 16 [ml] of water flows out of the gas-liquid separation trap 60 when the drain electromagnetic valve 62 is opened for 1 [second]. Therefore, for example, when the gas-liquid separation trap water storage amount Q2 [ml] as the amount of the stored water 65 in the trap container 64 exceeds a predetermined value, a sequence is set in which the drainage solenoid valve 62 is opened by 1 [second]. In this case, when the following equation (3) is satisfied, the drain solenoid valve 62 is opened for 1 second.
Q2> 16 Expression (3)
In the present embodiment, the equations (1) to (3) are stored in advance in the storage unit of the control device. The control device acquires the time, current density, and the like, and controls the operation of the drainage electromagnetic valve 62 by performing calculations based on the equations (1) to (3).
[0073]
First, the control device starts measuring an elapsed time t from the time when the operation of the fuel cell system is started, based on the time obtained from a clock (not shown) (step S11). Subsequently, the control device measures an elapsed time t1 from the end of the previous operation to the start of the current operation (step S12), and determines whether or not the t1 exceeds a predetermined value (step S12). Step S13). This is because it can be considered that the solid polymer electrolyte membrane 45 is not dry but wet in the time zone immediately after the operation of the fuel cell system is completed.
[0074]
Therefore, if the predetermined time has not elapsed since the last operation, the solid polymer electrolyte membrane 45 is wet, and the back-diffused water permeates into the fuel chamber 48 immediately after starting the current operation. However, it can be considered that surplus back-diffusion water is supplied to the fuel chamber 48. Then, the surplus back-diffused water is supplied to the fuel chamber 48 and mixed with the surplus hydrogen gas to form a gas-liquid mixture, which is led out of the fuel cell stack 11 and stored in the trap container 64. Collected as water 65. Therefore, when the predetermined time has not elapsed since the previous operation was completed, the control device performs the operation in the electrolyte membrane wet mode, which is the operation mode when the solid polymer electrolyte membrane 45 is wet. .
[0075]
On the other hand, if the predetermined time has elapsed since the previous operation was completed, since the solid polymer electrolyte membrane 45 has been dried, the back-diffused water reaches the fuel chamber 48 immediately after starting the current operation. It can be thought that it does not penetrate. In this case, the control device performs an operation in an electrolyte membrane drying mode, which is an operation mode when the solid polymer electrolyte membrane 45 is dry. The predetermined time can be appropriately set based on experiments.
[0076]
Then, in the operation in the electrolyte membrane drying mode, the control device firstly sets the current density i [A / cm 2 ] Is measured (step S14). In this case, since the areas of the fuel electrode 43 and the oxygen electrode 44 in each cell 40 of the fuel cell stack 11 are known, the current density i can be obtained by measuring the current value output from the fuel cell stack 11. . The measurement of the current density i is repeatedly performed at a predetermined time period, for example, once every second.
[0077]
Subsequently, the control device calculates the average value I [A / cm of the measured current density i. 2 ] Is calculated (step S15). Subsequently, the control device calculates the electrolyte membrane wetting time t2 of the fuel cell stack 11 based on the equation (1) (step S16), and determines whether the elapsed time t is less than the electrolyte membrane wetting time t2. Is determined (step S17). If the elapsed time t is shorter than the electrolyte membrane wetting time t2, it is considered that the solid polymer electrolyte membrane 45 is not yet wet, so the control device starts the operation in the electrolyte membrane drying mode first. Repeat from.
[0078]
When the elapsed time t is equal to or longer than the electrolyte membrane wetting time t2, it is considered that the solid polymer electrolyte membrane 45 is wet, and the control device starts the operation in the electrolyte membrane wet mode. . In this case, the control device firstly sets the current density i [A / cm 2 ] Is measured (step S18). The measurement of the current density i is repeatedly performed at a predetermined time period, for example, once every second. Subsequently, the control device calculates the average value I [A / cm of the measured current density i. 2 ], And the per-unit-time equivalent collection amount Q1 [ml] is calculated based on the above equation (2) (step S19).
[0079]
Subsequently, the control device updates the gas-liquid separation trap water storage amount Q2 by adding the unit time equivalent recovery amount Q1 to the previously calculated gas-liquid separation trap water storage amount Q2 (step S20). The first-stage gas-liquid separation trap water storage amount Q2 is a reset value and is 0.
[0080]
Subsequently, the control device determines whether or not the updated gas-liquid separation trap water storage amount Q2 exceeds a predetermined value (step S21). The predetermined value is 16 [ml] in accordance with the above equation (3). If the water storage amount Q2 of the gas-liquid separation trap does not exceed the predetermined value, there is no need to open the drain solenoid valve 62, and the control device repeats the operation in the electrolyte membrane wet mode from the beginning. If the water storage amount Q2 of the gas-liquid separation trap exceeds a predetermined value, the control device opens the drain solenoid valve 62 for a predetermined time (step S22). Note that the predetermined time is 1 [second] in accordance with the equation (3). Next, the control device resets the gas-liquid separation trap water storage amount Q2 to 0 (step S23). Thereafter, the controller repeats the operation in the electrolyte membrane wet mode from the beginning.
[0081]
As described above, in the present embodiment, the operation of the drainage electromagnetic valve 62 is controlled in accordance with a sequence set based on the properties of the back-diffusion water. Therefore, even if the gas-liquid separation trap 60 does not include the water level sensor 67 as in the first embodiment, the water level of the stored water 65 in the trap container 64 can be appropriately controlled, and the stored water By reducing the amount of 65, the size of the gas-liquid separation trap 60 can be reduced.
[0082]
Further, since the water level sensor 67 as in the first embodiment is provided, the configuration of the gas-liquid separation trap 60 can be simplified, and the cost can be reduced. Further, the position at which the fuel discharge line 31 or the fuel discharge line 30 is connected to the trap container 64 can be freely determined without considering the position of the water level sensor 67 as in the first embodiment. Therefore, the gas-liquid separation performance can be improved.
[0083]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In addition, about what has the same structure as 1st and 2nd embodiment, the description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol. The description of the same operations and effects as those of the first and second embodiments will be omitted.
[0084]
FIG. 12 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to the third embodiment of the present invention.
[0085]
In the present embodiment, the reverse diffusion water separated from the gas-liquid mixture by the gas-liquid separation trap 60 is discharged to the outside without being collected in the water tank 52. Therefore, as shown in FIG. 12, a water discharge line 61 is connected to a portion between the muffler 56c and the start-only exhaust valve 56a in the start-up fuel discharge line 56. In this embodiment, the check valve 56b dedicated for activation is omitted. In FIG. 12, the fuel storage means 13, the exhaust manifold 12, the condenser 12a, the water tank 52, and the like are omitted. However, in the fuel cell system according to the present embodiment, the water discharge pipe 61 has It has the same configuration as that of the first and second embodiments except that it is not connected to the water tank 52 but is connected to the fuel discharge line 56 dedicated for starting.
[0086]
Thus, in the present embodiment, since the water discharge pipe 61 is not connected to the water tank 52, the piping of the water discharge pipe 61 can be simplified. Therefore, the configuration of the fuel cell system can be simplified, and the cost can be reduced.
[0087]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified based on the gist of the present invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.
[0088]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, in a fuel cell system, an electrolyte membrane, a fuel electrode and an oxygen electrode sandwiching the electrolyte membrane, a fuel chamber in contact with the fuel electrode, and the oxygen electrode A fuel cell having an oxygen chamber in contact therewith, wherein water is back-diffused from the oxygen electrode to the fuel electrode in the electrolyte membrane to maintain the wet state, and a fuel gas is connected to the fuel chamber and supplies fuel gas to the fuel chamber A fuel supply pipe connected to the fuel chamber, a fuel discharge pipe connected to the fuel chamber for discharging fuel gas from the fuel chamber, and a fuel discharge pipe arranged in the fuel discharge pipe and discharged from the fuel chamber. A gas-liquid separation trap for separating the trapped back-diffused water, and a fuel gas connected to the gas-liquid separation trap and the fuel supply pipe, and introducing the fuel gas discharged from the gas-liquid separation trap into the fuel supply pipe. Having a fuel discharge line
[0089]
In this case, when the fuel gas mixed with the excess back-diffused water in the fuel chamber is discharged to the outside of the fuel cell, the water and the fuel gas are separated by the gas-liquid separation trap. Can be recovered and reused, and only water can be selectively discharged. Thereby, the fuel consumption of the fuel cell can be suppressed.
[0090]
Furthermore, since there is no mechanism for humidifying the fuel electrode with the back diffusion water and supplying water to the fuel chamber, the configuration of the fuel cell can be simplified and downsized. Also, since it is not necessary to add moisture to the fuel and humidify it, there is no need to arrange piping or control valves for introducing water into the fuel supply line, simplifying the structure of the fuel cell system and reducing costs. can do.
[0091]
In another fuel cell system, the fuel cell system further includes a drainage pipe connected to the gas-liquid separation trap and having a drainage on-off valve. Control the amount of back-diffusion water stored in the liquid separation trap.
[0092]
In this case, the amount of the reverse diffusion water stored in the gas-liquid separation trap can be appropriately controlled, so that the amount of the stored reverse diffusion water can be reduced, and the size of the gas-liquid separation trap can be reduced. it can.
[0093]
In still another fuel cell system, the gas-liquid separation trap further includes a water level sensor, and the drainage on-off valve opens and closes the drainage pipe based on the water level detected by the water level sensor.
[0094]
In this case, since the level of the reverse diffusion water stored in the gas-liquid separation trap is measured, the amount of the reverse diffusion water can be appropriately controlled.
[0095]
In still another fuel cell system, the drainage on-off valve opens and closes the drainage line in accordance with a sequence set based on the properties of the back diffusion water.
[0096]
In this case, since the water level sensor is provided, the configuration of the gas-liquid separation trap can be simplified, and the cost can be reduced. Further, the position at which the fuel discharge pipe and the drain pipe are connected to the gas-liquid separation trap can be freely determined, so that the gas-liquid separation performance can be improved.
[0097]
In still another fuel cell system, the drain pipe is further connected to a water tank, and the reverse diffusion water discharged from the gas-liquid separation trap is collected in the water tank.
[0098]
In this case, the surplus back-diffused water can be effectively reused.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a unit unit of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a positional relationship between a gas-liquid separation trap and a fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a gas-liquid separation trap according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing an operation of controlling the level of the stored water according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a gas-liquid separation trap according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a change in a water recovery amount of a gas-liquid separation trap according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a time when a solid polymer electrolyte membrane according to a second embodiment of the present invention is wet.
FIG. 9 is a diagram showing a change in the amount of water recovered by a gas-liquid separation trap when the solid polymer electrolyte membrane in the second embodiment of the present invention is wet.
FIG. 10 is a diagram showing a change in the amount of water flowing out of a gas-liquid separation trap according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a flowchart showing an operation for controlling the level of stored water in the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Fuel cell stack
21 First fuel supply line
30, 31 fuel discharge line
33 Second fuel supply line
43 Fuel electrode
44 Oxygen electrode
48 Fuel Chamber
49 oxygen chamber
52 water tank
60 gas-liquid separation trap
61 Water discharge pipeline
62 Solenoid valve for drainage
67 Water level sensor

Claims (5)

(a)電解質膜、該電解質膜を狭持する燃料極及び酸素極、前記燃料極と接する燃料室、並びに、前記酸素極と接する酸素室を備えるとともに、前記電解質膜において酸素極から燃料極に対して水が逆拡散してその湿潤状態を維持する燃料電池と、
(b)前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給管路と、(c)前記燃料室に接続され、該燃料室の燃料ガスを排出する燃料排出管路と、(d)該燃料排出管路に配設され、前記燃料室から排出された燃料ガスに取りこまれた逆拡散水を分離する気液分離トラップと、
(e)該気液分離トラップと燃料供給管路とに接続され、前記気液分離トラップから排出された燃料ガスを前記燃料供給管路に導入する燃料排出管路とを有することを特徴とする燃料電池システム。
(A) an electrolyte membrane, a fuel electrode and an oxygen electrode sandwiching the electrolyte membrane, a fuel chamber in contact with the fuel electrode, and an oxygen chamber in contact with the oxygen electrode; On the other hand, a fuel cell in which water is back-diffused to maintain its wet state,
(B) a fuel supply pipe connected to the fuel chamber and supplying fuel gas to the fuel chamber; and (c) a fuel discharge pipe connected to the fuel chamber and discharging fuel gas from the fuel chamber. (D) a gas-liquid separation trap that is disposed in the fuel discharge pipe and separates back-diffused water incorporated in the fuel gas discharged from the fuel chamber;
(E) a fuel discharge line connected to the gas-liquid separation trap and the fuel supply line, and introducing a fuel gas discharged from the gas-liquid separation trap into the fuel supply line. Fuel cell system.
(a)前記気液分離トラップに接続され、排水用開閉弁を備える排水管路を有し、
(b)前記排水用開閉弁は、前記排水管路を開閉して、前記気液分離トラップ内に貯留された逆拡散水の量を制御する請求項1に記載の燃料電池システム。
(A) having a drain pipe connected to the gas-liquid separation trap and having a drain on-off valve,
(B) The fuel cell system according to claim 1, wherein the drainage on-off valve opens and closes the drainage pipe to control the amount of the back-diffused water stored in the gas-liquid separation trap.
(a)前記気液分離トラップは、水位センサを備え、
(b)前記排水用開閉弁は、前記水位センサの検出した水位に基づいて前記排水管路を開閉する請求項2に記載の燃料電池システム。
(A) the gas-liquid separation trap includes a water level sensor;
(B) The fuel cell system according to claim 2, wherein the drainage on-off valve opens and closes the drainage pipe based on a water level detected by the water level sensor.
前記排水用開閉弁は、前記逆拡散水の性質に基づいて設定されたシーケンスに従って前記排水管路を開閉する請求項2に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 2, wherein the drainage on-off valve opens and closes the drainage line in accordance with a sequence set based on a property of the back-diffusion water. (a)前記排水管路は、水タンクに接続され、
(b)前記気液分離トラップから排出された逆拡散水は前記水タンクに回収される請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
(A) the drainage line is connected to a water tank;
(B) The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the reverse diffusion water discharged from the gas-liquid separation trap is collected in the water tank.
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