JP2005149883A

JP2005149883A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2005149883A
Application number: JP2003385034A
Authority: JP
Inventors: Sotoharu Tanaka; 外治田中
Original assignee: Toyo Radiator Co Ltd
Current assignee: Toyo Radiator Co Ltd
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2005-06-09

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the performance of a radiator and a fuel cell system through the recirculation of off-gas in the radiator. <P>SOLUTION: The fuel cell system 11 generating power by chemical reaction of fuel supplied to a fuel electrode 13 and gas supplied to an oxidant electrode 14 through an electrolyte film 12 is provided with the radiator 18 with a core 21 structured of a number of tubes 19 and fins 20, and an off-gas supply means 23 supplying the off gas generated at power generation to an outside face of the core 21 of the radiator 19. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料極側の燃料と酸化剤極側の気体とを電解質膜を介して化学的に反応させることにより発電する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power by chemically reacting a fuel on the fuel electrode side and a gas on the oxidant electrode side through an electrolyte membrane.

近年、図３に示されているように、水素等の燃料と酸素等の気体とを化学的に反応させて燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池システム１を搭載した自動車２が注目されている。 In recent years, as shown in FIG. 3, an automobile 2 equipped with a fuel cell system 1 that directly converts a chemical energy of a fuel into electric energy by chemically reacting a fuel such as hydrogen and a gas such as oxygen. Is attracting attention.

このような自動車２に搭載された従来の燃料電池システム１には、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が設けられた燃料電池３と、燃料電池３等を冷却するための複数のラジエータ４とが設けられている。そして、燃料電池３は、前記燃料極に供給された燃料と前記酸化剤極に供給された気体との化学反応により電力を発生させ、この電力は自動車２の駆動部等に供給される。また、この時、燃料電池３において電力と共に多量の水分を含んだオフガスが発生し、このオフガスは一部分が燃料電池３の加湿に利用された後、外部に排出されるようになっている（例えば、特許文献１，２参照）。 A conventional fuel cell system 1 mounted on such an automobile 2 includes a fuel cell 3 provided with a fuel electrode and an oxidant electrode with an electrolyte membrane interposed therebetween, and a plurality of radiators for cooling the fuel cell 3 and the like. 4 are provided. The fuel cell 3 generates electric power by a chemical reaction between the fuel supplied to the fuel electrode and the gas supplied to the oxidant electrode, and the electric power is supplied to the drive unit of the automobile 2 or the like. At this time, off-gas containing a large amount of water is generated together with electric power in the fuel cell 3, and this off-gas is partly used for humidification of the fuel cell 3 and then discharged to the outside (for example, Patent Documents 1 and 2).

特開２００１−３５７８６４号公報JP 2001-357864 A 特開２００２−３７２３８５号公報JP 2002-372385 A

しかしながら、上記した従来の燃料電池システム１では、燃料電池３での発電時に発生する多量の水分を含んだオフガスの大部分が外部に排出されていたため、ラジエータ４及び燃料電池システム１の性能を十分に向上させることができないといった問題があった。 However, in the conventional fuel cell system 1 described above, most of the off-gas containing a large amount of moisture generated during power generation in the fuel cell 3 has been discharged to the outside, so that the performance of the radiator 4 and the fuel cell system 1 is sufficient. There was a problem that it could not be improved.

本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、オフガスをラジエータに再循環させ、ラジエータ及び燃料電池システムの性能を向上させることのできる燃料電池システムを提供するものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a fuel cell system that can recycle off-gas to a radiator and improve the performance of the radiator and the fuel cell system.

本発明は、燃料極に供給された燃料と酸化剤極に供給された気体とを電解質膜を介して化学的に反応させることにより電力を発生させる燃料電池システムであって、多数のチューブとフィンにより構成されたコアを有するラジエータと、発電時に発生するオフガスを前記ラジエータのコア外面に供給するオフガス供給手段とを備えていることを特徴とする。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electric power by chemically reacting a fuel supplied to a fuel electrode and a gas supplied to an oxidant electrode through an electrolyte membrane, and includes a plurality of tubes and fins. And a radiator having a core constituted by the above and off-gas supply means for supplying off-gas generated during power generation to the core outer surface of the radiator.

好ましくは、前記オフガス供給手段には、前記ラジエータのコア外面にオフガスを噴射可能な噴射口が設けられ、該噴射口は噴射されたオフガス中の水分の粒径が２００μｍ以下となるように形成されている。 Preferably, the off-gas supply means is provided with an injection port capable of injecting off-gas on the outer surface of the core of the radiator, and the injection port is formed so that a particle diameter of water in the injected off-gas is 200 μm or less. ing.

本発明によれば、オフガス中の水分の蒸発潜熱を利用することができるので、ラジエータ及び燃料電池システムの性能を向上させることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。 According to the present invention, since the latent heat of vaporization of water in off-gas can be used, various excellent effects can be obtained, such as improving the performance of the radiator and the fuel cell system.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、以下の説明では、本発明を自動車用のダイレクトメタノール型燃料電池システムに適用した場合を例にとって説明する。 Hereinafter, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, a case where the present invention is applied to a direct methanol fuel cell system for automobiles will be described as an example.

図１及び図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示している。このダイレクトメタノール型燃料電池システム１１は、電解質膜１２を挟んで燃料極１３と酸化剤極１４とが設けられた燃料電池１５と、メタノール水溶液を貯蔵する燃料タンク１６と、酸化剤極１４の出口側に設けられた凝縮器１７と、燃料電池１５を冷却するためのラジエータ１８とから概略構成されている。 1 and 2 show a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The direct methanol fuel cell system 11 includes a fuel cell 15 provided with a fuel electrode 13 and an oxidant electrode 14 with an electrolyte membrane 12 interposed therebetween, a fuel tank 16 for storing a methanol aqueous solution, and an outlet of the oxidant electrode 14. A condenser 17 provided on the side and a radiator 18 for cooling the fuel cell 15 are schematically configured.

ラジエータ１８には、多数のチューブ１９とフィン２０（図２参照）により構成されたコア２１が設けられ、チューブ１９の両端に一対のタンク２２が設けられている。また、ラジエータ１８のコア２１の前面側には、ラジエータ１８に向かって多数の噴射口２５（図２参照）が形成されたパイプ状のオフガス供給ヘッダ２３が設けられ、ラジエータ１８の後面側にはファン２４が設けられている。そして、オフガス供給ヘッダ２３の噴射口２５は、噴射口２５から噴射されたオフガス中の水分が細かい霧状、好ましくは、その粒径が２００μｍ以下となるように形成されている。 The radiator 18 is provided with a core 21 composed of a large number of tubes 19 and fins 20 (see FIG. 2), and a pair of tanks 22 are provided at both ends of the tube 19. Further, on the front side of the core 21 of the radiator 18, there is provided a pipe-like off-gas supply header 23 in which a large number of injection ports 25 (see FIG. 2) are formed toward the radiator 18, and on the rear surface side of the radiator 18. A fan 24 is provided. The injection port 25 of the off-gas supply header 23 is formed so that the moisture in the off-gas injected from the injection port 25 is fine mist, and preferably the particle size thereof is 200 μm or less.

次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１１の作用を説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 11 according to the present embodiment will be described.

燃料タンク１６から燃料極１３にメタノール水溶液が供給されると共に酸化剤極１４に空気が供給されると、メタノールと空気とが電解質膜１２を介して化学的に反応し、燃料電池１５において電力が発生する。この時、燃料極１３側では二酸化炭素とメタノール水溶液が発生し、酸化剤極１４側では多量に水分を含んだオフガスが発生する。そして、燃料極１３側で発生したメタノールは燃料タンク１６に還流され、一方、酸化剤極１４側で発生したオフガスは、凝縮器１７においてオフガス中の水分の一部が凝縮された後、オフガス供給ヘッダ２３の噴射口２５からラジエータ１８のコア２１外面側に噴射される。 When an aqueous methanol solution is supplied from the fuel tank 16 to the fuel electrode 13 and air is supplied to the oxidant electrode 14, the methanol and air chemically react with each other through the electrolyte membrane 12, and electric power is generated in the fuel cell 15. Occur. At this time, carbon dioxide and methanol aqueous solution are generated on the fuel electrode 13 side, and off-gas containing a large amount of moisture is generated on the oxidant electrode 14 side. The methanol generated on the fuel electrode 13 side is recirculated to the fuel tank 16, while the off gas generated on the oxidant electrode 14 side is supplied to the off gas after the moisture in the off gas is condensed in the condenser 17. It is injected from the injection port 25 of the header 23 to the core 21 outer surface side of the radiator 18.

この時、オフガス中には依然として多量の水分が含まれているため、オフガス中の水分は、細かい霧状の水滴となってフィン２０に付着後、気化し、チューブ１９内を流通する冷媒から潜熱を奪い、その冷媒を冷却する。実験によれば、ｈ（ｋｗｈ／ｋｇ）の蒸発潜熱を有するｖ（ｋｇ／ｈ）の水分をラジエータ１８に噴射した時にＱ_１（ｋｗ）の放熱量が得られたとすると、その放熱量Ｑ_１（ｋｗ）と、水分を噴射しない時のラジエータ１８の放熱量Ｑ_２（ｋｗ）との関係は、
Ｑ_１／Ｑ_２＋ｖｈ＜＜１００％
となることが分かっている。そこで、例えば、ラジエータ１８のフィン２０の表面温度を８０℃とすると、８０℃の時の水の蒸発潜熱ｈは、
ｈ＝５５１ｋｃａｌ／ｋｇ＝２３０４．４ｋＪ／ｈ
であるから、ラジエータ１８に１ｋｇ／ｈの水分を噴射した場合、その水分による放熱量Ｑ_１は、
Ｑ_１＝１ｋｇ／ｈ×２３０４．３ｋＪ／ｈ＝２３０４．３ｋＪ／ｈ＝０．６４ｋｗ≒Ｑ_２
となる。 At this time, since the offgas still contains a large amount of water, the water in the offgas is vaporized after adhering to the fins 20 as fine mist-like water droplets, and latent heat is generated from the refrigerant circulating in the tube 19. To cool the refrigerant. According to the experiment, if a heat dissipation amount of Q ₁ (kw) is obtained when v (kg / h) of water having latent heat of vaporization of h (kwh / kg) is injected to the radiator 18, the heat dissipation amount Q ₁ The relationship between (kw) and the heat dissipation amount Q ₂ (kw) of the radiator 18 when water is not injected is
_{_{Q 1 / Q 2 + vh <<}} 100%
I know that Therefore, for example, if the surface temperature of the fin 20 of the radiator 18 is 80 ° C., the latent heat of evaporation h of water at 80 ° C. is
h = 551 kcal / kg = 22304.4 kJ / h
Therefore, when 1 kg / h of moisture is injected into the radiator 18, the heat dissipation amount Q ₁ due to the moisture is:
Q ₁ = 1 kg / h × 2304.3 kJ / h = 22304.3 kJ / h = 0.64 kW≈Q ₂
It becomes.

このように、オフガス中の水分の蒸発に伴いチューブ１９内の冷媒から水の蒸発潜熱に略等しい潜熱を奪うことができる。また、オフガス中の水分は細かい霧状の水滴状態でフィン２０に付着しているため接触抵抗が小さい。したがって、ラジエータの熱交換性能を向上させることができる。さらに、燃料電池１５の排圧とファン２４の駆動によりオフガスをラジエータ１８側に吸引することができ、新たにポンプ等の動力源を追加設置する必要がないため、コストの低減化が可能となる。 Thus, latent heat substantially equal to the latent heat of evaporation of water can be taken from the refrigerant in the tube 19 as the moisture in the offgas evaporates. Further, since the moisture in the off gas is attached to the fins 20 in a fine mist-like water droplet state, the contact resistance is small. Therefore, the heat exchange performance of the radiator can be improved. Further, off-gas can be sucked to the radiator 18 side by exhaust pressure of the fuel cell 15 and driving of the fan 24, and it is not necessary to newly install a power source such as a pump, so that the cost can be reduced. .

なお、ラジエータのコア２１外面にオフガスを供給する手段は、上記したパイプ状のヘッダ２３に限定されるものではなく、空調用ダクト等、他のオフガス供給手段を使用してもよい。 The means for supplying off gas to the outer surface of the core 21 of the radiator is not limited to the pipe-shaped header 23 described above, and other off gas supply means such as an air conditioning duct may be used.

また、オフガス供給ヘッダ２３からオフガスをコア２１外面に噴射させるタイミングは、ラジエータ１８の負荷に応じて制御可能なように構成してもよい。 The timing at which off-gas is injected from the off-gas supply header 23 onto the outer surface of the core 21 may be configured to be controllable according to the load of the radiator 18.

さらに、上記実施の形態では、説明の簡略化のため、燃料電池の冷却用のラジエータ１８についてのみ説明したが、燃料電池システム１１には、改質器を冷却するためのラジエータや、車輪駆動用の駆動モータを制御するパワーコントロールユニットを冷却するためのラジエータ等、複数のラジエータが設けられているので、それらのラジエータに本発明を適用することもできる。 Furthermore, in the above-described embodiment, only the radiator 18 for cooling the fuel cell has been described for the sake of simplification. However, the fuel cell system 11 includes a radiator for cooling the reformer and a wheel driving device. Since a plurality of radiators such as a radiator for cooling a power control unit for controlling the drive motor are provided, the present invention can be applied to these radiators.

さらに、本発明は、自動車用のダイレクトメタノール型燃料電池システム１１に限らず、純水素、ガソリン、メタンガス等を燃料として使用する他のタイプの燃料電池システムにも適用可能であることは言う迄もない。 Furthermore, it goes without saying that the present invention is applicable not only to the direct methanol fuel cell system 11 for automobiles but also to other types of fuel cell systems that use pure hydrogen, gasoline, methane gas or the like as fuel. Absent.

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態におけるラジエータとオフガス供給手段を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the radiator and off-gas supply means in embodiment of this invention. 従来例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows a prior art example.

Explanation of symbols

１１燃料電池システム
１２電解質膜
１３燃料極
１４酸化剤極
１５燃料電池
１８ラジエータ
１９チューブ
２０フィン
２１コア
２３オフガス供給手段
２５噴射口 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Fuel cell system 12 Electrolyte membrane 13 Fuel electrode 14 Oxidant electrode 15 Fuel cell 18 Radiator 19 Tube 20 Fin 21 Core 23 Off-gas supply means 25 Injection port

Claims

A fuel cell system that generates electric power by chemically reacting a fuel supplied to a fuel electrode and a gas supplied to an oxidant electrode through an electrolyte membrane,
A radiator having a core constituted by a large number of tubes and fins;
Off gas supply means for supplying off gas generated during power generation to the core outer surface of the radiator;
A fuel cell system comprising:

The off-gas supply means is provided with an injection port capable of injecting off-gas on the outer surface of the core of the radiator, and the injection port is formed so that the particle size of water in the injected off-gas is 200 μm or less. Item 4. The fuel cell system according to Item 1.