JP2006134743A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a flow passage of reaction off-gas flowing from a gas-liquid separator to a recycle merging system from freezing, and to prevent generated water separated from the gas-liquid separator from condensation at drain piping or the like. <P>SOLUTION: The fuel cell system is composed of a coolant flow passage 20, through which the coolant for cooling the fuel cell 10 generating power by receiving the reaction gas flows; the gas-liquid separator 30 for separating the moisture included in the reaction off-gas exhausted from the fuel cell 10; a supply passage 35 for returning the reaction off-gas from which moisture is removed by the gas-liquid separator to reaction gas supply side of the fuel cell 10; and the recirculating confluence system 40 making the reaction off-gas returned from the supply passage 35 flow into the reaction gas. The gas/liquid separator 30 is arranged adjacent to the recirculation confluence system 40, and the coolant flow passage 20 is arranged between the gas/liquid separator 30 and the recycle confluence system 40. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池から排出された反応オフガスをリサイクルして燃料供給側に戻して使用する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system in which a reaction off gas discharged from a fuel cell is recycled and returned to a fuel supply side.

近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制する等の観点から、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ2）と空気中の酸素（Ｏ2）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。 2. Description of the Related Art In recent years, fuel cell electric vehicles (FCEVs) have attracted attention from the standpoint of suppressing carbon dioxide emissions that cause global warming. The fuel cell electric vehicle is equipped with a fuel cell (FC) that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) in the air, and uses the fuel cell to generate electricity. A driving force is generated by supplying the traveling motor.

燃料電池システムでは、高圧水素タンクからの水素（アノードガス）が減圧された後に水素供給ラインを介してアノード極に供給される一方、電動コンプレッサにより加圧された空気（カソードガス）が空気供給ラインを介してカソード極に供給される。アノード極からは燃料電池で消費されなかった水素（アノードオフガス：反応オフガス）が排気ガスとしてアノードオフガス排出路を介して排出され、カソード極からは反応後の空気（カソードオフガス）が排気ガスとしてカソードオフガス排出路を介して排出される。   In the fuel cell system, hydrogen (anode gas) from a high-pressure hydrogen tank is decompressed and then supplied to the anode electrode through the hydrogen supply line, while air (cathode gas) pressurized by an electric compressor is supplied to the air supply line. To be supplied to the cathode electrode. Hydrogen (anode off gas: reaction off gas) that was not consumed by the fuel cell is discharged from the anode electrode as exhaust gas through the anode off gas discharge passage, and air after reaction (cathode off gas) is discharged from the cathode electrode as the exhaust gas to the cathode. It is discharged through an off-gas discharge path.

ところで、燃料電池から排気されたアノードオフガスには、前記のように消費されなかった水素が含まれているので、この水素をリサイクルするためにアノードオフガスに水蒸気のかたちで含まれている反応生成水（以下、単に生成水という）をアノードオフガスから分離する気液分離器が設けられた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような気液分離器には、冷却水が供給されるようになっており、この冷却水でアノードオフガスを冷却することにより、アノードオフガスに含まれている生成水が凝縮され、ドレン配管を伝わって排出される。一方、生成水が分離されたアノードオフガスは、エゼクタに供給され、このエゼクタで高圧水素タンクからのアノードガスに混合されて、再び燃料電池のアノード極に供給される。これにより、アノードオフガスに含まれる水素がリサイクルされる。
特開平８−３２１３１６号公報（段落００１６〜００１７、図１） By the way, since the anode off-gas exhausted from the fuel cell contains hydrogen that has not been consumed as described above, the reaction product water contained in the anode off-gas in the form of water vapor in order to recycle this hydrogen. There is known a fuel cell system provided with a gas-liquid separator that separates (hereinafter simply referred to as produced water) from anode off-gas (see, for example, Patent Document 1). Cooling water is supplied to such a gas-liquid separator. By cooling the anode off-gas with this cooling water, the generated water contained in the anode off-gas is condensed, and the drain pipe is connected. It is transmitted and discharged. On the other hand, the anode off-gas from which the produced water has been separated is supplied to the ejector, mixed with the anode gas from the high-pressure hydrogen tank by this ejector, and supplied again to the anode electrode of the fuel cell. Thereby, hydrogen contained in the anode off gas is recycled.
JP-A-8-321316 (paragraphs 0016 to 0017, FIG. 1)

ところで、前記気液分離器では、燃料電池から排出されるアノードオフガスに生成水が高湿潤に含まれることから、完全に分離されずにエゼクタに送られるアノードオフガス中に残存することがある。このため、気液分離器からエゼクタに通じる配管においてアノードオフガスに残存する生成水が凝縮する可能性があり、液状の生成水がエゼクタに吸い込まれるおそれがあった。このような液状の生成水を含むアノードガスが燃料電池に供給される状況では、燃料電池に送り込まれるアノードガスの流量や圧力に変動を来たすことがあり、発電安定性にばらつきを生じるおそれがあった。このことは、気液分離器からエゼクタに通じる配管が長く設けられている場合に起こりやすかった。   By the way, in the gas-liquid separator, since the generated water is included in the anode off gas discharged from the fuel cell in a highly humid state, it may remain in the anode off gas sent to the ejector without being completely separated. For this reason, there is a possibility that the generated water remaining in the anode off-gas may be condensed in the piping from the gas-liquid separator to the ejector, and the liquid generated water may be sucked into the ejector. In such a situation where anode gas containing liquid product water is supplied to the fuel cell, the flow rate and pressure of the anode gas sent to the fuel cell may fluctuate, which may cause variations in power generation stability. It was. This is likely to occur when a long pipe is provided from the gas-liquid separator to the ejector.

一方、気液分離器により分離された生成水がドレン配管等に残ったまま燃料電池を停止させた状態で氷点下などの外気温度が低い場所に長時間放置されると、残留した生成水が凍結してドレン配管等を閉塞し、始動性能に影響を及ぼすという問題があった。   On the other hand, if the product water separated by the gas-liquid separator remains in the drain pipe etc. and left in a place where the outside air temperature is low, such as below freezing, with the fuel cell stopped, the remaining product water is frozen. As a result, there was a problem that the drain piping or the like was blocked and the starting performance was affected.

本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、気液分離器からエゼクタ等の再循環合流機構に送られる反応オフガスの供給路に結露が生じるのを防止することができる燃料電池システムを提供することを第１の課題とする。
また、気液分離器により分離された生成水がドレン配管等において凍結するのを防止することができる燃料電池システムを提供することを第２の課題とする。 The present invention has been made in view of such a background, and a fuel cell system capable of preventing condensation from occurring in a supply path for a reaction off gas sent from a gas-liquid separator to a recirculation merging mechanism such as an ejector. It is a first problem to provide the above.
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing the generated water separated by the gas-liquid separator from freezing in the drain pipe or the like.

前記第１の課題を解決すべく、請求項１に記載の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、この燃料電池を冷却する冷却媒体が通流する冷媒通路と、前記燃料電池から排出された反応オフガス中に含まれる水分を分離する気液分離器と、この気液分離器により水分の分離された反応オフガスを前記燃料電池の前記反応ガスの供給側に戻す供給路と、この供給路により戻された前記反応オフガスを、前記反応ガスと合流させる再循環合流機構と、を備え、前記気液分離器と前記再循環合流機構とを隣接して配置し、前記気液分離器と前記再循環合流機構との間に前記冷媒通路を配置したことを特徴とする。   In order to solve the first problem, the fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell that generates power upon receiving a supply of a reaction gas, and a refrigerant passage through which a cooling medium that cools the fuel cell flows. , A gas-liquid separator that separates moisture contained in the reaction off-gas discharged from the fuel cell, and the reaction-off gas from which moisture is separated by the gas-liquid separator is returned to the reaction gas supply side of the fuel cell. A recirculation merging mechanism that merges the reaction offgas returned by the supply path with the reaction gas, and arranges the gas-liquid separator and the recirculation merging mechanism adjacent to each other, The refrigerant passage is disposed between the gas-liquid separator and the recirculation merging mechanism.

このような燃料電池システムでは、気液分離器と再循環合流機構とが隣接して配置され、気液分離器と再循環合流機構との間に冷媒通路が配置されているので、気液分離器を通過した後の反応オフガスは、燃料電池を通過した後の温度の上昇された冷却媒体により加温されて再循環合流機構に送られることとなる。これにより、反応オフガス中に残存する水分が仮に含まれていたとしても、それを水蒸気の状態のままで供給路を通じて再循環合流機構に供給することができる。つまり、反応オフガスの相対温度を低下できる。したがって、気液分離器から再循環合流機構に送られる反応オフガスの供給路において結露が生じるのを防止することができる。これにより、燃料電池に液状の水分を含む反応ガスが供給されることが防止され、発電安定性に優れた燃料電池システムが得られる。
しかも、気液分離器を通過した後の反応オフガスが冷やされて結露するのを追加熱源なしに防止することができるという利点が得られる。
また、気液分離器と再循環合流機構とが隣接して配置されているので、気液分離器から再循環合流機構に送られる反応オフガスが供給路で効率よく加温されるという利点を備えている。
さらに、反応ガス供給系から供給される反応ガスが、仮に冷えている場合であっても、再循環合流機構で反応ガスと反応オフガスとが混合される際に、反応オフガス中に残存する水分が凝縮しづらくなるという利点が得られる。 In such a fuel cell system, the gas-liquid separator and the recirculation merging mechanism are disposed adjacent to each other, and the refrigerant passage is disposed between the gas-liquid separator and the recirculation merging mechanism. The reaction off-gas after passing through the vessel is heated by the coolant whose temperature has risen after passing through the fuel cell and is sent to the recirculation merging mechanism. Thereby, even if moisture remaining in the reaction off-gas is temporarily contained, it can be supplied to the recirculation merging mechanism through the supply path in the state of water vapor. That is, the relative temperature of the reaction off gas can be reduced. Therefore, it is possible to prevent dew condensation from occurring in the reaction off-gas supply path sent from the gas-liquid separator to the recirculation merging mechanism. As a result, a reaction gas containing liquid moisture is prevented from being supplied to the fuel cell, and a fuel cell system having excellent power generation stability can be obtained.
Moreover, the reaction off gas after passing through the gas-liquid separator can be prevented from being cooled and condensed without an additional heat source.
In addition, since the gas-liquid separator and the recirculation / merging mechanism are disposed adjacent to each other, the reaction off-gas sent from the gas-liquid separator to the recirculation / merging mechanism is efficiently heated in the supply path. ing.
Furthermore, even when the reaction gas supplied from the reaction gas supply system is cold, when the reaction gas and the reaction off gas are mixed by the recirculation merging mechanism, the moisture remaining in the reaction off gas is reduced. The advantage is that it is difficult to condense.

また、前記第２の課題を解決すべく、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記気液分離器により分離された水分が貯まる部分に、前記冷媒通路を配置したことを特徴とする。   In order to solve the second problem, the fuel cell system according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the water separated by the gas-liquid separator is stored in the portion where the water is separated. The refrigerant passage is arranged.

このような燃料電池システムでは、気液分離器により分離された生成水が貯まる部分、例えば、ドレン配管等が、低温起動時においても昇温速度の速い冷却媒体の熱で加温されることとなり、気液分離器により分離された生成水がドレン配管等において凍結するのを防止することができる。   In such a fuel cell system, a portion where the generated water separated by the gas-liquid separator, for example, a drain pipe is heated by the heat of the cooling medium having a high temperature rising rate even at low temperature startup. The product water separated by the gas-liquid separator can be prevented from freezing in the drain pipe or the like.

請求項１に記載の燃料電池システムによれば、気液分離器から再循環合流機構に送られる反応オフガスにおいて結露が生じるのを防止することができる。また、請求項２に記載の燃料電池システムによれば、気液分離器により分離された生成水がドレン配管等において凍結するのを防止することができる。   According to the fuel cell system of the first aspect, it is possible to prevent dew condensation from occurring in the reaction off gas sent from the gas-liquid separator to the recirculation merging mechanism. In addition, according to the fuel cell system of the second aspect, the generated water separated by the gas-liquid separator can be prevented from freezing in the drain pipe or the like.

以下、本発明を燃料電池電気自動車に適用した実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの主要部を示す概略構成図、図２は同じく燃料電池システムにおける冷却水の流れおよび水素ガスの流れを示す概略図である。 Hereinafter, embodiments in which the present invention is applied to a fuel cell electric vehicle will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the main part of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram showing the flow of cooling water and the flow of hydrogen gas in the fuel cell system.

＜燃料電池システムの構成＞
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０と、冷媒通路２０と、気液分離器３０と、再循環合流機構としてのエゼクタ４０とを備え、気液分離器３０とエゼクタ４０とを隣接して一体的に配置するとともに、気液分離器３０とエゼクタ４０との間に冷媒通路２０が配置されて構成されている。 <Configuration of fuel cell system>
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell 10, a refrigerant passage 20, a gas-liquid separator 30, and an ejector 40 as a recirculation merging mechanism, and the gas-liquid separator 30. And the ejector 40 are integrally disposed adjacent to each other, and the refrigerant passage 20 is disposed between the gas-liquid separator 30 and the ejector 40.

燃料電池１０は、図２に示すように、水素供給タンク等が設けられた水素供給系Ｃから燃料ガスである水素（アノードガス）が水素熱交換器Ｃ１およびエゼクタ４０を介して燃料電池１０の図示しないアノード極に供給され、一方、空気供給系Ａから酸化剤ガスである空気（カソードガス）が燃料電池１０の図示しないカソード極に供給されることにより、これらを電気化学的に反応させて発電する。発電された電力は、図示しない車両に搭載された走行モータに供給される。ちなみに、ここでの燃料電池１０は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解質を挟んで図示しないアノード極およびカソード極等から構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータで更に挟み込んだ単セルを、例えば数十枚〜数百枚程度積層した積層構造を有している（以上図示外）。ここで、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 10 is supplied with hydrogen (anode gas) as a fuel gas from a hydrogen supply system C provided with a hydrogen supply tank or the like via a hydrogen heat exchanger C1 and an ejector 40. On the other hand, air (cathode gas), which is an oxidant gas, is supplied from an air supply system A to a cathode electrode (not shown) of the fuel cell 10 to be reacted electrochemically. Generate electricity. The generated electric power is supplied to a travel motor mounted on a vehicle (not shown). Incidentally, the fuel cell 10 here is a PEM type fuel cell which is a solid polymer type, and a membrane electrode structure (MEA) composed of an anode electrode, a cathode electrode, and the like (not shown) with an electrolyte interposed therebetween is used as a separator. Furthermore, it has a laminated structure in which, for example, about several tens to several hundreds of sandwiched single cells are laminated (not shown above). Here, PEM is an abbreviation for Proton Exchange Membrane, and MEA is an abbreviation for Membrane Electrode Assembly.

図１に示すように、冷媒通路２０は、気液分離器３０とエゼクタ４０との間を貫通するかたちで配設されており、気液分離器３０およびエゼクタ４０に略一体的に設けられている。冷媒通路２０には、燃料電池１０を冷却するための冷却水（冷却媒体）が通流するようになっている。ここで、冷却水が通流する冷却系は、図２に示すように、主として、冷却水が燃料電池１０から冷媒通路２０を通り、その後、熱交換器１１を介して再び燃料電池１０に供給されるという循環経路を備えて構成されており、熱交換器１１により放熱した冷却水を循環ポンプ１２により燃料電池１０へ送出する冷却水循環往路１３Ａと、燃料電池１０から吸熱した冷却水を熱交換器１１に戻す冷却水循環復路１３Ｂとを少なくとも備えている。   As shown in FIG. 1, the refrigerant passage 20 is disposed so as to penetrate between the gas-liquid separator 30 and the ejector 40, and is provided substantially integrally with the gas-liquid separator 30 and the ejector 40. Yes. Coolant water (cooling medium) for cooling the fuel cell 10 flows through the refrigerant passage 20. Here, in the cooling system through which the cooling water flows, as shown in FIG. 2, the cooling water mainly passes from the fuel cell 10 through the refrigerant passage 20 and then is supplied again to the fuel cell 10 via the heat exchanger 11. The cooling water radiated by the heat exchanger 11 is sent to the fuel cell 10 by the circulation pump 12, and the cooling water circulation path 13A is sent to the fuel cell 10 by heat exchange. And at least a cooling water circulation return path 13B returning to the vessel 11.

本実施の形態では、冷却水循環復路１３Ｂの一部を冷媒通路２０として構成している。つまり、この冷媒通路２０は、燃料電池１０の下流側に位置しており、通路内には、燃料電池１０を通過して温められた冷却水が通流するようになっている。   In the present embodiment, a part of the cooling water circulation return path 13 </ b> B is configured as the refrigerant path 20. That is, the refrigerant passage 20 is located on the downstream side of the fuel cell 10, and the cooling water warmed through the fuel cell 10 flows through the passage.

再び図１を参照して説明すると、気液分離器３０は、燃料電池１０から排出された余剰水素ガスである高湿潤のアノードオフガス（反応オフガス）から反応生成水（水分）を分離する役割をなす。   Referring back to FIG. 1, the gas-liquid separator 30 serves to separate reaction product water (moisture) from highly humid anode offgas (reaction offgas) that is surplus hydrogen gas discharged from the fuel cell 10. Eggplant.

気液分離器３０とエゼクタ４０との間には、気液分離器３０により反応生成水の分離された後の反応オフガスを、反応ガス(水素)の供給側であるエゼクタ４０の吸込口側に戻す供給路３５が配設されている。この供給路３５は、冷媒通路２０の側方の近接位置に配設されており、これにより、供給路３５内を流れる反応オフガスが、冷媒通路２０内を流れる冷却水の熱で加温されるようになっている。なお、供給路３５は、冷媒通路２０の周囲を迂回する状態に配設することが好ましい。   Between the gas-liquid separator 30 and the ejector 40, the reaction off-gas after the reaction water is separated by the gas-liquid separator 30 is supplied to the suction port side of the ejector 40 which is the supply side of the reaction gas (hydrogen). A return supply path 35 is provided. The supply path 35 is disposed at a position adjacent to the side of the refrigerant passage 20, whereby the reaction off gas flowing in the supply path 35 is heated by the heat of the cooling water flowing in the refrigerant path 20. It is like that. Note that the supply path 35 is preferably arranged in a state of bypassing the periphery of the refrigerant path 20.

気液分離器３０の下部には、断面逆三角形状のドレン部３１が設けられている。気液分離器３０とドレン部３１との間には、例えば、複数の透孔３０ｂ（図１では拡大して１つのみ図示）が形成された仕切り板３０ａが配設されており、気液分離器３０で分離された反応生成水が透孔３０ｂを通過してドレン部３１に溜まるようになっている。   A drain portion 31 having an inverted triangular cross section is provided at the lower portion of the gas-liquid separator 30. Between the gas-liquid separator 30 and the drain part 31, for example, a partition plate 30a having a plurality of through holes 30b (only one is shown enlarged in FIG. 1) is disposed. The reaction product water separated by the separator 30 passes through the through holes 30b and accumulates in the drain part 31.

ドレン部３１の下部には、冷媒通路３２が、ドレン部３１の底面に密着した状態に配設されている。冷媒通路３２は、一部が内管３２ａと外管３２ｂとからなる二重管構造とされており、内管３２ａが、ドレン部３１の排出口３１ａに連通してドレン管として機能するとともに、外管３２ｂが、前記冷却水循環復路１３Ｂ（図２参照）に連通して、冷却水の通流する通路として機能する。これにより、ドレン部３１に溜まった反応生成水は、冷媒通路３２の内管３２ａを通じて排出され、一方、冷却水循環復路１３Ｂからの冷却水が、冷媒通路３２の外管３２ｂを通じてドレン部３１に供給される。つまり、内管３２ａは、燃料電池１０を通過した後の温かい冷却水により加温される。ここで、ドレンは、内管３２ａを図１中矢印Ｘ１方向に流れ、また、冷却水は、外管３２ｂを図１中矢印Ｘ２方向に流れる。すなわち、内管３２ａの下流側に外管３２ｂの上流側が位置することとなり、内管３２ａの下流側が内管３２ａの上流側より先に冷却水で加温される構造となっている。なお、冷媒通路３２は、冷却水の流れる方向（図１中矢印Ｘ２方向）を基準として、ドレン部３１の排出口３１ａより上流側が内管３２ａと外管３２ｂとからなる二重管構造とされ、また、排出口３１ａより下流側が外管３２ｂのみから構成されている。   Under the drain part 31, a refrigerant passage 32 is disposed in close contact with the bottom surface of the drain part 31. The refrigerant passage 32 has a double pipe structure in which a part is composed of an inner pipe 32a and an outer pipe 32b. The inner pipe 32a communicates with the discharge port 31a of the drain portion 31 and functions as a drain pipe. The outer pipe 32b communicates with the cooling water circulation return path 13B (see FIG. 2) and functions as a passage through which the cooling water flows. As a result, the reaction product water accumulated in the drain portion 31 is discharged through the inner pipe 32a of the refrigerant passage 32, while the cooling water from the cooling water circulation return passage 13B is supplied to the drain portion 31 through the outer pipe 32b of the refrigerant passage 32. Is done. That is, the inner pipe 32a is heated by the warm cooling water after passing through the fuel cell 10. Here, the drain flows through the inner pipe 32a in the direction of arrow X1 in FIG. 1, and the cooling water flows through the outer pipe 32b in the direction of arrow X2 in FIG. That is, the upstream side of the outer tube 32b is positioned downstream of the inner tube 32a, and the downstream side of the inner tube 32a is heated by the cooling water before the upstream side of the inner tube 32a. The refrigerant passage 32 has a double-pipe structure in which the upstream side of the drain port 31a of the drain portion 31 is composed of an inner tube 32a and an outer tube 32b with reference to the direction in which the cooling water flows (the direction of arrow X2 in FIG. 1). In addition, the downstream side of the discharge port 31a is constituted only by the outer tube 32b.

冷媒通路３２には、ドレン弁３３が接続されており、このドレン弁３３の開閉により、内管３２ａが開放あるいは閉塞されるようになっている。なお、気液分離器３０およびドレン部３１の内部は、燃料電池１０より排出された反応オフガスにより圧力が高くなっているので、ドレン弁３３が開かれると、内管３２ａを通じてドレンが排出される。また、冷媒通路３２の内管３２ａの端部は、図示しない希釈ボックスに連通している。
なお、エゼクタ４０の上流側には、図示しない減圧弁が配設され、また、エゼクタ４０の下流側には、図示しない水透過膜型等の加湿装置としての中空糸膜式加湿器が配設されている。さらに、空気供給系Ａには、図示しないエアクリーナや、加湿器、電動コンプレッサ等が配設されている。 A drain valve 33 is connected to the refrigerant passage 32, and the inner pipe 32 a is opened or closed by opening or closing the drain valve 33. Since the pressure inside the gas-liquid separator 30 and the drain part 31 is increased by the reaction off gas discharged from the fuel cell 10, the drain is discharged through the inner pipe 32a when the drain valve 33 is opened. . Further, the end of the inner pipe 32a of the refrigerant passage 32 communicates with a dilution box (not shown).
A pressure reducing valve (not shown) is disposed on the upstream side of the ejector 40, and a hollow fiber membrane humidifier as a water permeable membrane type humidifier (not shown) is disposed on the downstream side of the ejector 40. Has been. Further, the air supply system A is provided with an air cleaner, a humidifier, an electric compressor, etc. (not shown).

＜実施形態の作用＞
燃料電池システムを起動すると、図示しないスロットルペダルの踏込み量や各機器（灯火装置や空調装置等）の消費電力等に基づき燃料電池１０から取り出すべき電流量が図示しない制御装置により決定され、その電流量に応じたカソードガスが燃料電池１０に供給される。また、燃料電池１０にアノードガスが供給されることで、アノード極からカソード極への水素の移動に伴って電力が発生するとともに、消費されたアノードガスが水素供給タンクから供給される。そして、アノード極で消費されなかった余剰の水素は、アノードオフガスとしてアノードオフガス排出路１５を通じて排出され、また、カソード極から反応後の空気がカソードオフガスとして排出される。 <Operation of Embodiment>
When the fuel cell system is started, a current amount to be taken out from the fuel cell 10 is determined by a control device (not shown) based on the amount of depression of a throttle pedal (not shown) and the power consumption of each device (lighting device, air conditioner, etc.). Cathode gas corresponding to the amount is supplied to the fuel cell 10. In addition, by supplying the anode gas to the fuel cell 10, electric power is generated as hydrogen moves from the anode electrode to the cathode electrode, and the consumed anode gas is supplied from the hydrogen supply tank. Then, surplus hydrogen that has not been consumed at the anode electrode is discharged as an anode off-gas through the anode off-gas discharge path 15, and air after reaction is discharged from the cathode electrode as a cathode off-gas.

一方、冷却系の循環ポンプ１２が駆動制御され、図２に示すように、循環ポンプ１２から吐出された冷却水が冷却水循環往路１３Ａを通じて燃料電池１０に供給される。燃料電池１０に供給されて燃料電池１０を冷却した後の冷却水は、燃料電池１０から吸熱して冷却水循環復路１３Ｂに排出され、その後、冷媒通路２０に供給される。
ここで、燃料電池１０から冷却水循環復路１３Ｂに排出された冷却水の一部が、冷却水循環復路１３Ｂから分岐路１４ａ，１４ｂを通じてエゼクタ４０および水素熱交換器Ｃ１に供給され、これらと熱交換された後に、冷却水循環復路１３Ｂに戻されて合流する。 On the other hand, the circulation pump 12 of the cooling system is driven and controlled, and as shown in FIG. 2, the cooling water discharged from the circulation pump 12 is supplied to the fuel cell 10 through the cooling water circulation path 13A. The cooling water supplied to the fuel cell 10 and cooling the fuel cell 10 absorbs heat from the fuel cell 10 and is discharged to the cooling water circulation return path 13B, and then supplied to the refrigerant path 20.
Here, a part of the cooling water discharged from the fuel cell 10 to the cooling water circulation return path 13B is supplied from the cooling water circulation return path 13B to the ejector 40 and the hydrogen heat exchanger C1 through the branch paths 14a and 14b, and is exchanged with these. After that, it returns to the cooling water circulation return path 13B and joins.

図３は図１に示した燃料電池システムをＹ矢視方向から見たときの具体的構成例を示した模式図であり、冷媒通路２０が設けられたマウント５０の下部および上部に、気液分離器３０、エゼクタ４０がそれぞれ取り付けられて、これらが一体的にされた構成となっている。   FIG. 3 is a schematic diagram showing a specific configuration example when the fuel cell system shown in FIG. 1 is viewed from the Y arrow direction. The separator 30 and the ejector 40 are respectively attached, and these are integrated.

マウント５０は、基部５１と、この基部５１に一体的に設けられた複数本の脚部５２とを有している。基部５１の略中央部には、冷媒通路２０が貫通形成されているとともに、供給路３５が冷媒通路２０の周囲に沿う状態に、気液分離器３０とエゼクタ４０との間に形成されている。これにより、冷媒通路２０を流れる冷却水と供給路３５を流れる反応オフガスとの間で熱交換がなされ、供給路３５を流れる反応オフガスが加温される。   The mount 50 has a base portion 51 and a plurality of leg portions 52 provided integrally with the base portion 51. The refrigerant passage 20 is formed in a substantially central portion of the base 51, and the supply passage 35 is formed between the gas-liquid separator 30 and the ejector 40 in a state along the periphery of the refrigerant passage 20. . As a result, heat is exchanged between the cooling water flowing through the refrigerant passage 20 and the reaction off gas flowing through the supply passage 35, and the reaction off gas flowing through the supply passage 35 is heated.

その後、冷媒通路２０を通過した冷却水の一部は、図２に示すように、冷媒通路３２に供給され、冷媒通路３２内においてドレン配管である内管３２ａの周囲に沿って、ドレン弁３３から気液分離器３０のドレン部３１に向けて流れ、その後、冷却水循環復路１３Ｂに戻される。この際、冷媒通路２０を流れる冷却水と、内管３２ａ、ドレン弁３３およびドレン部３１との間で熱交換がなされ、内管３２ａ、ドレン弁３３およびドレン部３１がそれぞれ加温される。なお、冷媒通路３２に供給される冷却水は、ドレン部３１に溜まった反応生成水が蒸発することのない温度に設定され、好ましくは、燃料電池１０やその他の機関が冷えている起動時や氷点下の温度条件において供給される。   Thereafter, as shown in FIG. 2, a part of the cooling water that has passed through the refrigerant passage 20 is supplied to the refrigerant passage 32, and along the periphery of the inner pipe 32 a that is a drain pipe in the refrigerant passage 32, the drain valve 33. To the drain part 31 of the gas-liquid separator 30 and then returned to the cooling water circulation return path 13B. At this time, heat is exchanged between the cooling water flowing through the refrigerant passage 20 and the inner pipe 32a, the drain valve 33, and the drain part 31, and the inner pipe 32a, the drain valve 33, and the drain part 31 are heated. Note that the cooling water supplied to the refrigerant passage 32 is set to a temperature at which the reaction product water accumulated in the drain portion 31 does not evaporate, and preferably at the start-up time when the fuel cell 10 and other engines are cooled. Supplied at sub-freezing temperature conditions.

冷却水循環復路１３Ｂに戻された冷却水は、冷媒通路２０を通過した後の冷却水とともに冷却水循環復路１３Ｂをさらに循環して熱交換器１１に流入し、熱交換器１１で放熱された後に再び循環ポンプ１２により燃料電池１０に向けて吐出される。   The cooling water returned to the cooling water circulation return path 13B is further circulated through the cooling water circulation return path 13B together with the cooling water after passing through the refrigerant passage 20, flows into the heat exchanger 11, is radiated by the heat exchanger 11, and again. It is discharged toward the fuel cell 10 by the circulation pump 12.

以上説明した本実施形態の燃料電池システムによれば、気液分離器３０とエゼクタ４０とが隣接して配置され、気液分離器３０とエゼクタ４０との間に燃料電池１０の下流側に位置する冷媒通路２０が配置されているので、気液分離器３０を通過した後の反応オフガスは、燃料電池１０を通過した後の温度の上昇された冷却水により加温されて供給路３５内をエゼクタ４０に送られることとなる。これにより、気液分離器３０で反応生成水が完全に分離されずに、供給路３５内を流れる反応オフガス中に残存する水分が仮に含まれていたとしても、それを水蒸気の状態のままで供給路３５を通じてエゼクタ４０に供給することができる。つまり、反応オフガスの相対温度を低下できる。したがって、気液分離器３０からエゼクタ４０に送られる反応オフガスの供給路３５において結露が生じるのを防止することができる。これにより、燃料電池１０に液状の生成水を含む反応ガスが供給されることが防止され、発電安定性に優れた燃料電池システムが得られる。
しかも、気液分離器３０を通過した後の反応オフガスが冷やされて結露するのを、燃料電池１０の冷却に用いる冷却水を利用することで防止することができるので、追加熱源を別途設ける必要がなく、最小構成の部品で実現することができ、発電安定性に優れながらコストの低減に寄与する燃料電池システムが得られる。 According to the fuel cell system of the present embodiment described above, the gas-liquid separator 30 and the ejector 40 are disposed adjacent to each other, and are positioned downstream of the fuel cell 10 between the gas-liquid separator 30 and the ejector 40. Since the refrigerant passage 20 is disposed, the reaction off-gas after passing through the gas-liquid separator 30 is heated by the cooling water whose temperature has risen after passing through the fuel cell 10 and passes through the supply passage 35. It will be sent to the ejector 40. As a result, even if water remaining in the reaction off-gas flowing in the supply path 35 is not completely separated by the gas-liquid separator 30 and remains in the water vapor state, it remains in the state of water vapor. It can be supplied to the ejector 40 through the supply path 35. That is, the relative temperature of the reaction off gas can be reduced. Therefore, it is possible to prevent dew condensation from occurring in the supply path 35 of the reaction off gas sent from the gas-liquid separator 30 to the ejector 40. Thereby, it is prevented that the reaction gas containing liquid produced water is supplied to the fuel cell 10, and the fuel cell system excellent in power generation stability is obtained.
In addition, the reaction off gas after passing through the gas-liquid separator 30 can be prevented from being cooled and condensed by using the cooling water used for cooling the fuel cell 10, so an additional heat source needs to be provided separately. Therefore, a fuel cell system that can be realized with minimum components and that contributes to cost reduction while being excellent in power generation stability can be obtained.

さらに、冷媒通路２０および冷媒通路３２で冷却水が放熱されるので、熱交換器１１の容量を小さく設定することができ、小型化を図ることができる燃料電池システムが得られる。   Furthermore, since the cooling water is radiated in the refrigerant passage 20 and the refrigerant passage 32, the capacity of the heat exchanger 11 can be set small, and a fuel cell system that can be downsized is obtained.

また、気液分離器３０とエゼクタ４０とが隣接して配置されているので、気液分離器３０からエゼクタ４０に送られる反応オフガスが供給路３５で効率よく加温されるという利点が得られる。   Further, since the gas-liquid separator 30 and the ejector 40 are arranged adjacent to each other, there is an advantage that the reaction off-gas sent from the gas-liquid separator 30 to the ejector 40 is efficiently heated by the supply path 35. .

さらに、冷媒通路３２を流れる冷却水により、気液分離器３０の下部に設けられたドレン部３１、ドレン弁３３および内管３２ａ（ドレン配管）が、低温起動時においても昇温速度の速い冷却水の熱で加温されることとなり、気液分離器３０により分離された生成水が凍結して内管３２ａ等を閉塞するのを防止するとともに、生成水が凍結した際には、早期にこれを解凍することができる。   Further, the cooling water flowing through the refrigerant passage 32 allows the drain portion 31, the drain valve 33 and the inner pipe 32 a (drain pipe) provided at the lower part of the gas-liquid separator 30 to be cooled at a high temperature rising rate even at low temperature startup. It is heated by the heat of the water, and the generated water separated by the gas-liquid separator 30 is prevented from freezing and clogging the inner pipe 32a and the like. This can be thawed.

また、冷媒通路３２の内管３２ａの下流側に、外管３２ｂの上流側が位置し、内管３２ａの下流側が内管３２ａの上流側より先に冷却水で加温される構造となっているので、ドレンの凍結しやすい部分から加温されることとなり、内管３２ａ等におけるドレンの凍結を効果的に防止できる。   In addition, the upstream side of the outer tube 32b is positioned downstream of the inner tube 32a of the refrigerant passage 32, and the downstream side of the inner tube 32a is heated with cooling water before the upstream side of the inner tube 32a. As a result, the drain is heated from the portion where it easily freezes, and the freezing of the drain in the inner tube 32a and the like can be effectively prevented.

本発明は、前記実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、また、前記実施形態では燃料電池電気自動車を例に説明したが、船舶や航空機等の移動体、あるいは定置発電装置用の燃料電池システム等に本発明を適用することができる。また、前記実施形態ではＰＥＭ型の燃料電池を備えた燃料電池システムを取り上げたが、本発明は、アルカリ型燃料電池やリン酸型燃料電池等、他種の燃料電池を備えた燃料電池システムにも当然に適用できる。また、燃料電池システムを構成する各機器のレイアウト等についても本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
さらに、前記実施形態では、燃料電池の下流側に冷媒通路を配置した構成としたが、燃料電池の上流側に冷媒通路を配置するように構成してもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be widely modified. For example, although the fuel cell electric vehicle has been described as an example in the above embodiment, the present invention can be applied to a mobile body such as a ship or an aircraft, a fuel cell system for a stationary power generator, or the like. Moreover, although the fuel cell system provided with the PEM type fuel cell was taken up in the said embodiment, this invention is a fuel cell system provided with other types of fuel cells, such as an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Can of course be applied. Further, the layout and the like of each device constituting the fuel cell system can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
Furthermore, in the said embodiment, although it was set as the structure which has arrange | positioned the refrigerant path in the downstream of a fuel cell, you may comprise so that a refrigerant path may be arrange | positioned in the upstream of a fuel cell.

本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの主要部を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the principal part of the fuel cell system which concerns on one embodiment of this invention. 同じく燃料電池システムにおける冷却水の流れおよび水素ガスの流れを示す概略図である。It is the schematic which shows the flow of the cooling water in the fuel cell system, and the flow of hydrogen gas. 図１に示した燃料電池システムをＹ矢視方向から見たときの具体的構成例を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the specific structural example when the fuel cell system shown in FIG. 1 is seen from the Y arrow direction.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池
１１ 熱交換器
１２ 循環ポンプ
１３Ａ 冷却水循環往路
１３Ｂ 冷却水循環復路
２０ 冷媒通路
３０ 気液分離器
３１ ドレン部
３２ 冷媒通路
３２ａ 内管
３２ｂ 外管
３３ ドレン弁
３５ 供給路
４０ エゼクタ（再循環合流機構） DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 11 Heat exchanger 12 Circulation pump 13A Cooling water circulation outward path 13B Cooling water circulation return path 20 Refrigerant path 30 Gas-liquid separator 31 Drain part 32 Refrigerant path 32a Inner pipe 32b Outer pipe 33 Drain valve 35 Supply path 40 Ejector (Recirculation confluence) mechanism)

Claims (2)

反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
この燃料電池を冷却する冷却媒体が通流する冷媒通路と、
前記燃料電池から排出された反応オフガス中に含まれる水分を分離する気液分離器と、
この気液分離器により水分の分離された反応オフガスを前記燃料電池の前記反応ガスの供給側に戻す供給路と、
この供給路により戻された前記反応オフガスを、前記反応ガスと合流させる再循環合流機構と、を備え、
前記気液分離器と前記再循環合流機構とを隣接して配置し、
前記気液分離器と前記再循環合流機構との間に前記冷媒通路を配置したことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that receives the supply of reactive gas and generates power;
A refrigerant passage through which a cooling medium for cooling the fuel cell flows;
A gas-liquid separator that separates moisture contained in the reaction off-gas discharged from the fuel cell;
A supply path for returning the reaction off gas from which moisture has been separated by the gas-liquid separator to the reaction gas supply side of the fuel cell;
A recirculation merging mechanism for merging the reaction offgas returned by the supply path with the reaction gas,
The gas-liquid separator and the recirculation merging mechanism are disposed adjacent to each other,
A fuel cell system, wherein the refrigerant passage is disposed between the gas-liquid separator and the recirculation merging mechanism. 前記気液分離器により分離された水分が溜まる部分に、前記冷媒通路を配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the refrigerant passage is disposed in a portion where water separated by the gas-liquid separator is accumulated.
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