JP2006155945A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively prevent water droplets from adhering to a sensor provided in a bypass channel of a humidifier and to thereby maintain a satisfactory operation of the sensor with a simple and economical structure. <P>SOLUTION: An air supply channel 40 comprises a pre-humidifying reaction gas supply path 46 for supplying pre-reaction air to the humidifier 44, and a post-humidifying reaction gas supply path 52 for supplying humidified air led out of the humidifier 44 to a fuel cell stack 14. The bypass channel 56 is connected to the post-humidifying reaction gas supply path 52 via a three-way switch valve 54 from some midpoint of the pre-humidifying reaction gas supply path 46, and the sensor 58 is provided in the bypass channel 56. Each of the pre-humidifying reaction gas supply path 46 and the bypass channel 56 is provided with a microbypass section 60 that is capable of supplying a predetermined amount of pre-humidifying air to the bypass channel 56 all the time. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための加湿装置とを備える燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system comprising a polymer electrolyte fuel cell and a humidifier for humidifying at least one reaction gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell with a humidifying fluid.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell has a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are opposed to each other on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. I have. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。   In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

この場合、上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水により加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給するものが知られている。   In this case, in the fuel cell described above, it is necessary to maintain the electrolyte membrane in an appropriate wet state in order to exhibit an effective power generation function. For this reason, a humidifier that humidifies fuel gas and oxidant gas in advance with water is prepared, and the humidified fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell by connecting the humidifier to the fuel cell. Things are known.

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用加湿システムは、図６に示すように、燃料電池１の反応ガス入口、例えば、空気入口２ａには、反応ガス供給路３ａが接続される一方、前記燃料電池１の反応ガス出口、例えば、空気出口２ｂには、反応に使用された空気であるオフガスを排出するためのオフガス排出路３ｂが接続されている。反応ガス供給路３ａとオフガス排出路３ｂとは、加湿装置４に接続されており、前記反応ガス供給路３ａに送られる空気は、前記オフガス排出路３ｂに排出されるオフガス中の水分によって加湿されている。   For example, as shown in FIG. 6, in the humidification system for a fuel cell disclosed in Patent Document 1, a reaction gas supply path 3a is connected to a reaction gas inlet of the fuel cell 1, for example, an air inlet 2a. The reaction gas outlet of the fuel cell 1, for example, the air outlet 2b, is connected to an off gas discharge path 3b for discharging off gas which is air used for the reaction. The reaction gas supply path 3a and the off gas discharge path 3b are connected to a humidifier 4, and the air sent to the reaction gas supply path 3a is humidified by moisture in the off gas discharged to the off gas discharge path 3b. ing.

反応ガス供給路３ａには、加湿装置４をバイパスする反応ガスバイパス路５が設けられている。この反応ガスバイパス路５には、反応ガスのバイパス流量を調整可能な流量調整弁６が取り付けられている。反応ガス供給路３ａには、外部空気を導入するためにスーパーチャージャ７が設けられている。   The reaction gas supply path 3 a is provided with a reaction gas bypass path 5 that bypasses the humidifier 4. A flow rate adjustment valve 6 that can adjust the bypass flow rate of the reaction gas is attached to the reaction gas bypass passage 5. The reaction gas supply path 3a is provided with a supercharger 7 for introducing external air.

このような構成において、反応ガス供給路３ａに供給される空気は、加湿装置４に導入されることによってオフガス中の水分により加湿された後、空気入口２ａから燃料電池１に供給されている。その際、流量調整弁６が調整されることによって、反応ガスバイパス路５にバイパスされる空気流量が調整され、燃料電池１の要求加湿量に応じて加湿量の制御が行われている。   In such a configuration, the air supplied to the reaction gas supply path 3a is supplied to the fuel cell 1 from the air inlet 2a after being humidified by the moisture in the off-gas by being introduced into the humidifier 4. At that time, the flow rate adjustment valve 6 is adjusted to adjust the flow rate of air bypassed to the reaction gas bypass 5, and the humidification amount is controlled according to the required humidification amount of the fuel cell 1.

特開２００１−２１６９８４号公報（図１）JP 2001-216984 A (FIG. 1)

ところで、上記の構成において、反応ガスバイパス路５には、流量調整弁６の下流側に位置して、例えば、燃料電池１の入口流体圧を検出するための圧力センサ、反応ガスである空気の温度を検出する温度センサ、前記空気の湿度を検出する湿度センサ又は濃度センサ等、各種のセンサが必要に応じて取り付けられている。   By the way, in the above configuration, the reaction gas bypass 5 is located downstream of the flow rate adjustment valve 6, for example, a pressure sensor for detecting the inlet fluid pressure of the fuel cell 1, and the reaction gas air. Various sensors such as a temperature sensor that detects temperature, a humidity sensor that detects humidity of the air, or a concentration sensor are attached as necessary.

この場合、反応ガスバイパス路５の下流は、反応ガス供給路３ａと合流しており、加湿装置４によって加湿された空気中の水分は、前記反応ガスバイパス路５に滞留し易い。従って、反応ガスバイパス路５に配置されているセンサは、常時、水分に接触しており、前記センサに水滴が付着してしまう。これにより、センサの作動不良が発生するとともに、低温時に水滴が凍結し易いという問題がある。   In this case, the downstream of the reactive gas bypass passage 5 is joined with the reactive gas supply passage 3 a, and moisture in the air humidified by the humidifier 4 tends to stay in the reactive gas bypass passage 5. Therefore, the sensor arranged in the reactive gas bypass 5 is always in contact with moisture, and water droplets adhere to the sensor. As a result, malfunction of the sensor occurs, and there are problems that water droplets are likely to freeze at low temperatures.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、加湿装置のバイパス流路に配設されるセンサに水滴が付着することを有効に阻止し、前記センサの良好な作動を保持することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and with a simple and economical configuration, effectively prevents water droplets from adhering to the sensor disposed in the bypass flow path of the humidifier, and improves the sensor. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of maintaining proper operation.

本発明は、固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための加湿装置とを備える燃料電池システムである。   The present invention is a fuel cell system comprising a solid polymer fuel cell and a humidifier for humidifying at least one reaction gas supplied to the solid polymer fuel cell with a humidified fluid.

この燃料電池システムは、加湿装置に加湿前の反応ガスを供給する加湿前反応ガス供給路と、前記加湿装置から導出される加湿された前記反応ガスを、固体高分子型燃料電池に供給する加湿後反応ガス供給路と、前記加湿前反応ガス供給路の途上からバルブを介して前記加湿後反応ガス供給路の途上に接続されるとともに、センサが配設されるバイパス流路と、前記加湿前反応ガス供給路から前記バイパス流路に、常時、所定量の前記反応ガスを供給可能な微量バイパス部とを備えている。   This fuel cell system includes a pre-humidified reaction gas supply path that supplies a pre-humidified reaction gas to a humidifier, and a humidifier that supplies the humidified reaction gas derived from the humidifier to a polymer electrolyte fuel cell. A post-reaction gas supply path, a bypass path connected to the post-humidification reaction gas supply path from the midway of the pre-humidification reaction gas supply path via a valve, a sensor is disposed, and the pre-humidification path A trace amount bypass section capable of always supplying a predetermined amount of the reaction gas is provided from the reaction gas supply path to the bypass flow path.

ここで、微量バイパス部は、例えば、バルブの外部に設けられ、加湿前反応ガス供給路とバイパス流路とを連通する微量バイパスラインを備えることが好ましい。   Here, it is preferable that the trace amount bypass unit includes, for example, a trace amount bypass line that is provided outside the valve and communicates the pre-humidification reaction gas supply path and the bypass flow path.

また、微量バイパス部は、例えば、バルブの内部に設けられるとともに、前記バルブの作動状態に係わらず、加湿前反応ガス供給路とバイパス流路とに連結される微量バイパスラインを備えることが好ましい。   Moreover, it is preferable that a trace amount bypass part is provided in the inside of a valve | bulb, for example, and is provided with the trace amount bypass line connected with the reactive gas supply path before humidification, and a bypass flow path irrespective of the operating state of the said valve | bulb.

さらに、バルブは、加湿前反応ガス供給路と加湿装置とを連通可能なメインバルブと、前記加湿前反応ガス供給路とバイパス流路とを連通可能なバイパスバルブとを個別に備えるとともに、微量バイパス部は、例えば、前記バイパスバルブの閉塞時に該バイパスバルブに形成される隙間であることが好ましい。   The valve further includes a main valve capable of communicating with the pre-humidified reactive gas supply path and the humidifier, and a bypass valve capable of communicating with the pre-humidified reactive gas supply path and the bypass flow path. For example, the portion is preferably a gap formed in the bypass valve when the bypass valve is closed.

本発明では、加湿前反応ガス供給路からバイパス流路に、常時、所定量の反応ガスが供給されるため、前記バイパス流路に配設されるセンサは、比較的低加湿な反応ガスに曝されている。従って、簡単な構成で、センサに水滴が付着することを有効に阻止することができ、前記センサの作動不良を低減させるとともに、前記センサに水滴が付着することを阻止することが可能になる。   In the present invention, since a predetermined amount of reaction gas is always supplied from the reaction gas supply path before humidification to the bypass flow path, the sensor disposed in the bypass flow path is exposed to a relatively low humidification reaction gas. Has been. Accordingly, it is possible to effectively prevent water droplets from adhering to the sensor with a simple configuration, thereby reducing the malfunction of the sensor and preventing water droplets from adhering to the sensor.

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成説明図である。   FIG. 1 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell system 10 according to the first embodiment of the present invention.

燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック１４を備える。この燃料電池スタック１４は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１８ａ、１８ｂが配置されている。エンドプレート１８ａ、１８ｂは、例えば、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。   The fuel cell system 10 is mounted on a vehicle such as an automobile and includes a fuel cell stack 14. In the fuel cell stack 14, a plurality of power generation cells 16 are stacked in the direction of arrow A, and end plates 18a and 18b are disposed at both ends in the stacking direction. The end plates 18a and 18b are fastened in the stacking direction by fastening bolts (not shown), for example.

発電セル１６は、例えば、固体高分子電解質膜２０ａの両側にアノード側電極２０ｂとカソード側電極２０ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対の金属製又はカーボン製セパレータ２２、２４とを備える。アノード側電極２０ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２０ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。   The power generation cell 16 includes, for example, an electrolyte membrane / electrode structure 20 in which an anode side electrode 20b and a cathode side electrode 20c are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 20a, and a pair sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 20 Metal or carbon separators 22 and 24. For example, hydrogen gas is supplied to the anode side electrode 20b as a fuel gas, while air containing oxygen, for example, is supplied to the cathode side electrode 20c as an oxidant gas.

エンドプレート１８ａには、各発電セル１６に水素ガスを供給するための水素供給口２６ａと、前記発電セル１６から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック１４から排出するための水素排出口２６ｂとが設けられる。エンドプレート１８ｂには、各発電セル１６に空気を供給するための空気供給口２８ａと、前記発電セル１６から排出される使用済みの空気（以下、オフガスともいう）を燃料電池スタック１４から排出するための空気排出口２８ｂとが設けられる。   The end plate 18a has a hydrogen supply port 26a for supplying hydrogen gas to each power generation cell 16 and an exhaust gas containing unused hydrogen gas discharged from the power generation cell 16 from the fuel cell stack 14. A hydrogen outlet 26b is provided. In the end plate 18b, air supply ports 28a for supplying air to the respective power generation cells 16 and used air (hereinafter also referred to as off-gas) discharged from the power generation cells 16 are discharged from the fuel cell stack 14. And an air outlet 28b for the purpose.

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４に水素ガスを供給する水素供給流路３０と、前記燃料電池スタック１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路３０の途上に戻して該燃料電池スタック１４に供給するための水素循環流路３２とを備える。   The fuel cell system 10 includes a hydrogen supply flow path 30 for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 14 and an exhaust gas containing unused hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 14 in the course of the hydrogen supply flow path 30. And a hydrogen circulation flow path 32 for supplying the fuel cell stack 14 to the fuel cell stack 14.

水素供給流路３０には、高圧水素を貯留する水素タンク３４と、前記水素タンク３４から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ３６と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック１４に供給するとともに、水素循環流路３２から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１４に戻すためのエゼクタ３８とが配設される。   In the hydrogen supply flow path 30, a hydrogen tank 34 that stores high-pressure hydrogen, a regulator 36 that reduces the pressure of the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 34, and the reduced hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack 14. In addition, an ejector 38 is provided for sucking exhaust gas from the hydrogen circulation passage 32 and returning it to the fuel cell stack 14.

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４に空気を供給する空気供給流路４０と、前記燃料電池スタック１４から排出されるオフガスを、外部に排気するための空気排出流路４２と、前記空気供給流路４０及び前記空気排出流路４２の途上に配設され、前記空気供給流路４０を通る空気を、前記空気排出流路４２を通るオフガス中の水分により加湿する加湿装置４４とを備える。   The fuel cell system 10 includes an air supply passage 40 for supplying air to the fuel cell stack 14, an air discharge passage 42 for exhausting off-gas discharged from the fuel cell stack 14 to the outside, and the air supply. A humidifier 44 is provided in the middle of the flow path 40 and the air discharge flow path 42, and humidifies the air passing through the air supply flow path 40 with moisture in the off-gas passing through the air discharge flow path 42.

空気供給流路４０は、加湿前反応ガス供給路４６を備え、この加湿前反応ガス供給路４６の一端には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（またはポンプ）４８が設けられる。加湿前反応ガス供給路４６の他端は、加湿装置４４の空気入口５０ａに連通するとともに、この加湿装置４４の空気出口５０ｂと、燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａとには、加湿後反応ガス供給路５２が連結される。   The air supply flow path 40 includes a pre-humidification reaction gas supply path 46, and a supercharger (or pump) 48 is provided at one end of the pre-humidification reaction gas supply path 46 in order to compress and supply air. The other end of the pre-humidified reaction gas supply path 46 communicates with the air inlet 50a of the humidifier 44, and the post-humidification reaction is provided between the air outlet 50b of the humidifier 44 and the air supply port 28a of the fuel cell stack 14. A gas supply path 52 is connected.

加湿前反応ガス供給路４６の途上には、三方切替バルブ５４が設けられ、この三方切替バルブ５４にバイパス流路５６の一端が接続される。バイパス流路５６は、加湿後反応ガス供給路５２の途上に接続されるとともに、前記バイパス流路５６にセンサ５８が配設される。このセンサ５８は、圧力センサ、温度センサ、湿度センサ又は濃度センサ等から必要に応じて選択可能である。   A three-way switching valve 54 is provided in the middle of the pre-humidified reaction gas supply path 46, and one end of a bypass channel 56 is connected to the three-way switching valve 54. The bypass flow path 56 is connected to the reaction gas supply path 52 after humidification, and a sensor 58 is disposed in the bypass flow path 56. The sensor 58 can be selected from a pressure sensor, a temperature sensor, a humidity sensor, a concentration sensor, or the like as necessary.

空気供給流路４０には、加湿前反応ガス供給路４６からバイパス流路５６に、常時、微量（所定量）の空気を供給可能な微量バイパス部６０が設けられる。この微量バイパス部６０は、図２に示すように、一端が加湿前反応ガス供給路４６に接続され、他端がバイパス流路５６に接続される微量バイパスライン６２を備える。この微量バイパスライン６２には、必要に応じてオリフィス６４が設けられる。微量バイパスライン６２の開口径を小さく設定して微量の空気を通流可能であれば、オリフィス６４を不要にすることができるからである。   The air supply channel 40 is provided with a minute amount bypass unit 60 that can always supply a minute amount (predetermined amount) of air from the pre-humidified reactive gas supply channel 46 to the bypass channel 56. As shown in FIG. 2, the trace bypass unit 60 includes a trace bypass line 62 having one end connected to the pre-humidification reaction gas supply path 46 and the other end connected to the bypass path 56. The minute bypass line 62 is provided with an orifice 64 as necessary. This is because the orifice 64 can be dispensed with if the opening diameter of the minute amount bypass line 62 is set small and a minute amount of air can flow.

図１に示すように、空気排出流路４２は、燃料電池スタック１４の空気排出口２８ｂと加湿装置４４のオフガス入口６６ａとに接続されるオフガス供給路６８と、前記加湿装置４４のオフガス出口６６ｂに連通するオフガス排出路７０とを備える。このオフガス排出路７０は、例えば、外部に開放されている。   As shown in FIG. 1, the air discharge channel 42 includes an offgas supply path 68 connected to the air discharge port 28 b of the fuel cell stack 14 and an offgas inlet 66 a of the humidifier 44, and an offgas outlet 66 b of the humidifier 44. And an off-gas discharge passage 70 communicating with the gas. For example, the off-gas discharge path 70 is open to the outside.

加湿装置４４は、図示していないが、例えば、水透過性膜の両側に空気とオフガスとを流動させる構造や、中空糸膜（水透過膜からなる多孔質中空糸）を密集して束ねた構造等が採用される。   Although not shown in the drawings, the humidifier 44 is a bundle of, for example, a structure that allows air and off-gas to flow on both sides of a water permeable membrane and a hollow fiber membrane (a porous hollow fiber made of a water permeable membrane). A structure or the like is adopted.

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

図１に示すように、水素タンク３４から水素供給流路３０に供給される水素ガスは、レギュレータ３６を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ３８を通って燃料電池スタック１４の水素供給口２６ａに供給される。水素供給口２６ａに供給された水素は、各発電セル１６を構成するアノード側電極２０ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口２６ｂから水素循環流路３２に排出される。この排ガスは、エゼクタ３８の吸引作用下に、水素供給流路３０の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１４内に燃料ガスとして供給される。   As shown in FIG. 1, the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 34 to the hydrogen supply flow path 30 is reduced to a predetermined pressure via the regulator 36, passes through the ejector 38, and the hydrogen supply port 26 a of the fuel cell stack 14. To be supplied. The hydrogen supplied to the hydrogen supply port 26a moves along the anode-side electrode 20b constituting each power generation cell 16, and then exhaust gas containing unused hydrogen is discharged from the hydrogen discharge port 26b to the hydrogen circulation channel 32. Is done. The exhaust gas is returned to the hydrogen supply flow path 30 under the suction action of the ejector 38 and then supplied again into the fuel cell stack 14 as fuel gas.

一方、スーパーチャージャ４８を介して空気供給流路４０に空気が供給される。この空気は、加湿前反応ガス供給路４６から加湿装置４４の空気入口５０ａを介して前記加湿装置４４内に導入される。その際、三方切替バルブ５４は、加湿前反応ガス供給路４６を全開にし且つバイパス流路５６と前記加湿前反応ガス供給路４６とを遮断する位置に配置される。   On the other hand, air is supplied to the air supply channel 40 via the supercharger 48. This air is introduced into the humidifier 44 from the pre-humidified reactive gas supply path 46 through the air inlet 50a of the humidifier 44. At this time, the three-way switching valve 54 is disposed at a position where the pre-humidification reaction gas supply path 46 is fully opened and the bypass flow path 56 and the pre-humidification reaction gas supply path 46 are blocked.

加湿装置４４では、燃料電池スタック１４の発電に使用された反応済みの空気であるオフガスが、オフガス供給路６８を介してオフガス入口６６ａから前記加湿装置４４内に導入される。このため、加湿装置４４内では、オフガス中の水分が反応前の空気に供給されて、この空気が加湿される。そして、加湿された空気は、加湿後反応ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに供給される。   In the humidifier 44, off-gas, which has been reacted air used for power generation of the fuel cell stack 14, is introduced into the humidifier 44 from the off-gas inlet 66 a through the off-gas supply path 68. For this reason, in the humidifier 44, the water | moisture content in off gas is supplied to the air before reaction, and this air is humidified. The humidified air is supplied to the air supply port 28a of the fuel cell stack 14 via the post-humidified reaction gas supply path 52.

この加湿された空気は、各発電セル１６のカソード側電極２０ｃに供給される。これにより、各発電セル１６では、アノード側電極２０ｂに供給される水素と、カソード側電極２０ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。なお、加湿装置４４内で反応前の空気を加湿したオフガスは、オフガス出口６６ｂからオフガス排出路７０に排出されて外部に放出される。   The humidified air is supplied to the cathode-side electrode 20c of each power generation cell 16. Thereby, in each power generation cell 16, the hydrogen supplied to the anode side electrode 20b and the oxygen in the air supplied to the cathode side electrode 20c react to generate power. In addition, the off gas which humidified the air before reaction in the humidifier 44 is discharged | emitted from the off gas exit 66b to the off gas discharge path 70, and is discharge | released outside.

この場合、第１の実施形態では、加湿前反応ガス供給路４６からバイパス流路５６に、常時、微量の空気を供給可能な微量バイパス部６０が設けられている。   In this case, in the first embodiment, the trace bypass unit 60 capable of always supplying a trace amount of air from the pre-humidification reaction gas supply path 46 to the bypass path 56 is provided.

この微量バイパス部６０は、図２に示すように、加湿前反応ガス供給路４６の三方切替バルブ５４の上流側と、バイパス流路５６の途上とに連結される微量バイパスライン６２を備えるとともに、この微量バイパスライン６２には、オリフィス６４が設けられている。   As shown in FIG. 2, the trace bypass unit 60 includes a trace bypass line 62 connected to the upstream side of the three-way switching valve 54 of the pre-humidification reaction gas supply path 46 and the middle of the bypass flow path 56. The minute bypass line 62 is provided with an orifice 64.

このため、三方切替バルブ５４を介して加湿前反応ガス供給路４６を全開状態に維持すると、反応前の空気は、加湿装置４４により加湿された後に燃料電池スタック１４に供給される一方、加湿前の比較的低湿度な空気が、微量バイパスライン６２を介してバイパス流路５６に送られている。従って、バイパス流路５６に配設されているセンサ５８は、常時、比較的低加湿な空気に曝されており、前記センサ５８に水滴が付着することを有効に阻止することができる。   For this reason, when the pre-humidification reaction gas supply path 46 is maintained in the fully opened state via the three-way switching valve 54, the air before the reaction is supplied to the fuel cell stack 14 after being humidified by the humidification device 44, while before being humidified. The relatively low-humidity air is sent to the bypass flow path 56 via the trace bypass line 62. Therefore, the sensor 58 disposed in the bypass channel 56 is always exposed to relatively low humid air, and it is possible to effectively prevent water droplets from adhering to the sensor 58.

これにより、第１の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、センサ５８の作動不良や凍結を低減させることが可能になり、前記センサ５８を介して高精度な測定が確実に遂行されるという効果が得られる。   As a result, in the first embodiment, it is possible to reduce malfunction and freezing of the sensor 58 with a simple and economical configuration, and highly accurate measurement is reliably performed via the sensor 58. The effect is obtained.

なお、第１の実施形態では、一方の反応ガスである空気を加湿して燃料電池スタック１４に供給するように構成しているが、これに限定されるものではなく、他方の反応ガスである燃料ガスを加湿する構造を採用してもよい。また、加湿流体として燃料電池スタック１４から排出される空気であるオフガスを用いているが、これに限定されるものではなく、他の加湿ガス、例えば、専用の水蒸気ガスや純水又は液体等を用いてもよい。   In the first embodiment, air that is one reaction gas is humidified and supplied to the fuel cell stack 14, but the present invention is not limited to this, and the other reaction gas is used. You may employ | adopt the structure which humidifies fuel gas. Further, although off-gas which is air discharged from the fuel cell stack 14 is used as the humidifying fluid, the present invention is not limited to this, and other humidifying gas, for example, dedicated steam gas, pure water, liquid, or the like is used. It may be used.

図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する空気供給流路８０の要部説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   FIG. 3 is an explanatory view of a main part of the air supply flow path 80 constituting the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell system 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

空気供給流路８０は、加湿前反応ガス供給路４６の途上に分岐流路８２を設けるとともに、前記分岐流路８２と前記加湿前反応ガス供給流路４６とは、バルブ８４に接続される。バルブ８４は、バルブ本体８６を備え、このバルブ本体８６には、加湿前反応ガス供給路４６に連通する第１通路８８ａと、分岐流路８２に連通する第２通路８８ｂとが形成される。   The air supply channel 80 is provided with a branch channel 82 in the middle of the pre-humidification reaction gas supply channel 46, and the branch channel 82 and the pre-humidification reaction gas supply channel 46 are connected to a valve 84. The valve 84 includes a valve body 86, and a first passage 88 a that communicates with the pre-humidification reaction gas supply passage 46 and a second passage 88 b that communicates with the branch passage 82 are formed in the valve body 86.

バルブ本体８６の一端には、アクチュエータ９０が装着され、このアクチュエータ９０に連結されている旋回軸９２には、第１及び第２弁体９４ａ、９４ｂが設けられる。第１及び第２弁体９４ａ、９４ｂは、略円板上を有するとともに、それぞれ第１通路８８ａと第２通路８８ｂとに配置され、且つ互いに所定の角度だけ位相差を有している。具体的には、第１弁体９４ａが第１通路８８ａを全開する位置では、第２弁体９４ｂが第２通路８８ｂを全閉する位置に配置される。   An actuator 90 is attached to one end of the valve main body 86, and a first and second valve bodies 94 a and 94 b are provided on a turning shaft 92 connected to the actuator 90. The first and second valve bodies 94a and 94b have a substantially circular plate shape, are disposed in the first passage 88a and the second passage 88b, respectively, and have a phase difference by a predetermined angle. Specifically, in a position where the first valve body 94a fully opens the first passage 88a, the second valve body 94b is disposed in a position where the second passage 88b is fully closed.

バルブ本体８６の他端側には、微量バイパス部を構成する微量バイパスライン９６が形成される。この微量バイパスライン９６は、第２弁体９４ｂを挟んで第２通路８８ｂに両端が開放されるとともに、開口断面積が相当に小さく設定されている。   On the other end side of the valve body 86, a minute bypass line 96 that constitutes a minute amount bypass portion is formed. The minute bypass line 96 has both ends opened to the second passage 88b with the second valve body 94b interposed therebetween, and the opening cross-sectional area is set to be considerably small.

このように構成される第２の実施形態では、バルブ８４を構成するアクチュエータ９０の作用下に、第１及び第２弁体９４ａ、９４ｂが所定の角度位置に配置されると、第１通路８８ａ及び第２通路８８ｂの開度が調整されて、加湿装置４４に導入される空気流量が調整可能である。その際、第１弁体９４ａにより第１通路８８ａが全開される一方、第２弁体９４ｂにより第２通路８８ｂが全閉されても、分岐流路８２とバイパス流路５６とは、微量バイパスライン９６を介して連通している。   In the second embodiment configured as described above, when the first and second valve bodies 94a and 94b are arranged at predetermined angular positions under the action of the actuator 90 configuring the valve 84, the first passage 88a. And the opening degree of the 2nd channel | path 88b is adjusted, and the air flow rate introduce | transduced into the humidification apparatus 44 is adjustable. At that time, even if the first passage 88a is fully opened by the first valve body 94a, the branch passage 82 and the bypass passage 56 are in a small amount of bypass even if the second passage 88b is fully closed by the second valve body 94b. The line 96 communicates.

従って、バルブ８４の操作状況に係わらず、バイパス流路５６には、比較的低加湿な空気が、常時、供給されるため、センサ５８に水滴が付着することを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、センサ５８の作動不良を低減させることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。   Accordingly, air with relatively low humidity is always supplied to the bypass flow path 56 regardless of the operation state of the valve 84, so that it is possible to reliably prevent water droplets from adhering to the sensor 58. As a result, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, for example, it is possible to reduce the malfunction of the sensor 58 with a simple configuration.

図４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する空気供給流路１００の要部説明図である。   FIG. 4 is an explanatory view of a main part of the air supply flow path 100 constituting the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention.

空気供給流路１００は、加湿前反応ガス供給路４６から分岐する分岐流路１０２を有するとともに、前記分岐流路１０２と前記加湿前反応ガス供給路４６とは、バルブ１０４に接続される。バルブ１０４は、バルブ本体１０６を備え、このバルブ本体１０６には、加湿前反応ガス供給路４６に連通する第１通路１０８ａと、分岐流路１０２に連通する第２通路１０８ｂとが形成される。   The air supply flow path 100 includes a branch flow path 102 that branches from the pre-humidification reaction gas supply path 46, and the branch flow path 102 and the pre-humidification reaction gas supply path 46 are connected to a valve 104. The valve 104 includes a valve body 106, and a first passage 108a that communicates with the pre-humidification reaction gas supply passage 46 and a second passage 108b that communicates with the branch passage 102 are formed in the valve body 106.

バルブ本体１０６の端部に装着されるアクチュエータ１１０から旋回軸１１２が延在するとともに、前記旋回軸１１２には、第１及び第２通路１０８ａ、１０８ｂに配設される第１及び第２弁体１１４ａ、１１４ｂが設けられる。   A pivot shaft 112 extends from an actuator 110 attached to an end of the valve body 106, and the pivot shaft 112 includes first and second valve bodies disposed in the first and second passages 108a and 108b. 114a and 114b are provided.

図５に示すように、第１弁体１１４ａにより第１通路１０８ａが全開される際に、第２弁体１１４ｂは第２通路１０８ｂを全閉することがなく、隙間（微量バイパス部）１１６を形成している。従って、アクチュエータ１１０の作用下に、第１弁体１１４ａが第１通路１０８ａを全開する位置に配置される際、第２弁体１１４ｂと第２通路１０８ｂとの間に形成される隙間１１６を介して、バイパス流路５６に微量な空気が供給されている。   As shown in FIG. 5, when the first passage 108a is fully opened by the first valve body 114a, the second valve body 114b does not fully close the second passage 108b, and the gap (a small amount of bypass portion) 116 is formed. Forming. Therefore, when the first valve body 114a is disposed at a position where the first passage 108a is fully opened under the action of the actuator 110, the gap 116 formed between the second valve body 114b and the second passage 108b is interposed. Thus, a very small amount of air is supplied to the bypass channel 56.

これにより、第３の実施形態では、バイパス流路５６に配設されているセンサ５８は、常時、比較的低加湿な空気に曝されており、簡単な構成で、前記センサ５８に水滴が付着することを阻止することができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。   Thus, in the third embodiment, the sensor 58 disposed in the bypass flow path 56 is always exposed to relatively low humidified air, and water droplets adhere to the sensor 58 with a simple configuration. The same effects as those of the first and second embodiments can be obtained.

なお、バルブ１０４では、第１弁体１０４ａが第１通路１０８ａを全開する際に、第２弁体１１４ｂが第２通路１０８ｂを全閉するように構成されていてもよい。その際、第１弁体１１４ａを第１通路１０８ａの全開位置からわずかに傾斜させることにより、第２弁体１１４ｂと第２通路１０８ｂとの間に微量バイパス部を形成することができ、上記の第３の実施形態と同様の効果が得られる。   The valve 104 may be configured such that the second valve body 114b fully closes the second passage 108b when the first valve body 104a fully opens the first passage 108a. At that time, a slight bypass portion can be formed between the second valve body 114b and the second passage 108b by slightly inclining the first valve body 114a from the fully opened position of the first passage 108a. The same effect as in the third embodiment can be obtained.

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムを構成する空気供給流路の要部説明図である。It is principal part explanatory drawing of the air supply flow path which comprises the said fuel cell system. 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する空気供給流路の要部説明図である。It is principal part explanatory drawing of the air supply flow path which comprises the fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する空気供給流路の要部説明図である。It is principal part explanatory drawing of the air supply flow path which comprises the fuel cell system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 前記空気供給流路に配設されるバルブの平面説明図である。It is a plane explanatory view of a valve provided in the air supply channel. 特許文献１の燃料電池用加湿システムの説明図である。It is explanatory drawing of the humidification system for fuel cells of patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池システム １４…燃料電池スタック
１６…発電セル ２０…電解質膜・電極構造体
２０ａ…固体高分子電解質膜 ２０ｂ…アノード側電極
２０ｃ…カソード側制御部 ４０、８０、１００…空気供給流路
４２…空気排出流路 ４４…加湿装置
４６…加湿前反応ガス供給路 ４８…スーパーチャージャ
５２…加湿後反応ガス供給路 ５４…三方切替バルブ
５６…バイパス流路 ５８…センサ
６０…微量バイパス部 ６２、９６…微量バイパスライン
６４…オリフィス ６８…オフガス供給路
７０…オフガス排出路 ８２、１０２…分岐流路
８４、１０４…バルブ ８６、１０６…バルブ本体
８８ａ、８８ｂ、１０８ａ、１０８ｂ…通路
９４ａ、９４ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…弁体
１１６…隙間 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 14 ... Fuel cell stack 16 ... Power generation cell 20 ... Electrolyte membrane and electrode structure 20a ... Solid polymer electrolyte membrane 20b ... Anode side electrode 20c ... Cathode side control part 40, 80, 100 ... Air supply flow path 42 ... Air discharge passage 44 ... Humidifying device 46 ... Pre-humidification reaction gas supply passage 48 ... Supercharger 52 ... After humidification reaction gas supply passage 54 ... Three-way switching valve 56 ... Bypass passage 58 ... Sensor 60 ... Small bypass section 62, 96 ... trace bypass line 64 ... orifice 68 ... off gas supply passage 70 ... off gas discharge passage 82,102 ... branch passage 84,104 ... valve 86,106 ... valve bodies 88a, 88b, 108a, 108b ... passages 94a, 94b, 114a 114b ... valve body 116 ... gap

Claims (1)

固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための加湿装置とを備える燃料電池システムであって、
前記加湿装置に加湿前の前記反応ガスを供給する加湿前反応ガス供給路と、
前記加湿装置から導出される加湿された前記反応ガスを、前記固体高分子型燃料電池に供給する加湿後反応ガス供給路と、
前記加湿前反応ガス供給路の途上からバルブを介して前記加湿後反応ガス供給路の途上に接続されるとともに、センサが配設されるバイパス流路と、
前記加湿前反応ガス供給路から前記バイパス流路に、常時、所定量の前記反応ガスを供給可能な微量バイパス部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system comprising: a solid polymer fuel cell; and a humidifying device for humidifying at least one reaction gas supplied to the solid polymer fuel cell with a humidified fluid.
A pre-humidified reactive gas supply path for supplying the reactive gas before humidification to the humidifier;
A humidified reaction gas supply path for supplying the humidified reaction gas derived from the humidifier to the polymer electrolyte fuel cell;
A bypass flow path connected to the reaction gas supply path after humidification from the middle of the reaction gas supply path before humidification through a valve, and a sensor is disposed;
A trace amount bypass unit capable of always supplying a predetermined amount of the reaction gas from the reaction gas supply path before humidification to the bypass flow path,
A fuel cell system comprising:
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