JP2006318798A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2006318798A JP2005141154A JP2005141154A JP2006318798A JP 2006318798 A JP2006318798 A JP 2006318798A JP 2005141154 A JP2005141154 A JP 2005141154A JP 2005141154 A JP2005141154 A JP 2005141154A JP 2006318798 A JP2006318798 A JP 2006318798A
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Hiroki Ogawara
裕記 大河原
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Toyota Motor Corp
Aisin Corp
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Aisin Seiki Co Ltd
Toyota Motor Corp
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system of which stability, accuracy, and responsiveness of humidification control are improved without bringing about lowering of thermal efficiency of a total system, and the size and cost are reduced while keeping a sufficient humidifying property. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with a humidifier 14 humidifying cathode air and supplying it to an oxidant electrode 12. The humidifier 14 is constituted by a first humidifier 14a humidifying cathode air by exchanging vapor between cathode off-gas exhausted from the oxidant electrode 12 and cathode air; and a second humidifier 14b arranged on a condensed coolant circulation circuit 75 in which a heat medium (a condensed coolant) as liquid containing water in which waste heat exhausted from the fuel cell 10 and/or waste heat generated at a reformer 20 is recovered, is made to circulate, humidifying cathode air by evaporating the heat media by utilizing the recovered heat. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料および酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、酸化剤ガスを加湿して酸化剤極に供給する加湿器と、を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power using fuel and an oxidant gas supplied to a fuel electrode and an oxidant electrode, respectively, and a humidifier that humidifies the oxidant gas and supplies the oxidant gas to the oxidant electrode. About.

この燃料電池システムとして、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料および酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、酸化剤ガスを加湿して酸化剤極に供給する加湿器と、を備えたものはよく知られている。   The fuel cell system includes a fuel cell that generates power using fuel and oxidant gas supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively, and a humidifier that humidifies the oxidant gas and supplies the oxidant electrode to the oxidant electrode. Is well known.

このような燃料電池システムの一形式として、特許文献1「燃料電池用加湿システム」に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、燃料電池用加湿システムは、反応に使用される反応ガスを、反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿する水分透過型の加湿装置6を備えたものであり、燃料電池1の要求加湿量に応じて加湿量を制御している。また、反応ガス供給路3であって加湿装置6と燃料電池1のガス入口2との間には燃料電池1内に供給される乾燥エアの露点を測定する露点計19が設けられている。また、加湿装置6を経て燃料電池1に至る反応ガス供給路3に、加湿装置6をバイパスする反応ガスバイパス路21が設けられている。ここでこの反応ガスバイパス路21には、反応ガスのバイパス流量を調整可能な流量調整弁22が取り付けられ、この流量調整弁22と前記露点計19と電圧計20とが制御装置23を介して接続されている。露点計19によって測定された露点に基づいて反応ガスバイパス路21を流れる乾燥空気の量を調整することで加湿装置6に流れる乾燥空気の量を増減させて、常に最適な露点(要求露点)を維持し、燃料電池1内において結露が生じ発電能力が低下しないよう、最適な状態で燃料電池1が作動するのである。   As one type of such a fuel cell system, one shown in Patent Document 1 “Humidification system for fuel cell” is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, the fuel cell humidification system includes a moisture permeable humidifier 6 that humidifies the reaction gas used for the reaction with moisture in the off-gas discharged after the reaction. The humidification amount is controlled according to the required humidification amount of the fuel cell 1. A dew point meter 19 for measuring the dew point of the dry air supplied into the fuel cell 1 is provided between the humidifier 6 and the gas inlet 2 of the fuel cell 1 in the reaction gas supply path 3. Further, a reaction gas bypass passage 21 that bypasses the humidification device 6 is provided in the reaction gas supply passage 3 that reaches the fuel cell 1 through the humidification device 6. Here, a flow rate adjustment valve 22 capable of adjusting the bypass flow rate of the reaction gas is attached to the reaction gas bypass passage 21, and the flow rate adjustment valve 22, the dew point meter 19, and the voltmeter 20 are connected via the control device 23. It is connected. By adjusting the amount of dry air flowing through the reaction gas bypass passage 21 based on the dew point measured by the dew point meter 19, the amount of dry air flowing through the humidifier 6 is increased or decreased, so that the optimum dew point (required dew point) is always obtained. The fuel cell 1 operates in an optimum state so that condensation is not generated in the fuel cell 1 and the power generation capacity is not reduced.

また、他の形式として、特許文献2「燃料電池運転制御システム及び方法」に示されているものが知られている。特許文献2の図6に示されているように、燃料電池運転制御システムは、固体電解質燃料電池を備えた燃料電池11と、該燃料電池11の燃料電池の燃料極へ燃料ガス12を供給する燃料ガス供給ラインL1 と、燃料電池11から排出される燃料排ガス13を排出する燃料ガス排出ラインL2 と、上記燃料電池11へ外部から空気14を供給する空気供給ラインL3 と、上記燃料電池11からの排空気15を排出する空気排出ラインL4 と、上記空気供給ラインL3 及び空気排出ラインL4 に介装され、供給する空気14を排空気15の排熱で予熱する空気予熱器16と、上記空気供給ラインL3 から分枝され、上記空気予熱器16を迂回して空気を予熱せずに空気を供給するバイパスラインL5 と、上記バイパスラインL5 が合流した後で燃料電池11へ供給前の供給空気の温度を測定する温度計17と、該温度計17の温度情報によりバイパスラインL5 に介装されたバルブB3 の調整を行う温度コントローラ18と、上記空気供給ラインL3 に介装され主供給空気の流量を測定する流量計19及び該流量計19の情報によりバルブB1 の調整を行う流量コントローラ20とを具備している。このシステムにおいては、必要に応じて燃料電池11に供給する空気の温度を温度計17を監視して調整している。 Further, as another type, one disclosed in Patent Document 2 “Fuel cell operation control system and method” is known. As shown in FIG. 6 of Patent Document 2, the fuel cell operation control system supplies a fuel cell 12 having a solid electrolyte fuel cell and a fuel gas 12 to the fuel electrode of the fuel cell of the fuel cell 11. A fuel gas supply line L 1 , a fuel gas discharge line L 2 for discharging fuel exhaust gas 13 discharged from the fuel cell 11, an air supply line L 3 for supplying air 14 to the fuel cell 11 from the outside, and the fuel An air discharge line L 4 that discharges exhaust air 15 from the battery 11, and an air preheat that is interposed in the air supply line L 3 and the air discharge line L 4 and preheats the supplied air 14 with the exhaust heat of the exhaust air 15. A bypass line L 5 that branches off from the air supply line 16 and the air supply line L 3 , bypasses the air preheater 16 and supplies air without preheating, and the bypass line L 5 joins Fuel electricity A thermometer 17 for measuring the temperature of the feed air before supply to 11, a temperature controller 18 to adjust the valve B 3 interposed in the bypass line L 5 by the temperature information of the temperature meter 17, the air supply line It is provided with a flow controller 20 to adjust the valve B 1 by the flow meter 19 and flow meter 19 information for measuring the flow rate of the interposed by the main supply air to L 3. In this system, the temperature of the air supplied to the fuel cell 11 is adjusted by monitoring the thermometer 17 as necessary.

また、他の形式として、特許文献3「固体高分子形燃料電池システム」に示されているものが知られている。特許文献3の図1に示されているように、固体高分子形燃料電池システムにおいては、電池モジュール1に連結される湿熱交換型加湿器2は、基本的構成として湿熱交換用素子6を挟んでオフガス流路3と、反応ガス流路4と、電池冷却水加湿流路5とが積層配置される。又、電池モジュール1の冷却水出口付近で電池冷却水主回路7と電池冷却水加湿回路8に分岐し、分岐箇所には流量制御手段9を設ける。更に、システムの各所にセンサ10〜12を適宜設け、センサからの信号により電池冷却水加湿回路8への電池冷却水の流量を制御する。
特開2001−216984号公報(第3−4頁、第1図) 特開2001−202981号公報(第1頁、第6図) 特開2004−31073号公報(第2−9頁、第1図)
Further, as another type, one disclosed in Patent Document 3 “Solid Polymer Fuel Cell System” is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 3, in the polymer electrolyte fuel cell system, the wet heat exchange type humidifier 2 connected to the battery module 1 sandwiches the wet heat exchange element 6 as a basic configuration. Thus, the off gas flow path 3, the reaction gas flow path 4, and the battery cooling water humidification flow path 5 are stacked. Further, the battery module 1 branches to a battery cooling water main circuit 7 and a battery cooling water humidification circuit 8 in the vicinity of the cooling water outlet, and a flow rate control means 9 is provided at the branch location. Furthermore, sensors 10 to 12 are appropriately provided at various points in the system, and the flow rate of the battery cooling water to the battery cooling water humidification circuit 8 is controlled by a signal from the sensor.
JP 2001-216984 A (page 3-4, FIG. 1) JP 2001-202981 A (first page, FIG. 6) JP 2004-31073 A (page 2-9, FIG. 1)

上述した特許文献1に記載の燃料電池用加湿システムにおいては、反応に使用される反応ガスを、反応後に排出されるオフガス内の水分により加湿しており、すなわちオフガスが加湿源である。しかし、気体であるオフガスの水蒸気分圧によって加湿能力が決まってしまうため、オフガスの水蒸気分圧が変動すると加湿能力も変動するので、加湿源が不安定となるおそれがあり、ひいては加湿精度、応答性が悪化するおそれがあった。また、露点計19によって測定された露点に基づいて反応ガスバイパス路21を流れる乾燥空気の量を調整して燃料電池1内を最適加湿状態とするには、加湿装置6から導出される加湿後の反応ガスが飽和(水蒸気飽和)であることが望まれる。これを実現するために、加湿装置6の水が透過する中空糸膜の表面積を十分に大きくすることが考えられる。この場合、燃料電池1内を最適加湿状態とすることができるが、加湿装置6が大型化・高コスト化しひいては燃料電池システム全体が大型化・高コスト化するという問題があった。なお、上述した特許文献2に記載の燃料電池運転制御システムにおいても、同様な問題があった。   In the fuel cell humidification system described in Patent Document 1 described above, the reaction gas used for the reaction is humidified by the moisture in the off-gas discharged after the reaction, that is, the off-gas is the humidification source. However, since the humidification capacity is determined by the water vapor partial pressure of the off-gas, which is a gas, if the water vapor partial pressure of the off gas fluctuates, the humidification capacity also fluctuates. There was a possibility that the sex would deteriorate. Further, in order to adjust the amount of dry air flowing through the reaction gas bypass passage 21 based on the dew point measured by the dew point meter 19 and to bring the inside of the fuel cell 1 into the optimum humidified state, after humidification derived from the humidifier 6. It is desirable that the reaction gas is saturated (water vapor saturation). In order to realize this, it is conceivable to sufficiently increase the surface area of the hollow fiber membrane through which the water of the humidifying device 6 permeates. In this case, the inside of the fuel cell 1 can be brought into an optimum humidified state, but there has been a problem that the humidifier 6 is increased in size and cost, and the entire fuel cell system is increased in size and cost. The fuel cell operation control system described in Patent Document 2 described above has a similar problem.

上述した特許文献3に記載の固体高分子形燃料電池システムにおいては、前述した各問題に対して大幅な改善を図ることができるが、電池モジュール1の冷却水から熱を奪って反応ガスが加湿されるので、それに伴って冷却水の温度が低下する。電池モジュール1の発電に伴って発生する熱を冷却水を介して貯湯水に回収する場合には、冷却水の温度が低下すると、貯湯水に回収する熱量および貯湯水に戻るお湯の温度(回収湯温)が減少するという問題があった。また、電池モジュール1を適切な温度に制御できなくなり適切に発電できなくなるおそれがあった。さらに、オフガスの熱のうち温熱交換型加湿器2で利用されずに残ったものはそのまま排出されるので、温熱交換型加湿器2で利用が少なかった場合には多量の熱が排出されることとなりオフガスの熱効率が悪くなり、システム全体の熱効率が悪くなるという問題があった。   In the polymer electrolyte fuel cell system described in Patent Document 3 described above, the problems described above can be greatly improved. However, the reaction gas is humidified by removing heat from the cooling water of the battery module 1. As a result, the temperature of the cooling water decreases accordingly. When recovering the heat generated by the power generation of the battery module 1 to the hot water storage via the cooling water, when the temperature of the cooling water decreases, the amount of heat recovered in the hot water and the temperature of the hot water returning to the hot water (recovery) There was a problem that the water temperature was decreased. In addition, the battery module 1 cannot be controlled to an appropriate temperature, and there is a risk that power generation cannot be performed appropriately. Furthermore, since the heat of the off-gas that is not used in the heat exchanger type humidifier 2 is discharged as it is, a large amount of heat is discharged when the heat exchanger type humidifier 2 uses less. As a result, the thermal efficiency of off-gas deteriorates, and the thermal efficiency of the entire system deteriorates.

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、システム全体の熱効率の低下を招くことなく、加湿制御の安定性、精度、応答性を向上し、また十分な加湿能力を保持したままでシステムを小型化、低コストとすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems. In a fuel cell system, the stability, accuracy, and responsiveness of humidification control are improved without causing a decrease in the thermal efficiency of the entire system. The objective is to reduce the size and cost of the system while maintaining a high humidification capability.

上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料および酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、酸化剤ガスを加湿して酸化剤極に供給する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、加湿器は、酸化剤極から排出される酸化剤オフガスと酸化剤ガスとの間で水蒸気交換することにより酸化剤ガスを加湿する第1加湿器と、燃料電池から排出される排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体が循環する熱媒体循環回路上に設けられ、回収した熱を利用して熱媒体を水蒸気化することにより酸化剤ガスを加湿する第2加湿器とから構成されていることである。   In order to solve the above-mentioned problem, the structural feature of the invention according to claim 1 is that a fuel cell that generates electric power using the fuel and oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, and humidifying the oxidant gas. And a humidifier that supplies the oxidant electrode to the oxidant electrode, the humidifier exchanges water vapor between the oxidant off-gas discharged from the oxidant electrode and the oxidant gas to exchange the oxidant gas. A first humidifier that humidifies and a heat medium circulating circuit that circulates a heat medium that is a liquid containing at least recovered heat exhausted from the fuel cell is circulated. It is comprised from the 2nd humidifier which humidifies oxidant gas by steaming.

また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、熱媒体循環回路上には、第1加湿器を通った後の酸化剤オフガスの排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段が配設されていることである。   Further, the structural feature of the invention according to claim 2 is that in claim 1, the oxidant off-gas exhaust heat for recovering the exhaust heat of the oxidant off-gas after passing through the first humidifier is disposed on the heat medium circulation circuit. The collection means is arranged.

また請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項2において、第2加湿器は、酸化剤オフガス排熱回収手段の下流に配置されていることである。   The structural feature of the invention according to claim 3 is that, in claim 2, the second humidifier is disposed downstream of the oxidant off-gas exhaust heat recovery means.

また請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項3の何れか一項において、酸化剤ガスは、第1加湿器、第2加湿器の順番に流通した後に酸化剤極に供給されることである。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the oxidant gas is circulated in the order of the first humidifier and the second humidifier, and then the oxidant. Is to be supplied to the pole.

また請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項4の何れか一項において、加湿器は、酸化剤ガス、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路を備えた一体構造体であることである。   According to a fifth aspect of the present invention, the humidifier according to any one of the first to fourth aspects includes a flow path through which the oxidant gas, the oxidant off-gas, and the heat medium flow. It is an integral structure.

また請求項6に係る発明の構成上の特徴は、請求項5において、酸化剤ガスが流れる流路は、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路に水蒸気交換可能に隣り合って配設され、かつ、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路は互いに水蒸気交換可能に隣り合って配設されることがないことである。   Further, the structural feature of the invention according to claim 6 is that, in claim 5, the flow path through which the oxidant gas flows is adjacent to the flow path through which the oxidant off-gas and the heat medium flow, respectively, so that water vapor can be exchanged. In addition, the flow paths through which the oxidant off-gas and the heat medium respectively flow are not arranged adjacent to each other so as to exchange water vapor.

また請求項7に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項6の何れか一項において、熱媒体循環回路上に設けられ熱媒体を循環する循環手段をさらに備え、循環手段の送出量を制御して、燃料電池の酸化剤極に流入する酸化剤ガスの温度を目標温度に調整するか、第2加湿器の流通後の熱媒体の温度を目標温度に調整することである。   According to a seventh aspect of the present invention, the structural feature of the invention according to any one of the first to sixth aspects further includes a circulation means provided on the heat medium circulation circuit for circulating the heat medium. By controlling the delivery amount, the temperature of the oxidant gas flowing into the oxidant electrode of the fuel cell is adjusted to the target temperature, or the temperature of the heat medium after the circulation of the second humidifier is adjusted to the target temperature. .

また請求項8に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項7の何れか一項において、熱媒体循環回路の熱媒体として、少なくとも燃料電池から排出されるオフガスから回収した凝縮水を利用することである。   Further, the structural feature of the invention according to claim 8 is that in any one of claims 1 to 7, the condensed water recovered from at least off gas discharged from the fuel cell as the heat medium of the heat medium circuit. Is to use.

また請求項9に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項8の何れか一項において、熱媒体循環回路上に設けられ第2加湿器をバイパスするバイパス路と、第2加湿器を流れる熱媒体の流量と第2加湿器をバイパスしてバイパス路を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整手段とをさらに備えたことである。   A structural feature of the invention according to claim 9 is that, in any one of claims 1 to 8, a bypass path provided on the heat medium circuit and bypassing the second humidifier, and a second humidification And a flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the heat medium flowing through the vessel and the flow rate of the heat medium flowing through the bypass path by bypassing the second humidifier.

また請求項10に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項9の何れか一項において、燃料電池へ供給する燃料を生成する改質器をさらに備え、第2加湿器は、燃料電池から排出される排熱および/または改質器にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体が循環する熱媒体循環回路上に設けられ、回収した熱を利用して熱媒体を水蒸気化することにより酸化剤ガスを加湿することである。   The structural feature of the invention according to claim 10 is that in any one of claims 1 to 9, further comprising a reformer that generates fuel to be supplied to the fuel cell, wherein the second humidifier comprises: Waste heat discharged from the fuel cell and / or waste heat generated in the reformer is provided on a heat medium circuit where a heat medium that is a liquid containing at least recovered water is circulated, and the recovered heat is used. Thus, the oxidizing medium is humidified by steaming the heat medium.

また請求項11に係る発明の構成上の特徴は、請求項10において、熱媒体循環回路の熱媒体として、燃料電池から排出されるオフガス、改質器で生成された燃料、改質器の燃焼器から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つのガスから回収した凝縮水を利用することである。   According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a structural feature of the invention according to the tenth aspect, in which the off-gas discharged from the fuel cell, the fuel generated by the reformer, and the reformer combustion are used as the heat medium of the heat medium circulation circuit. The condensed water recovered from at least one gas of the combustion exhaust gas discharged from the vessel is used.

上記のように構成した請求項1に係る発明においては、加湿器は、第1加湿器にて酸化剤オフガスにより酸化剤ガスを加湿するとともに、第2加湿器にて燃料電池から排出される排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体により酸化剤ガスを加湿する。これにより、燃料電池の発電による排熱を回収した燃料電池熱媒体から熱を奪うことなく、熱回収効率の低下を招くことなく、燃料電池を適切な温度に制御でき、適切に発電することができるとともに、酸化剤ガスを最適加湿状態に加湿することができる。   In the invention according to claim 1 configured as described above, the humidifier humidifies the oxidant gas with the oxidant off-gas in the first humidifier, and the exhaust gas discharged from the fuel cell in the second humidifier. The oxidant gas is humidified by a heat medium that is a liquid containing water from which heat is at least recovered. As a result, the fuel cell can be controlled to an appropriate temperature without generating heat from the fuel cell heat medium that has recovered the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell, and without deteriorating the heat recovery efficiency. In addition, the oxidizing gas can be humidified to the optimum humidified state.

また、水を含む液体である熱媒体が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスのみである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高く維持することができるので、水蒸気化する部位の面積を小さくすることができ、装置を小型化することができる。また水蒸気分圧を高く一定に維持することができるので、加湿性能の精度向上、加湿能力の安定性、応答性向上を図ることができる。   In addition, since the heat medium that is a liquid containing water serves as a humidification source, the water vapor partial pressure can be kept extremely high as compared with the case where the humidification source is only off-gas as in the past, so The area can be reduced and the apparatus can be miniaturized. Further, since the water vapor partial pressure can be kept high and constant, it is possible to improve the accuracy of the humidifying performance, improve the stability of the humidifying ability, and improve the responsiveness.

上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1に係る発明において、熱媒体循環回路上には、第1加湿器を通った後の酸化剤オフガスの排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段が配設されているので、酸化剤オフガスの排熱のうち第1加湿器で回収されて利用されずに残ったものが、酸化剤オフガス排熱回収手段によって熱媒体に回収されて利用することができる。したがって、酸化剤オフガスの排熱を無駄なく回収して無駄なく利用することができるので、その熱回収効率を向上し、システム全体の熱回収効率を高く維持することができる。   In the invention according to claim 2 configured as described above, in the invention according to claim 1, the oxidation for recovering the exhaust heat of the oxidant off-gas after passing through the first humidifier on the heat medium circulation circuit. Since the oxidant off-gas exhaust heat recovery means is disposed, the exhaust heat of the oxidant off-gas that has been recovered by the first humidifier and remains unused is converted into a heat medium by the oxidant off-gas exhaust heat recovery means. It can be recovered and used. Therefore, since the exhaust heat of the oxidant off-gas can be recovered without waste and used without waste, the heat recovery efficiency can be improved and the heat recovery efficiency of the entire system can be maintained high.

上記のように構成した請求項3に係る発明においては、請求項2に係る発明において、第2加湿器は酸化剤オフガス排熱回収手段の下流に配置されていることにより、酸化剤オフガス排熱回収手段にて熱媒体に回収した熱を第2加湿器にて酸化剤ガスを加湿する際に利用することができるので、酸化剤オフガス排熱回収手段にて回収した熱を無駄なく利用することができる。   In the invention according to claim 3 configured as described above, in the invention according to claim 2, the second humidifier is disposed downstream of the oxidant off-gas exhaust heat recovery means, thereby oxidant off-gas exhaust heat. Since the heat recovered in the heat medium by the recovery means can be used when the oxidant gas is humidified by the second humidifier, the heat recovered by the oxidant off-gas exhaust heat recovery means can be used without waste. Can do.

上記のように構成した請求項4に係る発明においては、請求項1乃至請求項3の何れか一項に係る発明において、酸化剤ガスは、第1加湿器、第2加湿器の順番に流通した後に酸化剤極に供給されることにより、第1加湿器により酸化剤ガスが最適加湿状態とならない場合でも、第2加湿器でさらに加湿されて最適加湿状態となるので、酸化剤極に供給する酸化剤ガスを確実に最適加湿状態とすることができる。また、酸化剤極に供給する酸化剤ガスを温度に対して水蒸気飽和状態とすることにより、加湿状態の把握がその温度により可能となり、制御性の向上、汎用温度センサを使用することによる信頼性の高い維持、コスト低減を達成することができる。   In the invention according to Claim 4 configured as described above, in the invention according to any one of Claims 1 to 3, the oxidizing gas flows in the order of the first humidifier and the second humidifier. After being supplied to the oxidant electrode, even if the oxidant gas is not in the optimum humidified state by the first humidifier, it is further humidified by the second humidifier to be in the optimum humidified state. It is possible to ensure that the oxidizing gas to be brought into the optimum humidified state. In addition, by setting the oxidant gas supplied to the oxidant electrode to a water vapor saturation state with respect to the temperature, it becomes possible to grasp the humidified state based on the temperature, improving controllability, and reliability by using a general-purpose temperature sensor High maintenance and cost reduction can be achieved.

上記のように構成した請求項5に係る発明においては、請求項1乃至請求項4の何れか一項に係る発明において、加湿器は、酸化剤ガス、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路を備えた一体構造体であるので、コンパクト化を図ることが可能となる。   In the invention according to Claim 5 configured as described above, in the invention according to any one of Claims 1 to 4, the humidifier is a flow in which the oxidant gas, the oxidant off-gas, and the heat medium respectively flow. Since it is an integral structure provided with a path, it becomes possible to achieve compactness.

上記のように構成した請求項6に係る発明においては、請求項5に係る発明において、酸化剤ガスが流れる流路は、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路に水蒸気交換可能に隣り合って配設され、かつ、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路は互いに水蒸気交換可能に隣り合って配設されることがないため、熱媒体が酸化剤オフガスを無駄に加湿せず、かつ、酸化剤ガスは熱媒体および酸化剤オフガスを加湿するので、加湿制御性を向上することができる。   In the invention according to claim 6 configured as described above, in the invention according to claim 5, the flow path through which the oxidant gas flows is adjacent to the flow path through which the oxidant off-gas and the heat medium respectively flow so that water vapor can be exchanged. And the flow paths through which the oxidant off-gas and the heat medium respectively flow are not arranged adjacent to each other so that water vapor exchange is possible, so that the heat medium does not waste the oxidant off-gas unnecessarily, and Since the oxidant gas humidifies the heat medium and the oxidant off-gas, the humidification controllability can be improved.

上記のように構成した請求項7に係る発明においては、請求項1乃至請求項6の何れか一項に係る発明において、熱媒体循環回路上に設けられ熱媒体を循環する循環手段をさらに備え、循環手段の送出量を制御して、燃料電池の酸化剤極に流入する酸化剤ガスの温度を目標温度に調整するか、第2加湿器の流通後の熱媒体の温度を目標温度に調整するので、確実かつ的確に湿度を調整でき、さらに雰囲気温度の変動など外乱の影響を低減し、かつ、フラッディングを確実に防止することができる。   In the invention according to claim 7 configured as described above, the invention according to any one of claims 1 to 6 further includes a circulation means provided on the heat medium circulation circuit for circulating the heat medium. Then, the amount of the circulated means is controlled to adjust the temperature of the oxidant gas flowing into the oxidant electrode of the fuel cell to the target temperature, or the temperature of the heat medium after the circulation of the second humidifier is adjusted to the target temperature. Therefore, the humidity can be adjusted accurately and accurately, the influence of disturbances such as fluctuations in the ambient temperature can be reduced, and flooding can be reliably prevented.

上記のように構成した請求項8に係る発明においては、請求項1乃至請求項7の何れか一項に係る発明において、熱媒体循環回路の熱媒体として、少なくとも燃料電池から排出されるオフガスから回収した凝縮水を利用することにより、凝縮水を加湿水として利用するので、加湿で使用した水量をオフガス中の水蒸気を凝縮した水量でまかなうことができるため、外部から大量に水を投入することなく加湿が可能となる。   In the invention according to claim 8 configured as described above, in the invention according to any one of claims 1 to 7, at least from the off-gas discharged from the fuel cell as the heat medium of the heat medium circuit. Since the condensed water is used as humidified water by using the collected condensed water, it is possible to cover the amount of water used for humidification with the amount of water condensed from off-gas. Humidification is possible.

上記のように構成した請求項9に係る発明においては、請求項1乃至請求項8の何れか一項に係る発明において、熱媒体循環回路上に設けられ第2加湿器をバイパスするバイパス路と、第2加湿器を流れる熱媒体の流量と第2加湿器をバイパスしてバイパス路を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整手段とをさらに備えているため、加湿に必要十分な熱量に相当する流量となるように熱媒体を第2加湿器に供給することができるので、酸化剤ガスを最適加湿することができる。また、熱媒体を必要以上に第2加湿器に供給しないので、熱媒体の温度を必要以上に冷却することを抑制し熱媒体温度を高温に維持して燃料電池システムの熱回収効率を高く維持することができる。   In the invention according to claim 9 configured as described above, in the invention according to any one of claims 1 to 8, a bypass path provided on the heat medium circuit and bypassing the second humidifier, Since it further comprises a flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the heat medium flowing through the second humidifier and the flow rate of the heat medium flowing through the bypass path by bypassing the second humidifier, it corresponds to a heat amount necessary and sufficient for humidification. Since the heat medium can be supplied to the second humidifier so as to achieve a flow rate of the oxidant gas, the oxidant gas can be optimally humidified. Also, since the heat medium is not supplied to the second humidifier more than necessary, the heat medium temperature is kept at a high temperature by suppressing the temperature of the heat medium from being unnecessarily high, and the heat recovery efficiency of the fuel cell system is kept high. can do.

上記のように構成した請求項10に係る発明においては、燃料電池システムに改質器が備えられている場合、第2加湿器は、燃料電池から排出される排熱および/または改質器にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体が循環する熱媒体循環回路上に設けられ、回収した熱を利用して熱媒体を水蒸気化することにより酸化剤ガスを加湿する。これにより、改質器を備えて燃料電池システムも、上述した各発明の効果を得ることができる。   In the invention according to claim 10 configured as described above, when the fuel cell system is provided with a reformer, the second humidifier serves as exhaust heat exhausted from the fuel cell and / or reformer. Is provided on a heat medium circuit in which a heat medium, which is a liquid containing water, at least recovering the exhaust heat generated in this way, and humidifies the oxidant gas by steaming the heat medium using the recovered heat . Thus, the fuel cell system including the reformer can also obtain the effects of the above-described inventions.

上記のように構成した請求項11に係る発明においては、請求項10に係る発明において、熱媒体循環回路の熱媒体として、燃料電池から排出されるオフガス、改質器で生成された燃料、改質器の燃焼器から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つのガスから回収した凝縮水を利用するので、加湿で使用した水量を各ガス中の水蒸気を凝縮した水量でまかなうことができるため、外部から大量に水を投入することなく加湿が可能となる。   In the invention according to claim 11 configured as described above, in the invention according to claim 10, as the heat medium of the heat medium circuit, the off-gas discharged from the fuel cell, the fuel generated by the reformer, Since the condensed water recovered from at least one gas of the flue gas discharged from the combustor of the gasifier is used, the amount of water used for humidification can be covered by the amount of water condensed from the water vapor in each gas. Humidification is possible without adding a large amount of water.

1)第1実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第1実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)を生成する改質器20を備えている。
1) First Embodiment Hereinafter, a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell 10 and a reformer 20 that generates a reformed gas (fuel gas) containing hydrogen gas necessary for the fuel cell 10.

燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13(本実施形態では高分子電解質膜)を備えており、燃料極11に供給された燃料である燃料ガス(改質ガス)および空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。   The fuel cell 10 includes a fuel electrode 11, an air electrode 12 that is an oxidizer electrode, and an electrolyte 13 (polymer electrolyte membrane in the present embodiment) interposed between both electrodes 11 and 12, and is supplied to the fuel electrode 11. Electric power is generated using the fuel gas (reformed gas) that is the remaining fuel and the air (cathode air) that is the oxidant gas supplied to the air electrode 12. Note that air-enriched gas may be supplied instead of air.

改質器20は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、燃焼器であるバーナ(燃焼部)21、改質部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。   The reformer 20 steam-reforms the reforming fuel and supplies a hydrogen-rich reformed gas to the fuel cell 10. The reformer 20 is a burner (combustion unit) 21, a reforming unit 22, which is a combustor. It is composed of a carbon oxide shift reaction part (hereinafter referred to as a CO shift part) 23 and a carbon monoxide selective oxidation reaction part (hereinafter referred to as a CO selective oxidation part) 24. The reforming fuel includes natural gas, LPG, kerosene, gasoline, methanol, and the like. In the present embodiment, description will be made on natural gas.

バーナ21は、改質部22を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。このバーナ21は、起動した後改質用燃料の供給開始までの間は、外部から供給される燃焼用燃料を燃焼用空気で燃焼し、改質用燃料の供給開始以降から定常運転開始までにおいては、CO選択酸化部24から直接供給される改質ガスを燃焼用空気で燃焼し、そして、定常運転時に燃料電池10の燃料極11から供給されるアノードオフガス(燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス)を燃焼用空気で燃焼し、その燃焼ガスを改質部22に導出するものである。なお、改質ガスまたはアノードオフガスの熱量不足は燃焼用燃料で補充するようになっている。この燃焼ガスは改質部22を(同改質部22の触媒の活性温度域となるように)加熱し、その後排気管63を通って外部に排出されるようになっている。   The burner 21 generates combustion gas for heating the reforming unit 22 and supplying heat necessary for the steam reforming reaction. The burner 21 burns combustion fuel supplied from the outside with combustion air until the start of supply of the reforming fuel after being started, and from the start of supply of the reforming fuel to the start of steady operation. , The reformed gas directly supplied from the CO selective oxidation unit 24 is burned with combustion air, and the anode off-gas supplied from the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 during steady operation (not supplied to the fuel cell and used) The reformed gas discharged into the combustion chamber is burned with combustion air, and the combustion gas is led out to the reforming section 22. Note that the shortage of heat in the reformed gas or anode off gas is supplemented with combustion fuel. The combustion gas heats the reforming section 22 (so as to be within the catalyst activation temperature range of the reforming section 22), and then is discharged to the outside through the exhaust pipe 63.

改質部22は、外部から供給された改質用燃料に蒸発器25からの水蒸気(改質水)を混合した混合ガスを改質部22に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している(いわゆる一酸化炭素シフト反応)。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)はCOシフト部23に導出される。   The reforming unit 22 reforms a mixed gas obtained by mixing the reforming fuel supplied from the outside with water vapor (reformed water) from the evaporator 25 by using a catalyst charged in the reforming unit 22 to generate hydrogen gas. Carbon monoxide gas is produced (so-called steam reforming reaction). At the same time, carbon monoxide and steam generated by the steam reforming reaction are converted into hydrogen gas and carbon dioxide (so-called carbon monoxide shift reaction). These generated gases (so-called reformed gas) are led to the CO shift unit 23.

COシフト部23は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてCO選択酸化部24に導出される。   The CO shift unit 23 is converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas by reacting carbon monoxide and water vapor contained in the reformed gas with a catalyst filled therein. Thus, the reformed gas is led to the CO selective oxidation unit 24 with the carbon monoxide concentration reduced.

CO選択酸化部24は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたCO酸化用の空気(エア)とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)燃料電池10の燃料極11に導出される。   The CO selective oxidation unit 24 generates carbon dioxide by reacting carbon monoxide remaining in the reformed gas and CO oxidation air (air) further supplied from the outside with a catalyst filled therein. is doing. Thereby, the reformed gas is led to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 with the carbon monoxide concentration further reduced (10 ppm or less).

蒸発器25は、一端が貯水器50内に配置され他端が改質部22に接続された改質水供給管68の途中に配設されている。改質水供給管68には改質水ポンプ53が設けられている。このポンプ53は制御装置90によって制御されており、貯水器50内の改質水として使用する回収水を蒸発器25に圧送している。蒸発器25は例えばバーナ21から排出される燃焼ガス(または改質部22、COシフト部23などの排熱)によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。   The evaporator 25 is disposed in the middle of the reforming water supply pipe 68 having one end disposed in the water reservoir 50 and the other end connected to the reforming unit 22. A reforming water pump 53 is provided in the reforming water supply pipe 68. The pump 53 is controlled by a control device 90 and pumps recovered water used as reforming water in the water reservoir 50 to the evaporator 25. The evaporator 25 is heated by, for example, combustion gas discharged from the burner 21 (or exhaust heat from the reforming unit 22, the CO shift unit 23, etc.), and the reformed water thus pumped is steamed.

燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管64を介してCO選択酸化部24が接続されており、燃料極11に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極11の導出口にはオフガス供給管65を介してバーナ21が接続されており、燃料電池10から排出されるアノードオフガスをバーナ21に供給するようになっている。改質ガス供給管64とオフガス供給管65の間には燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管64およびオフガス供給管65を直結するバイパス管(図示省略)が設けられている。起動運転時には、改質器20から一酸化炭素濃度の高い改質ガスが、燃料電池10に供給されるのを回避するため、バイパス管を流通し、定常運転時には、CO選択酸化部24からの改質ガスが燃料電池10に直接供給されるようになっている。   A CO selective oxidation unit 24 is connected to the inlet of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 via a reformed gas supply pipe 64 so that the reformed gas is supplied to the fuel electrode 11. A burner 21 is connected to the outlet of the fuel electrode 11 via an off-gas supply pipe 65, and anode off-gas discharged from the fuel cell 10 is supplied to the burner 21. A bypass pipe (not shown) that bypasses the fuel cell 10 and directly connects the reformed gas supply pipe 64 and the offgas supply pipe 65 is provided between the reformed gas supply pipe 64 and the offgas supply pipe 65. In order to avoid the reformed gas having a high carbon monoxide concentration from the reformer 20 being supplied to the fuel cell 10 during the start-up operation, the bypass gas is circulated, and from the CO selective oxidation unit 24 during the steady operation. The reformed gas is supplied directly to the fuel cell 10.

また、燃料電池10の空気極12の導入口には、空気供給管61が接続されており、空気極12内に空気(カソードエア)が供給されるようになっている。燃料電池10の空気極12の導出口には、排気管62が接続されており、空気極12からの空気(カソードオフガス)が外部に排出されるようになっている。   An air supply pipe 61 is connected to the inlet of the air electrode 12 of the fuel cell 10 so that air (cathode air) is supplied into the air electrode 12. An exhaust pipe 62 is connected to the outlet of the air electrode 12 of the fuel cell 10 so that air (cathode off-gas) from the air electrode 12 is discharged to the outside.

また、これら空気供給管61および排気管62の途中には、空気極12から排出される酸化剤ガスオフガスであるカソードオフガスによって空気極12に供給されるカソードエアを加湿する第1加湿器14aが両管61,62を跨ぐように設けられている。第1加湿器14aは、空気極12から排出されるカソードオフガスとカソードエアとの間で水蒸気交換することによりカソードエアを加湿する水蒸気交換型であり、排気管62中すなわち空気極12から排出される気体中の水蒸気を空気供給管61中すなわち空気極12へ供給される空気中に供給して加湿するものである。すなわち、第1加湿器14aは、水蒸気のみを透過する膜14a1(例えば、中空糸膜、イオン交換膜などの水透過膜)を挟んで加湿元の気体(カソードオフガス)と加湿したい気体(カソードエア)を流通させ、加湿元の気体中の水蒸気が膜14a1を透過して加湿したい気体を加湿する膜透過型加湿器である。   Further, in the middle of the air supply pipe 61 and the exhaust pipe 62, there are first humidifiers 14a that humidify the cathode air supplied to the air electrode 12 by the cathode off gas that is the oxidant gas off gas discharged from the air electrode 12. It is provided so as to straddle the tubes 61 and 62. The first humidifier 14 a is a water vapor exchange type that humidifies the cathode air by exchanging water vapor between the cathode off-gas discharged from the air electrode 12 and the cathode air, and is discharged from the air electrode 12 in the exhaust pipe 62. The water vapor in the gas is supplied into the air supply pipe 61, that is, into the air supplied to the air electrode 12, and humidified. That is, the first humidifier 14a has a humidification source gas (cathode off-gas) and a gas (cathode air) to be humidified with a membrane 14a1 (for example, a water permeable membrane such as a hollow fiber membrane or an ion exchange membrane) permeable only to water vapor. ) And the water vapor in the source gas passes through the membrane 14a1 and humidifies the gas to be humidified.

さらに、空気供給管61には空気極12の入口と第1加湿器14aの間に、第2加湿器14b(後述する)が設けられている。さらに、空気供給管61には空気極12の入口と第2加湿器14bの間に、燃料電池10のカソードエア温度T1を検出する温度センサ61aが設けられており、その検出結果が制御装置90に送信されるようになっている。   Further, the air supply pipe 61 is provided with a second humidifier 14b (described later) between the inlet of the air electrode 12 and the first humidifier 14a. Further, the air supply pipe 61 is provided with a temperature sensor 61a for detecting the cathode air temperature T1 of the fuel cell 10 between the inlet of the air electrode 12 and the second humidifier 14b. To be sent to.

また、改質ガス供給管64、オフガス供給管65、排気管62および排気管63の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器31、アノードオフガス用凝縮器32、カソードオフガス用凝縮器33および燃焼ガス用凝縮器34が設けられている。これら各凝縮器31〜34は、図面上は分離しているが、一体的に接続された一体構造体である凝縮器30を構成している。改質ガス用凝縮器31は改質ガス供給管64中を流れる燃料電池10の燃料極11に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器32は、燃料電池10の燃料極11と改質器20のバーナ21とを連通するオフガス供給管65の途中に設けられており、そのオフガス供給管65中を流れる燃料電池10の燃料極11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器33は、第1加湿器14aを通った後のカソードオフガスである酸化剤オフガスの排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段である。このカソードオフガス用凝縮器33は、排気管62に設けられており、その排気管62中を流れる燃料電池10の空気極12から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮することにより、凝縮冷媒にカソードオフガスの排熱を回収する。燃焼ガス用凝縮器34は排気管63に設けられており、その排気管63中を流れる改質部22から排出される燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮する。   Further, in the middle of the reformed gas supply pipe 64, the off gas supply pipe 65, the exhaust pipe 62, and the exhaust pipe 63, the reformed gas condenser 31, the anode off gas condenser 32, the cathode off gas condenser 33, and the combustion, respectively. A gas condenser 34 is provided. Although these condensers 31 to 34 are separated in the drawing, they constitute a condenser 30 that is an integrally connected structure. The reformed gas condenser 31 condenses water vapor in the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 flowing in the reformed gas supply pipe 64. The anode offgas condenser 32 is provided in the middle of an offgas supply pipe 65 that communicates the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 and the burner 21 of the reformer 20, and the fuel cell 10 that flows in the offgas supply pipe 65. The water vapor in the anode off-gas discharged from the fuel electrode 11 is condensed. The cathode offgas condenser 33 is an oxidant offgas exhaust heat recovery means for recovering exhaust heat of the oxidant offgas that is the cathode offgas after passing through the first humidifier 14a. The cathode off-gas condenser 33 is provided in the exhaust pipe 62, and condenses the water vapor in the cathode off-gas discharged from the air electrode 12 of the fuel cell 10 flowing in the exhaust pipe 62 into a condensed refrigerant. The exhaust heat of the cathode off gas is recovered. The combustion gas condenser 34 is provided in the exhaust pipe 63, and condenses water vapor in the combustion exhaust gas discharged from the reforming unit 22 flowing in the exhaust pipe 63.

これら凝縮器31〜34は配管66を介して純水器40に連通しており、各凝縮器31〜34にて凝縮された凝縮水は、純水器40に導出され回収されるようになっている。純水器40は、凝縮器30から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を貯水器50に導出するものである。なお、貯水器50は純水器40から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器40には水道水供給源(例えば水道管)から供給される補給水(水道水)を導入する配管が接続されており、純水器40内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。   These condensers 31 to 34 communicate with the deionizer 40 via the pipe 66, and the condensed water condensed in each of the condensers 31 to 34 is led out to the deionizer 40 and collected. ing. The deionizer 40 converts the condensed water supplied from the condenser 30, that is, the recovered water into pure water using a built-in ion exchange resin, and leads the purified water to the water reservoir 50. The water reservoir 50 temporarily stores the recovered water derived from the pure water device 40 as reformed water. Further, a pipe for introducing makeup water (tap water) supplied from a tap water supply source (for example, a water pipe) is connected to the deionizer 40, and the amount of water stored in the deionizer 40 is below the lower limit water level. And tap water is supplied.

さらに、燃料電池システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽71と、凝縮冷媒循環回路75とは独立して設けられ貯湯水が循環する貯湯水循環回路72と、燃料電池10と熱交換する燃料電池熱媒体であるFC冷却水が循環する燃料電池熱媒体循環回路であるFC冷却水循環回路73と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第1熱交換器74と、燃料電池10から排出される排熱および/または改質器20にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体(凝縮冷媒)が循環する熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路75と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第2熱交換器76と、が備えられている。これにより、燃料電池10の発電にて発生した排熱(熱エネルギー)は、FC冷却水に回収され、第1熱交換器74を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱(昇温)する。また、燃料電池10から排出されるオフガス(アノードオフガスおよびカソードオフガス)の排熱(熱エネルギー)および改質器20にて発生した排熱(熱エネルギー)は、凝縮器30を介して凝縮冷媒に回収され、第2熱交換器76を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱(昇温)する。改質器20にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、バーナ21からの燃焼排ガスの排熱、および改質器20と熱交換する排熱(改質器自身の排熱)が含まれている。なお、本明細書中および添付の図面中の「FC」は「燃料電池」の省略形として記載している。   Further, the fuel cell system includes a hot water tank 71 for storing hot water, a hot water circulation circuit 72 that is provided independently of the condensing refrigerant circulation circuit 75, and a hot water circulation circuit 72 through which the hot water is circulated. FC cooling water circulation circuit 73 that is a fuel cell heat medium circulation circuit in which FC cooling water that is a medium circulates, first heat exchanger 74 that performs heat exchange between the hot water and the fuel cell heat medium, and a fuel cell A condensed refrigerant circulation circuit 75 which is a heat medium circulation circuit in which a heat medium (condensed refrigerant) that is a liquid containing water at least recovering exhaust heat exhausted from the exhaust gas and / or exhaust heat generated in the reformer 20 is circulated. And a second heat exchanger 76 that exchanges heat between the hot water and the condensed refrigerant. As a result, the exhaust heat (thermal energy) generated by the power generation of the fuel cell 10 is recovered in the FC cooling water, recovered in the hot water via the first heat exchanger 74, and as a result, the hot water is heated ( Temperature). Further, the exhaust heat (thermal energy) of the off gas (anode off gas and cathode off gas) discharged from the fuel cell 10 and the exhaust heat (thermal energy) generated in the reformer 20 are converted into condensed refrigerant via the condenser 30. It collect | recovers and is collect | recovered by the hot water storage via the 2nd heat exchanger 76, As a result, hot water storage is heated (temperature rising). The exhaust heat generated in the reformer 20 includes exhaust heat of the reformed gas, exhaust heat of the combustion exhaust gas from the burner 21, and exhaust heat exchanged with the reformer 20 (exhaust heat of the reformer itself). It is included. In the present specification and the accompanying drawings, “FC” is described as an abbreviation for “fuel cell”.

貯湯槽71は、1つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽71の柱状容器の下部には水道水などの水(低温の水)が補給され、貯湯槽71に貯留された高温の温水が貯湯槽71の柱状容器の上部から導出されるようになっている。また、貯湯槽71は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路72にかかる形式のものである。   The hot water storage tank 71 is provided with one columnar container, and the hot water is stored in a layered manner inside thereof, that is, the temperature of the upper part is the highest and the temperature is lowered as it goes to the lower part, and the temperature of the lower part is the lowest. It has become so. Water (low-temperature water) such as tap water is supplied to the lower part of the columnar container of the hot water tank 71, and hot hot water stored in the hot water tank 71 is led out from the upper part of the columnar container of the hot water tank 71. ing. The hot water storage tank 71 is of a sealed type, and the pressure of tap water is directly applied to the inside, and consequently to the hot water storage water circulation circuit 72.

貯湯水循環回路72の一端および他端は貯湯槽71の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路72上には、一端から他端に順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ72a、第2熱交換器76、および第1熱交換器74が配設されている。貯湯水循環ポンプ72aは、貯湯槽71の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路72を通水させて貯湯槽71の上部に吐出するものであり、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。これにより、貯湯水は、第2熱交換器76、第1熱交換器74をその順番に流通し、第2熱交換器76にて凝縮冷媒からの熱を回収し第1熱交換器74にてFC冷却水からの熱を回収する。   One end and the other end of the hot water circulating circuit 72 are connected to the lower part and the upper part of the hot water tank 71. On the hot water circulating circuit 72, a hot water circulating pump 72a, a second heat exchanger 76, and a first heat exchanger 74, which are hot water circulating means, are arranged in order from one end to the other end. The hot water circulating pump 72a sucks in hot water stored in the lower part of the hot water tank 71, causes the hot water circulating circuit 72 to flow through it, and discharges it to the upper part of the hot water tank 71. ) Is controlled. Thus, the hot water is circulated through the second heat exchanger 76 and the first heat exchanger 74 in that order, and the heat from the condensed refrigerant is recovered by the second heat exchanger 76 to the first heat exchanger 74. To recover heat from FC cooling water.

FC冷却水循環回路73上には、FC冷却水循環手段であるFC冷却水循環ポンプ73aが配設されており、このFC冷却水循環ポンプ73aは、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。また、FC冷却水循環回路73上には、温度センサ73b,73cが配設されており、温度センサ73b,73cは、それぞれ燃料電池10のFC冷却水入口温度T4およびFC冷却水出口温度T5を検出し、それら検出結果を制御装置90に出力するものである。さらに、FC冷却水循環回路73上には第1熱交換器74が配設されている。これにより、FC冷却水は、燃料電池10に流通され、燃料電池10で発生する熱を回収し昇温し、その熱が第1熱交換器74にて貯湯水に回収され降温して再び燃料電池10を流通する。   An FC cooling water circulation pump 73a, which is an FC cooling water circulation means, is disposed on the FC cooling water circulation circuit 73, and this FC cooling water circulation pump 73a is controlled by the control device 90 to control its flow rate (delivery amount). It has come to be. Further, temperature sensors 73b and 73c are disposed on the FC cooling water circulation circuit 73, and the temperature sensors 73b and 73c detect the FC cooling water inlet temperature T4 and the FC cooling water outlet temperature T5 of the fuel cell 10, respectively. These detection results are output to the control device 90. Further, a first heat exchanger 74 is disposed on the FC cooling water circulation circuit 73. Thereby, the FC cooling water is circulated to the fuel cell 10, recovers the heat generated in the fuel cell 10 and raises the temperature, and the heat is recovered in the hot water storage by the first heat exchanger 74, and the fuel is cooled again. The battery 10 is distributed.

凝縮冷媒循環回路75上には、凝縮冷媒循環手段である凝縮冷媒循環ポンプ75aが配設されている。この凝縮冷媒循環ポンプ75aは、矢印方向へ凝縮冷媒を流すようになっており、制御装置90によって制御されてその流量(送出量)が制御されるようになっている。また、凝縮冷媒循環回路75上には、第2熱交換器76が配設されている。さらに、凝縮冷媒循環回路75上には、第2熱交換器76から下流に順番にラジエータ77、凝縮冷媒循環ポンプ75a、アノードオフガス用凝縮器32、燃焼ガス用凝縮器34、カソードオフガス用凝縮器33、改質ガス用凝縮器31、温度センサ75b、流量調整器79、第2加湿器14b、および温度センサ75cが配設されている。   On the condensing refrigerant circulation circuit 75, a condensing refrigerant circulation pump 75a as a condensed refrigerant circulation means is disposed. The condensing refrigerant circulation pump 75a is configured to flow the condensing refrigerant in the direction of the arrow, and is controlled by the control device 90 to control the flow rate (delivery amount). A second heat exchanger 76 is disposed on the condensed refrigerant circulation circuit 75. Further, on the condensing refrigerant circulation circuit 75, a radiator 77, a condensing refrigerant circulation pump 75 a, an anode off-gas condenser 32, a combustion gas condenser 34, and a cathode off-gas condenser are sequentially arranged downstream from the second heat exchanger 76. 33, a reformed gas condenser 31, a temperature sensor 75b, a flow rate regulator 79, a second humidifier 14b, and a temperature sensor 75c are provided.

なお、各凝縮器31〜34の配置は上述した順番に限らないし、また、各凝縮器31〜34は一本の配管に直列に配置する場合に限らず、凝縮冷媒循環回路75を複数に分岐して各分岐路に並列に配置するようにしてもよい。また、凝縮冷媒循環回路75上には少なくともカソードオフガス用凝縮器33が配置されるようになっている。   In addition, arrangement | positioning of each condenser 31-34 is not restricted to the order mentioned above, Moreover, each condenser 31-34 is not restricted to the case where it arrange | positions in series with one piping, and branches the condensed refrigerant | coolant circulation circuit 75 into plurality. And you may make it arrange | position in parallel at each branch path. Further, at least the cathode offgas condenser 33 is arranged on the condensing refrigerant circulation circuit 75.

ラジエータ77は、凝縮冷媒を冷却する冷却手段であり、制御装置90の指令によってオン・オフ制御されており、オン状態のときには凝縮冷媒を冷却し、オフ状態のときには冷却しないものである。温度センサ75bは、改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T2を検出し、その検出結果を制御装置90に出力するものである。   The radiator 77 is a cooling means for cooling the condensed refrigerant, and is controlled to be turned on / off by a command from the control device 90. The radiator 77 cools the condensed refrigerant in the on state and does not cool it in the off state. The temperature sensor 75 b detects the condensed refrigerant outlet temperature T 2 of the reformed gas condenser 31 and outputs the detection result to the control device 90.

第2加湿器14bは、水蒸気のみを透過する膜14b1(例えば、中空糸膜、イオン交換膜などの水透過膜)を挟んで水を含む液体(例えば純水)と加湿したい気体を流通させ水を含む液体を加湿源として気体を加湿する膜透過型加湿器である。本実施の形態においては、加湿源は凝縮冷媒である純水であり、加湿したい気体はカソードエア(酸化剤ガス)である。このように、水を含む液体である熱媒体が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高くかつ一定に維持することができる。これにより、第2加湿器14bは、回収した熱を利用して熱媒体を水蒸気化することによりカソードエアを加湿する。なお、この第2加湿器14bは、カソードオフガス用凝縮器33および改質ガス用凝縮器31の下流、かつ第2熱交換器76の上流に配置されている。   The second humidifier 14b circulates a water-containing liquid (for example, pure water) and a gas to be humidified through a membrane 14b1 (for example, a water-permeable film such as a hollow fiber membrane or an ion exchange membrane) that transmits only water vapor. This is a membrane permeable humidifier that humidifies a gas using a liquid containing a gas as a humidification source. In the present embodiment, the humidification source is pure water which is a condensed refrigerant, and the gas to be humidified is cathode air (oxidant gas). Thus, since the heat medium which is a liquid containing water serves as a humidification source, the water vapor partial pressure can be kept extremely high and constant as compared with the case where the humidification source is off-gas as in the past. Thereby, the 2nd humidifier 14b humidifies cathode air by vaporizing a heat medium using the collect | recovered heat. The second humidifier 14 b is disposed downstream of the cathode offgas condenser 33 and the reformed gas condenser 31 and upstream of the second heat exchanger 76.

さらに、凝縮冷媒循環回路75には、第2加湿器14bをバイパスするバイパス路78が設けられるとともに、第2加湿器14bを流れる熱媒体の流量と第2加湿器14bをバイパスしてバイパス路78を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整器79(流量調整手段)が設けられている。バイパス路78の分岐点から合流点までの凝縮冷媒循環回路75上には、上流から順番に流量調整器79である電磁バルブ、第2加湿器14bおよび温度センサ75cが配設されている。流量調整器(電磁バルブ)79は、制御装置90の指令によって凝縮冷媒循環回路75を開閉するとともに熱媒体の流量を調整するものである。この流量調整器79は、エアバルブのようなガス系のバルブでなく、水系のバルブである。温度センサ75cは、第2加湿器14bの凝縮冷媒出口温度T3を検出し、その検出結果を制御装置90に出力するものである。   Further, the condensing refrigerant circulation circuit 75 is provided with a bypass path 78 that bypasses the second humidifier 14b, and also bypasses the flow path of the heat medium flowing through the second humidifier 14b and the second humidifier 14b. A flow rate regulator 79 (flow rate adjusting means) is provided for adjusting the flow rate of the heat medium flowing through the. On the condensing refrigerant circulation circuit 75 from the branch point of the bypass passage 78 to the junction, an electromagnetic valve, the second humidifier 14b, and the temperature sensor 75c, which are the flow rate regulator 79, are arranged in order from the upstream. The flow rate regulator (electromagnetic valve) 79 opens and closes the condensed refrigerant circulation circuit 75 and adjusts the flow rate of the heat medium according to a command from the control device 90. The flow rate regulator 79 is not a gas valve such as an air valve but a water valve. The temperature sensor 75c detects the condensed refrigerant outlet temperature T3 of the second humidifier 14b and outputs the detection result to the control device 90.

これにより、凝縮冷媒は、各凝縮器32,24,33,31を流通し各凝縮器32,24,33,31にて各凝縮器32,24,33,31を流通する各ガスと熱交換して各ガスの顕熱・潜熱を回収し昇温する。その後凝縮冷媒は、第2加湿器14bが配設された凝縮冷媒循環回路75とバイパス路78に分流する。なお、両流路の流量は流量調整器79により調整される。凝縮冷媒循環回路75を流れる凝縮冷媒は、第2加湿器14bを流通し第2加湿器14bにて水蒸気・熱交換によりカソードエアを加湿するとともに降温する。そして、その凝縮冷媒は、バイパス路78を流れる凝縮冷媒と合流した後、第2熱交換器76を流通し先に回収した熱が第2熱交換器76にて貯湯水に回収され降温して再び各凝縮器32,24,33,31を流通する。なお、貯湯槽71内が温度的に満水の状態である場合など、第2熱交換器76にて十分な熱回収が行われない場合には、ラジエータ77がオンされてラジエータ77により凝縮冷媒が降温される。   Thereby, the condensed refrigerant flows through each condenser 32, 24, 33, 31 and exchanges heat with each gas flowing through each condenser 32, 24, 33, 31 in each condenser 32, 24, 33, 31. Then, the sensible heat and latent heat of each gas are collected and the temperature is raised. Thereafter, the condensed refrigerant is divided into the condensed refrigerant circulation circuit 75 and the bypass path 78 in which the second humidifier 14b is disposed. Note that the flow rate of both flow paths is adjusted by a flow rate regulator 79. The condensed refrigerant flowing through the condensed refrigerant circulation circuit 75 flows through the second humidifier 14b, humidifies the cathode air by steam / heat exchange in the second humidifier 14b, and lowers the temperature. Then, after the condensed refrigerant merges with the condensed refrigerant flowing through the bypass passage 78, the heat recovered through the second heat exchanger 76 is recovered into the hot water storage by the second heat exchanger 76, and the temperature is lowered. The condensers 32, 24, 33 and 31 are circulated again. If sufficient heat recovery is not performed by the second heat exchanger 76, such as when the inside of the hot water tank 71 is full of temperature, the radiator 77 is turned on, and the condensed refrigerant is supplied by the radiator 77. The temperature is lowered.

燃料電池10から排出される排熱には、燃料電池10から排出されるオフガス(アノードおよびカソードオフガス)の排熱だけでなく、燃料電池10の発電で発生する排熱が含まれている。燃料電池10の発電で発生する排熱は、燃料電池10のFC冷却水を介する排熱である。また、改質器20にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、バーナ21からの燃焼排ガスの排熱、および改質器20と熱交換する排熱(改質器自身の排熱)が含まれている。   The exhaust heat discharged from the fuel cell 10 includes not only exhaust heat of off-gas (anode and cathode off-gas) discharged from the fuel cell 10 but also exhaust heat generated by power generation of the fuel cell 10. The exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell 10 is exhaust heat via the FC cooling water of the fuel cell 10. The exhaust heat generated in the reformer 20 includes exhaust heat of the reformed gas, exhaust heat of the combustion exhaust gas from the burner 21, and exhaust heat exchanged with the reformer 20 (exhaust heat of the reformer itself). Heat).

なお、凝縮冷媒循環回路75には凝縮冷媒として純水を流通(使用)している。凝縮冷媒循環回路75上には、補給器75dが配設されている。この補給器75dは貯水器50内の純水を給水管67を介して凝縮冷媒循環回路75に自動的に補給するものであり、例えば、自動車のエンジンのラジエータに設けられているラジエータキャップと同様な構造をしている。これにより、加湿によって凝縮冷媒循環回路75の純水が低減しても、自動的に純水を補給することができる。   The condensed refrigerant circulation circuit 75 circulates (uses) pure water as the condensed refrigerant. A replenisher 75 d is disposed on the condensed refrigerant circulation circuit 75. The replenisher 75d automatically replenishes the pure water in the water reservoir 50 to the condensed refrigerant circulation circuit 75 via the water supply pipe 67. For example, the replenisher 75d is similar to a radiator cap provided in a radiator of an automobile engine. It has a simple structure. Thereby, even if the pure water in the condensed refrigerant circulation circuit 75 is reduced by humidification, the pure water can be automatically replenished.

加湿器14は、上述した第1および第2加湿器14a,14bから構成されており、図2に示すように、カソードエアが流れる流路14c、カソードオフガスが流れる14dおよび凝縮冷媒が流れる流路14eを備えた一体構造体である。カソードエアが流れる流路14cは、膜14a1および14b1をそれぞれ介してカソードオフガスが流れる流路14dおよび凝縮冷媒が流れる流路14eに隣り合って配設されている。さらに、カソードオフガスが流れる流路14dおよび凝縮冷媒が流れる流路14eは、互いに膜14a1または14b1を介して隣り合って配設されることがない。   The humidifier 14 is composed of the first and second humidifiers 14a and 14b described above. As shown in FIG. 2, the flow path 14c through which cathode air flows, the flow 14d through which cathode off-gas flows, and the flow path through which condensed refrigerant flows. 14e is an integral structure. The flow path 14c through which the cathode air flows is disposed adjacent to the flow path 14d through which the cathode off gas flows and the flow path 14e through which the condensed refrigerant flows through the membranes 14a1 and 14b1, respectively. Furthermore, the channel 14d through which the cathode off-gas flows and the channel 14e through which the condensed refrigerant flows are not arranged adjacent to each other via the membrane 14a1 or 14b1.

また、上述した各温度センサ61a,73b,73c,75b,75c、各ポンプ53,72a,73a,75a、および流量調整器79は制御装置90に接続されている(図3参照)。制御装置90はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、図4のフローチャートに対応したプログラムを実行して、各温度センサ61a,73b,73c,75b,75cが検出した各温度に基づいて各ポンプ72a,73a,75a、および流量調整器79を制御して燃料電池10の温度・湿度を適切に制御している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。   Moreover, each temperature sensor 61a, 73b, 73c, 75b, 75c mentioned above, each pump 53, 72a, 73a, 75a, and the flow volume regulator 79 are connected to the control apparatus 90 (refer FIG. 3). The control device 90 has a microcomputer (not shown), and the microcomputer includes an input / output interface, a CPU, a RAM, and a ROM (all not shown) connected via a bus. The CPU executes a program corresponding to the flowchart shown in FIG. 4 and controls the pumps 72a, 73a, 75a and the flow rate regulator 79 based on the temperatures detected by the temperature sensors 61a, 73b, 73c, 75b, 75c. By controlling, the temperature and humidity of the fuel cell 10 are appropriately controlled. The RAM temporarily stores variables necessary for executing the program, and the ROM stores the program.

次に、上述した燃料電池システムの作動について図4に示したフローチャートを参照しながら説明する。制御装置90は、図示しないスタートスイッチがオンされると、所定の短時間毎に、上記フローチャートに対応したプログラムを繰り返し実行する。制御装置90は、図4のステップ100にてプログラムの実行を開始する毎に、改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T2(または改質ガス用凝縮器31の改質ガス出口温度)を温度センサ75bにより検出し(ステップ102)、検出した改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T2(または改質ガス用凝縮器31の改質ガス出口温度)が目標温度T2*(例えば50〜60℃)となるように凝縮冷媒循環ポンプ75aを流量制御している(ステップ104)。改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T2が高いほど第2熱交換器76における貯湯水の凝縮回収熱量の回収効率がよいので、目標温度T2*は高く設定するのが望ましい。一方、改質ガス用凝縮器31の凝縮冷媒出口温度T2が高くなると、改質ガス用凝縮器31にて凝縮冷媒と熱交換する改質ガスの温度すなわち改質ガスのFC入口温度が高くなり、燃料電池10の燃料極11にフラッディングが発生する。したがって、目標温度T2*はフラッディングが発生しない範囲内で、凝縮回収熱量の回収効率ができるだけよい温度に設定されている。   Next, the operation of the above-described fuel cell system will be described with reference to the flowchart shown in FIG. When a start switch (not shown) is turned on, the control device 90 repeatedly executes a program corresponding to the above flowchart every predetermined short time. Each time the control device 90 starts executing the program in step 100 of FIG. 4, the condensing refrigerant outlet temperature T2 of the reforming gas condenser 31 (or the reforming gas outlet temperature of the reforming gas condenser 31). Is detected by the temperature sensor 75b (step 102), and the detected condensing refrigerant outlet temperature T2 of the reformed gas condenser 31 (or the reformed gas outlet temperature of the reformed gas condenser 31) is the target temperature T2 * (for example, The flow rate of the condensing refrigerant circulation pump 75a is controlled to be 50 to 60 ° C. (step 104). The higher the condensing refrigerant outlet temperature T2 of the reformed gas condenser 31 is, the better the efficiency of collecting and recovering the amount of hot water stored in the second heat exchanger 76. Therefore, it is desirable to set the target temperature T2 * higher. On the other hand, when the condensed refrigerant outlet temperature T2 of the reformed gas condenser 31 increases, the temperature of the reformed gas that exchanges heat with the condensed refrigerant in the reformed gas condenser 31, that is, the FC inlet temperature of the reformed gas increases. Flooding occurs in the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. Accordingly, the target temperature T2 * is set to a temperature at which the recovery efficiency of the condensation recovery heat amount is as good as possible within a range in which no flooding occurs.

制御装置90は、燃料電池10(の空気極12)のカソードエア入口温度T1を温度センサ61aによって検出し(ステップ106)、検出した燃料電池10のカソードエア入口温度T1が目標温度T1*となるように流量調整器79を制御して第2加湿器14bを流通するカソードエアの流量を調整している(ステップ108)。目標温度T1*は、燃料電池10の出力電流、カソードエア流量、カソードオフガス出口温度(水蒸気量)を考慮して決定される加湿量に相当するものであり、カソードエアが最適加湿されるように設定されている。なお、カソードオフガス出口温度(水蒸気量)の代用としてFC温度(例えば燃料電池10のFC冷却水入口温度T4およびFC冷却水出口温度T5)を使用することができる。これにより、加湿に必要十分な熱量に相当する流量となるように凝縮冷媒を第2加湿器14bに供給することができるので、カソードエアを最適加湿することができる。   The control device 90 detects the cathode air inlet temperature T1 of the fuel cell 10 (the air electrode 12 thereof) with the temperature sensor 61a (step 106), and the detected cathode air inlet temperature T1 of the fuel cell 10 becomes the target temperature T1 *. Thus, the flow rate regulator 79 is controlled to adjust the flow rate of the cathode air flowing through the second humidifier 14b (step 108). The target temperature T1 * corresponds to a humidification amount determined in consideration of the output current of the fuel cell 10, the cathode air flow rate, and the cathode offgas outlet temperature (water vapor amount) so that the cathode air is optimally humidified. Is set. Note that the FC temperature (for example, the FC cooling water inlet temperature T4 and the FC cooling water outlet temperature T5 of the fuel cell 10) can be used as a substitute for the cathode offgas outlet temperature (water vapor amount). As a result, the condensed refrigerant can be supplied to the second humidifier 14b so as to have a flow rate corresponding to the heat quantity necessary and sufficient for humidification, so that the cathode air can be optimally humidified.

なお、燃料電池10のカソードエア入口温度T1を検出してその温度T1を目標温度T1*となるように流量調整器79を制御する代わりに、第2加湿器14bの凝縮冷媒出口温度T3(または第2加湿器14bの凝縮冷媒入口温度)を温度センサ75cによって検出し、検出した第2加湿器14bの凝縮冷媒出口温度T3(または第2加湿器14bの凝縮冷媒入口温度)が目標温度T3*となるように流量調整器79を制御するようにしてもよい。目標温度T3*も目標温度T1*と同様に設定されている。   Instead of detecting the cathode air inlet temperature T1 of the fuel cell 10 and controlling the flow rate regulator 79 so that the temperature T1 becomes the target temperature T1 *, the condensed refrigerant outlet temperature T3 (or the second humidifier 14b) (or The temperature of the second humidifier 14b (condensed refrigerant inlet temperature) is detected by the temperature sensor 75c, and the detected temperature of the second humidifier 14b condensed refrigerant outlet temperature T3 (or the second humidifier 14b condensed refrigerant inlet temperature) is the target temperature T3 *. The flow rate regulator 79 may be controlled so that The target temperature T3 * is set similarly to the target temperature T1 *.

制御装置90は、燃料電池10のFC冷却水入口温度T4およびFC冷却水出口温度T5をそれぞれ第4および第5温度センサ73a,73bによって検出し(ステップ110)、検出した燃料電池10のFC冷却水入口温度T4(または燃料電池10のFC冷却水出口温度T5)が目標温度T4*(またはT5*)となるように貯湯水循環ポンプ72aを流量制御している(ステップ112)。目標温度T4*およびT5*は、燃料電池10の最適運転温度である。   The control device 90 detects the FC cooling water inlet temperature T4 and the FC cooling water outlet temperature T5 of the fuel cell 10 by the fourth and fifth temperature sensors 73a and 73b, respectively (step 110), and the detected FC cooling of the fuel cell 10 is performed. The flow rate of the hot water circulating pump 72a is controlled so that the water inlet temperature T4 (or the FC cooling water outlet temperature T5 of the fuel cell 10) becomes the target temperature T4 * (or T5 *) (step 112). The target temperatures T4 * and T5 * are optimum operating temperatures of the fuel cell 10.

そして、制御装置90は、燃料電池10のFC冷却水入口温度T4およびFC冷却水出口温度T5の差ΔTを算出し(ステップ114)、その差ΔTが所定温度差ΔT*(例えば3〜5℃)となるようにFC冷却水循環ポンプP3を流量制御している(ステップ116)。所定温度差ΔT*は、燃料電池10の改質ガス流路または空気流路内の水蒸気を最適加湿条件に維持することができるように設定されている。その後、プログラムをステップ118に進めて一旦終了する。   Then, the control device 90 calculates a difference ΔT between the FC cooling water inlet temperature T4 and the FC cooling water outlet temperature T5 of the fuel cell 10 (step 114), and the difference ΔT is a predetermined temperature difference ΔT * (for example, 3 to 5 ° C.). ) To control the flow rate of the FC cooling water circulation pump P3 (step 116). The predetermined temperature difference ΔT * is set so that the water vapor in the reformed gas flow path or the air flow path of the fuel cell 10 can be maintained under optimum humidification conditions. Thereafter, the program proceeds to step 118 and is temporarily terminated.

上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、加湿器14は、第1加湿器14aにて酸化剤オフガス(カソードオフガス)により酸化剤ガス(カソードエア)を加湿するとともに、第2加湿器14bにて燃料電池10から排出される排熱および/または改質器20にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体(凝縮冷媒)により酸化剤ガスを加湿する。これにより、燃料電池10の発電による排熱を回収した燃料電池熱媒体(FC冷却水)から熱を奪うことなく、熱回収効率の低下を招くことなく、燃料電池10を適切な温度に制御でき、適切に発電することができるとともに、酸化剤ガスを最適加湿状態に加湿することができる。また、水を含む液体である熱媒体(凝縮冷媒)が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスのみである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高く維持することができるので、水蒸気化する部位の面積を小さくすることができ、装置を小型化することができる。また水蒸気分圧を高く一定に維持することができるので、加湿性能の精度向上、加湿能力の安定性、応答性向上を図ることができる。   As is apparent from the above description, in this embodiment, the humidifier 14 humidifies the oxidant gas (cathode air) with the oxidant off-gas (cathode off-gas) in the first humidifier 14a and the second humidifier 14a. Humidifier 14b humidifies the oxidant gas with a heat medium (condensed refrigerant) that is a liquid that contains at least the exhaust heat exhausted from fuel cell 10 and / or exhaust heat generated in reformer 20 that has been recovered. . As a result, the fuel cell 10 can be controlled to an appropriate temperature without depriving the heat from the fuel cell heat medium (FC cooling water) that has recovered the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell 10 and without causing a decrease in heat recovery efficiency. In addition to being able to generate electricity appropriately, the oxidant gas can be humidified to an optimum humidified state. In addition, since the heat medium (condensation refrigerant) that is a liquid containing water serves as a humidification source, the water vapor partial pressure can be maintained extremely high as compared with the conventional case where the humidification source is only off-gas. The area of the part to be converted can be reduced, and the apparatus can be reduced in size. Further, since the water vapor partial pressure can be kept high and constant, it is possible to improve the accuracy of the humidifying performance, improve the stability of the humidifying ability, and improve the responsiveness.

また、流量調整器79としては、エアバルブのようなガス系のバルブでなく、水系のバルブを使用することができるので、すなわち従来技術のごとく流量の多いガス系のバルブを使用する場合と比べて、流量が少なくてすむ小型で低コストである水系のバルブを使用することができるので、燃料電池システムの小型化、低コスト化を図ることができる。また、小型化という観点から、ガス系のバルブを小型化するという考えもあるが、そうすると圧損が大きくなり高発電効率が要求される燃料電池システムにおいては好ましくない。したがって、高発電効率の観点からも水系のバルブを使用するメリットがある。   Further, as the flow rate regulator 79, a water type valve can be used instead of a gas type valve such as an air valve, that is, as compared with a case where a gas type valve having a high flow rate is used as in the prior art. Since a small and low-cost water-based valve that requires a small flow rate can be used, the fuel cell system can be reduced in size and cost. In addition, from the viewpoint of miniaturization, there is an idea of downsizing the gas-based valve, but doing so is not preferable in a fuel cell system in which pressure loss increases and high power generation efficiency is required. Therefore, there is an advantage of using a water system valve from the viewpoint of high power generation efficiency.

また、燃料電池10から排出される排熱および/または改質器20にて発生する排熱が、燃料電池10から排出されるオフガス、改質器20で生成された燃料ガス、改質器20のバーナ21から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つのガス中の水蒸気を凝縮させたときに発生する凝縮熱であるので、従来の構成を有効利用することにより大型化することなく簡単な構成かつ確実に凝縮熱を利用して熱媒体(凝縮冷媒)を水蒸気化することができる。   Further, the exhaust heat exhausted from the fuel cell 10 and / or the exhaust heat generated in the reformer 20 is converted into off gas exhausted from the fuel cell 10, fuel gas generated by the reformer 20, reformer 20. Since the heat of condensation is generated when water vapor in at least one gas of the combustion exhaust gas discharged from the burner 21 is condensed, a simple configuration and reliability can be achieved without increasing the size by effectively utilizing the conventional configuration. In addition, the heat medium (condensed refrigerant) can be steamed using the heat of condensation.

また、熱媒体循環回路(凝縮冷媒循環回路)75上には、第1加湿器14aを通った後の酸化剤オフガス(カソードオフガス)の排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段(カソードオフガス用凝縮器33)が配設されているので、酸化剤オフガスの排熱のうち第1加湿器14aで回収されて利用されずに残ったものが、酸化剤オフガス排熱回収手段によって熱媒体(凝縮冷媒)に回収される。そして、その熱が、カソードオフガス用凝縮器33の下流に位置する第2加湿器14bおよび第2熱交換器76にて、それぞれ水蒸気熱交換に利用することができたり、貯湯水の昇温に利用することができたりする。したがって、酸化剤オフガスの排熱を無駄なく回収して無駄なく利用することができるので、その熱回収効率を向上し、システム全体の熱回収効率を高く維持することができる。   An oxidant off-gas exhaust heat recovery means (cathode off-gas) for recovering exhaust heat of the oxidant off-gas (cathode off-gas) after passing through the first humidifier 14a is placed on the heat medium circulation circuit (condensed refrigerant circulation circuit) 75. Since the condenser 33) is disposed, the exhaust heat of the oxidant off-gas that has been recovered by the first humidifier 14a and remains unused is used by the oxidant off-gas exhaust heat recovery means as a heat medium ( (Condensed refrigerant). The heat can be used for steam heat exchange in the second humidifier 14b and the second heat exchanger 76 located downstream of the cathode offgas condenser 33, respectively, or for increasing the temperature of the stored hot water. It can be used. Therefore, since the exhaust heat of the oxidant off-gas can be recovered without waste and used without waste, the heat recovery efficiency can be improved and the heat recovery efficiency of the entire system can be maintained high.

また、第2加湿器14bは酸化剤オフガス排熱回収手段(カソードオフガス用凝縮器33)の下流に配置されていることにより、酸化剤オフガス排熱回収手段にて熱媒体(凝縮冷媒)に回収した熱を第2加湿器14bにて酸化剤ガス(カソードエア)を加湿する際に利用することができるので、酸化剤オフガス排熱回収手段にて回収した熱を無駄なく利用することができる。   Further, the second humidifier 14b is disposed downstream of the oxidant off-gas exhaust heat recovery means (cathode off-gas condenser 33), so that the oxidant off-gas exhaust heat recovery means recovers the heat medium (condensed refrigerant). This heat can be used when the oxidant gas (cathode air) is humidified by the second humidifier 14b, so that the heat recovered by the oxidant off-gas exhaust heat recovery means can be used without waste.

また、酸化剤ガス(カソードエア)は、第1加湿器14a、第2加湿器14bの順番に流通した後に酸化剤極(空気極)12に供給されることにより、第1加湿器14aにより酸化剤ガスが最適加湿状態とならない場合でも、第2加湿器14bでさらに加湿されて最適加湿状態となるので、酸化剤極12に供給する酸化剤ガスを確実に最適加湿状態とすることができる。また、酸化剤極12に供給する酸化剤ガスを温度に対して水蒸気飽和状態とすることにより、加湿状態の把握がその温度により可能となり、制御性の向上、汎用温度センサを使用することによる信頼性の高い維持、コスト低減を達成することができる。   Further, the oxidant gas (cathode air) is supplied to the oxidant electrode (air electrode) 12 after passing through the first humidifier 14a and the second humidifier 14b in this order, and is oxidized by the first humidifier 14a. Even when the agent gas is not in the optimum humidified state, it is further humidified by the second humidifier 14b to be in the optimum humidified state, so that the oxidant gas supplied to the oxidant electrode 12 can be surely brought into the optimum humidified state. Further, by setting the oxidant gas supplied to the oxidant electrode 12 to a water vapor saturation state with respect to the temperature, the humidified state can be grasped by the temperature, the controllability is improved, and the reliability by using the general-purpose temperature sensor. Maintenance and cost reduction can be achieved.

また、加湿器14は、酸化剤ガス(カソードエア)、酸化剤オフガス(カソードオフガス)および熱媒体(凝縮冷媒)がそれぞれ流れる流路14c,14d,14eを備えた一体構造体であるので、コンパクト化を図ることが可能となる。   Further, the humidifier 14 is an integrated structure including flow paths 14c, 14d, and 14e through which an oxidant gas (cathode air), an oxidant offgas (cathode offgas), and a heat medium (condensed refrigerant) flow, respectively. Can be achieved.

また、酸化剤ガス(カソードエア)が流れる流路14cは、酸化剤オフガス(カソードオフガス)および熱媒体(凝縮冷媒)がそれぞれ流れる流路14d,14eに膜14a1,14b1を介して水蒸気交換可能に隣り合って配設され、かつ、酸化剤オフガスおよび熱媒体がそれぞれ流れる流路14d,14eは互いに水蒸気のみを透過する膜を介して水蒸気交換可能に隣り合って配設されることがないため、熱媒体が酸化剤オフガスを無駄に加湿せず、かつ、酸化剤ガスは熱媒体および酸化剤オフガスを加湿するので、加湿制御性を向上することができる。   Further, the flow path 14c through which the oxidant gas (cathode air) flows can exchange water vapor through the films 14a1 and 14b1 to the flow paths 14d and 14e through which the oxidant offgas (cathode offgas) and the heat medium (condensed refrigerant) flow, respectively. Since the flow paths 14d and 14e through which the oxidant off-gas and the heat medium respectively flow are not arranged adjacent to each other through a membrane that allows only water vapor to pass through, they are not arranged adjacent to each other. Since the heat medium does not unnecessarily humidify the oxidant off-gas and the oxidant gas humidifies the heat medium and the oxidant off-gas, the humidification controllability can be improved.

また、熱媒体循環回路(凝縮冷媒循環回路)75の熱媒体として、燃料電池10から排出されるオフガス、改質器20で生成された燃料ガス、改質器20のバーナ21から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つのガスから回収した凝縮水を利用することにより、凝縮水を加湿水として利用するので、加湿で使用した水量を各ガス中の水蒸気を凝縮した水量でまかなうことができるため、外部から大量に水を投入することなく加湿が可能となる。   Further, as a heat medium of the heat medium circulation circuit (condensed refrigerant circulation circuit) 75, off-gas discharged from the fuel cell 10, fuel gas generated by the reformer 20, and combustion discharged from the burner 21 of the reformer 20 By using the condensed water recovered from at least one gas of the exhaust gas, the condensed water is used as humidified water, so the amount of water used for humidification can be covered by the amount of water condensed from the water vapor in each gas. Therefore, humidification is possible without adding a large amount of water.

また、熱媒体循環回路(凝縮冷媒循環回路)75上に設けられ第2加湿器14bをバイパスするバイパス路78と、第2加湿器14bを流れる熱媒体(凝縮冷媒)の流量と第2加湿器14bをバイパスしてバイパス路78を流れる熱媒体(凝縮冷媒)の流量を調整する流量調整手段(流量調整器)79とをさらに備えているため、加湿に必要十分な熱量に相当する流量となるように熱媒体を第2加湿器14bに供給することができるので、酸化剤ガス(カソードエア)を最適加湿することができる。また、熱媒体(凝縮冷媒)を必要以上に第2加湿器14bに供給しないので、熱媒体の温度を必要以上に冷却することを抑制し熱媒体温度を高温に維持して燃料電池システムの熱回収効率を高く維持することができる。   Also, a bypass path 78 provided on the heat medium circulation circuit (condensation refrigerant circulation circuit) 75 to bypass the second humidifier 14b, the flow rate of the heat medium (condensation refrigerant) flowing through the second humidifier 14b, and the second humidifier Since it further includes a flow rate adjusting means (flow rate adjuster) 79 that adjusts the flow rate of the heat medium (condensed refrigerant) that bypasses 14b and flows through the bypass path 78, the flow rate corresponds to a heat amount necessary and sufficient for humidification. Thus, since the heat medium can be supplied to the second humidifier 14b, the oxidant gas (cathode air) can be optimally humidified. In addition, since the heat medium (condensed refrigerant) is not supplied to the second humidifier 14b more than necessary, the temperature of the heat medium is prevented from being cooled more than necessary, and the heat medium temperature is maintained at a high temperature. The recovery efficiency can be kept high.

また、上述した第1実施形態においては、凝縮冷媒循環ポンプ75aの送出量を制御して、熱媒体の温度T2を目標温度T2*に調整することにより、凝縮器30の熱回収効率を向上することができるとともに、流量調整器79を制御し第2加湿器14bへの凝縮冷媒の流量を制御して、第2加湿器14bのカソードエア出口温度T1を目標温度T1*に調整することにより、カソードエアの加湿を最適に制御することができる。   In the first embodiment described above, the heat recovery efficiency of the condenser 30 is improved by controlling the delivery amount of the condensing refrigerant circulation pump 75a and adjusting the temperature T2 of the heat medium to the target temperature T2 *. And by controlling the flow rate regulator 79 to control the flow rate of the condensed refrigerant to the second humidifier 14b and adjusting the cathode air outlet temperature T1 of the second humidifier 14b to the target temperature T1 *, The humidification of the cathode air can be optimally controlled.

なお、上述した第1実施形態においては、凝縮冷媒として凝縮器30にて回収された凝縮水を使用したが、これに限らず、燃料電池システムで使用される純水を使用するようにしてもよい。   In the first embodiment described above, the condensed water collected by the condenser 30 is used as the condensing refrigerant. However, the present invention is not limited to this, and pure water used in the fuel cell system may be used. Good.

また、上述した第1実施形態においては、凝縮冷媒として純水器40により精製した純水を用いるようにしたが、これに限らず、凝縮器30にて回収された凝縮水を直接使用するようにしてもよい。   In the first embodiment described above, pure water purified by the deionizer 40 is used as the condensing refrigerant. However, the present invention is not limited to this, and the condensed water collected by the condenser 30 is directly used. It may be.

また、上述した第1実施形態においては、バイパス路78および流量調整器79を設けないようにしてもよい。この場合、凝縮冷媒循環回路75上に設けられ熱媒体を循環する循環手段である凝縮冷媒循環ポンプ75aの送出量を制御して、カソードエア出口温度T1を目標温度T1*に調整することにより酸化剤ガス(カソードエア)を所望の湿度とする。すなわち、第2加湿器14bのカソードエア出口温度T1を第1温度センサ61aによって検出し、検出した第2加湿器14bのカソードエア出口温度T1が目標温度T1*となるように凝縮冷媒循環ポンプ75aを流量制御する。なお、燃料電池10のカソードエア入口温度T1を検出してその温度T1を目標温度T1*となるように凝縮冷媒循環ポンプ75aを流量制御する代わりに、第2加湿器14bの凝縮冷媒出口温度T3(または第2加湿器14bの凝縮冷媒入口温度)を温度センサ75cによって検出し、検出した第2加湿器14bの凝縮冷媒出口温度T3(または第2加湿器14bの凝縮冷媒入口温度)が目標温度T3*となるように凝縮冷媒循環ポンプ75aを流量制御するようにしてもよい。   Further, in the first embodiment described above, the bypass path 78 and the flow rate regulator 79 may not be provided. In this case, oxidation is performed by adjusting the cathode air outlet temperature T1 to the target temperature T1 * by controlling the delivery amount of the condensing refrigerant circulation pump 75a which is provided on the condensing refrigerant circulation circuit 75 and circulates the heat medium. The agent gas (cathode air) is set to a desired humidity. That is, the cathode air outlet temperature T1 of the second humidifier 14b is detected by the first temperature sensor 61a, and the condensed refrigerant circulation pump 75a is set so that the detected cathode air outlet temperature T1 of the second humidifier 14b becomes the target temperature T1 *. The flow rate is controlled. Instead of detecting the cathode air inlet temperature T1 of the fuel cell 10 and controlling the flow rate of the condensing refrigerant circulation pump 75a so that the temperature T1 becomes the target temperature T1 *, the condensing refrigerant outlet temperature T3 of the second humidifier 14b is used. (Or the condensed refrigerant inlet temperature of the second humidifier 14b) is detected by the temperature sensor 75c, and the detected condensed refrigerant outlet temperature T3 of the second humidifier 14b (or the condensed refrigerant inlet temperature of the second humidifier 14b) is the target temperature. The flow rate of the condensed refrigerant circulation pump 75a may be controlled so as to be T3 *.

これによっても、燃料電池10の発電による排熱を回収した燃料電池熱媒体(FC冷却水)から熱を奪うことなく、熱回収効率の低下を招くことなく、燃料電池10を適切な温度に制御でき、適切に発電することができるとともに、酸化剤ガスを最適加湿状態に加湿することができる。したがって、確実かつ的確に湿度を調整でき、さらに雰囲気温度の変動など外乱の影響を低減し、かつ、フラッディングを確実に防止することができる。また、液体である熱媒体(凝縮冷媒)が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスのみである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高く維持することができるので、水蒸気化する部位の面積を小さくすることができ、装置を小型化することができる。また水蒸気分圧を高く一定に維持することができるので、加湿性能の精度向上、加湿能力の安定性、応答性向上を図ることができる。また、酸化剤オフガスの排熱を無駄なく回収して無駄なく利用することができるので、その熱回収効率を向上し、システム全体の熱回収効率を高く維持することができる。   This also controls the fuel cell 10 to an appropriate temperature without depriving the heat from the fuel cell heat medium (FC cooling water) that has recovered the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell 10 and without causing a decrease in heat recovery efficiency. It is possible to generate electric power appropriately, and it is possible to humidify the oxidant gas to an optimum humidified state. Therefore, the humidity can be adjusted accurately and accurately, the influence of disturbances such as fluctuations in the atmospheric temperature can be reduced, and flooding can be reliably prevented. In addition, since the liquid heat medium (condensation refrigerant) serves as a humidification source, the water vapor partial pressure can be maintained extremely high compared to the case where the humidification source is only off-gas as in the prior art. Can be reduced, and the apparatus can be miniaturized. Further, since the water vapor partial pressure can be kept high and constant, it is possible to improve the accuracy of the humidifying performance, improve the stability of the humidifying ability, and improve the responsiveness. In addition, since the exhaust heat of the oxidant off-gas can be recovered without waste and used without waste, the heat recovery efficiency can be improved and the heat recovery efficiency of the entire system can be maintained high.

また、上述した第1実施形態において、流量調整器79は電磁バルブでなく、流量比制御可能な三方弁で構成されるようにしてもよい。この場合、流量調整器79は、バイパス路78の分岐点に設けられる。   Further, in the first embodiment described above, the flow rate regulator 79 may be configured with a three-way valve capable of controlling the flow rate ratio instead of an electromagnetic valve. In this case, the flow rate regulator 79 is provided at the branch point of the bypass path 78.

2)第2実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第2実施形態について図5を参照して説明する。図5は第2実施形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図である。上述した第1実施形態においては、貯湯水循環回路72と凝縮冷媒循環回路75とを独立して設けたが、図5に示すように本第2実施形態においては、これら循環回路72,75を一つの熱媒体循環回路(貯湯水循環回路72)としている。この場合、第2熱交換器76、凝縮冷媒循環ポンプ75aは削除され、貯湯水循環回路72上には、貯湯槽71の出口から下流に順番に、貯湯水循環ポンプ72a、ラジエータ77、補給器75d、各凝縮器32,34,33,31、第1熱交換器74、温度センサ75b、第2加湿器14b、および温度センサ75cが配設されている。また、この場合、貯湯水循環回路72に第2加湿器14bをバイパスするバイパス路78を設けるとともに、第2加湿器14bを流れる熱媒体の流量と第2加湿器14bをバイパスしてバイパス路78を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整器79を設けている。流量調整器79としては、バイパス路78の分岐点に流量比制御可能な三方弁79を設けるようにしている。なお、第1実施形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。また、温度センサ75cは、第2加湿器14bを通った後の貯湯水温度T3を検出するようになっている。
2) Second Embodiment Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of the fuel cell system according to the second embodiment. In the first embodiment described above, the hot water circulation circuit 72 and the condensed refrigerant circulation circuit 75 are provided independently. However, in the second embodiment, as shown in FIG. One heat medium circulation circuit (hot water circulation circuit 72) is provided. In this case, the second heat exchanger 76 and the condensing refrigerant circulation pump 75a are deleted, and on the hot water circulation circuit 72, the hot water circulation pump 72a, the radiator 77, the replenisher 75d, Each condenser 32, 34, 33, 31, a first heat exchanger 74, a temperature sensor 75b, a second humidifier 14b, and a temperature sensor 75c are disposed. Further, in this case, the hot water storage circuit 72 is provided with a bypass path 78 that bypasses the second humidifier 14b, and the bypass medium 78 is bypassed by bypassing the flow rate of the heat medium flowing through the second humidifier 14b and the second humidifier 14b. A flow rate regulator 79 for adjusting the flow rate of the flowing heat medium is provided. As the flow rate regulator 79, a three-way valve 79 capable of controlling the flow rate ratio is provided at the branch point of the bypass path 78. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the structural member same as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted. The temperature sensor 75c detects the stored hot water temperature T3 after passing through the second humidifier 14b.

この場合、制御装置90は、温度センサ73b(または温度センサ73c)によって検出した燃料電池10のFC冷却水入口温度T4(または燃料電池10のFC冷却水出口温度T5)が目標温度T4*(またはT5*)となるように貯湯水循環ポンプ72aを流量制御する。また、制御装置90は、燃料電池10のFC冷却水入口温度T4およびFC冷却水出口温度T5の差ΔTを算出し、その差ΔTが所定温度差ΔT*(例えば3〜5℃)となるようにFC冷却水循環ポンプ73aを流量制御する。   In this case, the control device 90 determines that the FC cooling water inlet temperature T4 of the fuel cell 10 (or the FC cooling water outlet temperature T5 of the fuel cell 10) detected by the temperature sensor 73b (or the temperature sensor 73c) is the target temperature T4 * (or The flow rate of the hot water circulating pump 72a is controlled so that T5 *). Further, the control device 90 calculates a difference ΔT between the FC cooling water inlet temperature T4 and the FC cooling water outlet temperature T5 of the fuel cell 10 so that the difference ΔT becomes a predetermined temperature difference ΔT * (for example, 3 to 5 ° C.). The flow rate of the FC cooling water circulation pump 73a is controlled.

さらに、制御装置90は、第2加湿器14bのカソードエア出口温度T1が目標温度T1*となるように流量調整器79を制御して第2加湿器14bへの貯湯水の流量を制御している。これにより、加湿に必要十分な熱量に相当する流量となるように貯湯水を第2加湿器14bに供給することができるので、カソードエアを最適加湿することができる。なお、第2加湿器14bのカソードエア出口温度T1と相関関係があると考えられるその他の温度例えば熱媒体(貯湯水)の温度T3を目標温度T3*となるように流量調整器79を制御して第2加湿器14bへの貯湯水の流量を制御するようにしてもよい。   Further, the control device 90 controls the flow rate regulator 79 so that the cathode air outlet temperature T1 of the second humidifier 14b becomes the target temperature T1 * to control the flow rate of the hot water stored in the second humidifier 14b. Yes. As a result, the hot water can be supplied to the second humidifier 14b so as to have a flow rate corresponding to the amount of heat necessary and sufficient for humidification, so that the cathode air can be optimally humidified. It should be noted that the flow rate regulator 79 is controlled so that the other temperature considered to be correlated with the cathode air outlet temperature T1 of the second humidifier 14b, for example, the temperature T3 of the heat medium (hot water storage water) becomes the target temperature T3 *. Thus, the flow rate of the hot water stored in the second humidifier 14b may be controlled.

これによれば、加湿器14は、第1加湿器14aにて酸化剤オフガス(カソードオフガス)により酸化剤ガス(カソードエア)を加湿するとともに、第2加湿器14bにて燃料電池10から排出される排熱および/または改質器20にて発生する排熱を少なくとも回収した液体である熱媒体(貯湯水)により酸化剤ガスを加湿する。これにより、燃料電池10の発電による排熱を回収した燃料電池熱媒体(FC冷却水)から熱を奪うことなく、熱回収効率の低下を招くことなく、燃料電池10を適切な温度に制御でき、適切に発電することができるとともに、酸化剤ガスを最適加湿状態に加湿することができる。また、液体である熱媒体(貯湯水)が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスのみである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高く維持することができるので、水蒸気化する部位の面積を小さくすることができ、装置を小型化することができる。また水蒸気分圧を高く一定に維持することができるので、加湿性能の精度向上、加湿能力の安定性、応答性向上を図ることができる。   According to this, the humidifier 14 humidifies the oxidant gas (cathode air) with the oxidant offgas (cathode offgas) in the first humidifier 14a, and is discharged from the fuel cell 10 in the second humidifier 14b. The oxidant gas is humidified by a heat medium (hot water) that is a liquid that collects at least the exhaust heat generated and / or the exhaust heat generated in the reformer 20. As a result, the fuel cell 10 can be controlled to an appropriate temperature without depriving the heat from the fuel cell heat medium (FC cooling water) that has recovered the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell 10 and without causing a decrease in heat recovery efficiency. In addition to being able to generate electricity appropriately, the oxidant gas can be humidified to an optimum humidified state. In addition, since the liquid heat medium (hot water) serves as a humidification source, the water vapor partial pressure can be maintained at a very high level compared to the conventional case where the humidification source is only off-gas. Can be reduced, and the apparatus can be miniaturized. Further, since the water vapor partial pressure can be kept high and constant, it is possible to improve the accuracy of the humidifying performance, improve the stability of the humidifying ability, and improve the responsiveness.

また、熱媒体循環回路(貯湯水冷媒循環回路)72上には、第1加湿器14aを通った後の酸化剤オフガス(カソードオフガス)の排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段(カソードオフガス用凝縮器33)が配設されているので、酸化剤オフガスの排熱のうち第1加湿器14aで回収されて利用されずに残ったものが、酸化剤オフガス排熱回収手段によって熱媒体(貯湯水)に回収される。そして、その熱が、カソードオフガス用凝縮器33の下流に位置する第2加湿器14bにて水蒸気熱交換に利用することができる。したがって、酸化剤オフガスの排熱を無駄なく回収して無駄なく利用することができるので、その熱回収効率を向上し、システム全体の熱回収効率を高く維持することができる。   Further, an oxidant off-gas exhaust heat recovery means (cathode) that recovers exhaust heat of the oxidant off-gas (cathode off-gas) after passing through the first humidifier 14a is disposed on the heat medium circulation circuit (hot water coolant circulation circuit) 72. Since the off-gas condenser 33) is provided, the exhaust heat of the oxidant off-gas, which is recovered by the first humidifier 14a and remains unused, is heated by the oxidant off-gas exhaust heat recovery means. It is collected in (hot water). The heat can be used for steam heat exchange in the second humidifier 14b located downstream of the cathode offgas condenser 33. Therefore, since the exhaust heat of the oxidant off-gas can be recovered without waste and used without waste, the heat recovery efficiency can be improved and the heat recovery efficiency of the entire system can be maintained high.

また、熱媒体循環回路である貯湯水循環回路72上に、燃料電池10と熱交換する燃料電池冷却水と熱媒体(貯湯水)との間で熱交換が行われる第1熱交換器74を設けたため、燃料電池10から排出される排熱および/または改質器20にて発生する排熱を少なくとも回収した熱媒体は、燃料電池10の発電による排熱をさらに回収するので、より高温の熱媒体となり、この高温の熱媒体を第2加湿器14bで利用できる。このため、加湿制御範囲をより拡張し、制御性をより向上することができる。なお、第1熱交換器74の配置場所は、第2加湿器14bの下流でもよい。   In addition, a first heat exchanger 74 is provided on the hot water circulating circuit 72, which is a heat medium circulating circuit, in which heat is exchanged between the fuel cell cooling water that exchanges heat with the fuel cell 10 and the heat medium (hot water). Therefore, the heat medium that recovers at least the exhaust heat discharged from the fuel cell 10 and / or the exhaust heat generated in the reformer 20 further recovers the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell 10, so that the higher temperature heat This medium becomes a medium, and this high-temperature heat medium can be used in the second humidifier 14b. For this reason, a humidification control range can be expanded more and controllability can be improved more. Note that the location of the first heat exchanger 74 may be downstream of the second humidifier 14b.

また、上述した各実施形態においては、本発明を、改質器20を備えた燃料電池システムに適用するようにしたが、改質器20を備えないで燃料電池10に燃料ガスを供給する燃料電池システムに適用することは可能である。この燃料電池システムとしては、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵する水素貯蔵器を備え、この水素貯蔵器から水素ガスを燃料電池10に供給するシステム、燃料としてのメタノールを貯蔵するメタノール貯蔵器を備え、このメタノール貯蔵器からメタノールを燃料電池10に供給するシステムなどがある。   Further, in each of the above-described embodiments, the present invention is applied to the fuel cell system including the reformer 20, but the fuel that supplies the fuel gas to the fuel cell 10 without the reformer 20 is provided. It is possible to apply to a battery system. The fuel cell system includes a hydrogen storage unit that stores hydrogen gas as a fuel gas, a system that supplies hydrogen gas from the hydrogen storage unit to the fuel cell 10, and a methanol storage unit that stores methanol as a fuel. And a system for supplying methanol to the fuel cell 10 from the methanol reservoir.

この場合、加湿器14は、第1加湿器14aにて酸化剤オフガス(カソードオフガス)により酸化剤ガス(カソードエア)を加湿するとともに、第2加湿器14bにて燃料電池10から排出される排熱を少なくとも回収した液体である熱媒体(凝縮冷媒)により酸化剤ガスを加湿する。これにより、燃料電池10の発電による排熱を回収した燃料電池熱媒体(FC冷却水)から熱を奪うことなく、熱回収効率の低下を招くことなく、燃料電池10を適切な温度に制御でき、適切に発電することができるとともに、酸化剤ガスを最適加湿状態に加湿することができる。また、液体である熱媒体(凝縮冷媒)が加湿源となるので、従来のごとく加湿源がオフガスのみである場合と比べると、水蒸気分圧を極めて高く維持することができるので、水蒸気化する部位の面積を小さくすることができ、装置を小型化することができる。また水蒸気分圧を高く一定に維持することができるので、加湿性能の精度向上、加湿能力の安定性、応答性向上を図ることができる。   In this case, the humidifier 14 humidifies the oxidant gas (cathode air) with the oxidant off-gas (cathode off-gas) in the first humidifier 14a, and the exhaust gas discharged from the fuel cell 10 in the second humidifier 14b. The oxidant gas is humidified by a heat medium (condensed refrigerant) that is at least a liquid from which heat has been recovered. As a result, the fuel cell 10 can be controlled to an appropriate temperature without depriving the heat from the fuel cell heat medium (FC cooling water) that has recovered the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell 10 and without causing a decrease in heat recovery efficiency. In addition to being able to generate electricity appropriately, the oxidant gas can be humidified to an optimum humidified state. In addition, since the liquid heat medium (condensation refrigerant) serves as a humidification source, the water vapor partial pressure can be maintained extremely high compared to the case where the humidification source is only off-gas as in the prior art. Can be reduced, and the apparatus can be miniaturized. Further, since the water vapor partial pressure can be kept high and constant, it is possible to improve the accuracy of the humidifying performance, improve the stability of the humidifying ability, and improve the responsiveness.

また、熱媒体循環回路(凝縮冷媒循環回路)75の熱媒体として、少なくとも燃料電池10から排出されるオフガスから回収した凝縮水を利用する。これにより、凝縮水を加湿水として利用するので、加湿で使用した水量をそのオフガス中の水蒸気を凝縮した水量でまかなうことができるため、外部から大量に水を投入することなく加湿が可能となる。   Further, at least condensed water recovered from off-gas discharged from the fuel cell 10 is used as a heat medium of the heat medium circulation circuit (condensed refrigerant circulation circuit) 75. As a result, since condensed water is used as humidified water, the amount of water used in humidification can be covered by the amount of water condensed from the water vapor in the offgas, so humidification is possible without adding a large amount of water from the outside. .

本発明による燃料電池システムの第1実施形態の概要を示す概要図である。1 is a schematic diagram showing an outline of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 図1に示す燃料電池システムで使用する加湿器を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the humidifier used with the fuel cell system shown in FIG. 図1に示す燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system shown in FIG. 図3に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。4 is a flowchart of a control program executed by the control device shown in FIG. 3. 本発明による燃料電池システムの第2実施形態の概要を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of 2nd Embodiment of the fuel cell system by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、13…電解質、14…加湿器、14a…第1加湿器、14b…第2加湿器、20…改質器、21…バーナ、22…改質部、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…蒸発器、30…凝縮器、31…改質ガス用凝縮器、32…アノードオフガス用凝縮器、33…カソードオフガス用凝縮器、34…燃焼ガス用凝縮器、40…純水器、50…貯水器、53…改質水ポンプ、61…空気供給管、62,63…排気管、64…改質ガス供給管、65…オフガス供給管、66…配管、67…給水管、68…改質水供給管、71…貯湯槽、72…貯湯水循環回路、73…FC冷却水循環回路、74…第1熱交換器、75…凝縮冷媒循環回路、75c…補給器、76…第2熱交換器、77…ラジエータ、78…バイパス路、79…流量調整器(電磁バルブ、三方弁)、72a,73a,75a…ポンプ、61a、75b,75c,73b,73c…温度センサ、90…制御装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 11 ... Fuel electrode, 12 ... Air electrode, 13 ... Electrolyte, 14 ... Humidifier, 14a ... 1st humidifier, 14b ... 2nd humidifier, 20 ... Reformer, 21 ... Burner, 22 ... Reforming unit, 23 ... carbon monoxide shift reaction unit (CO shift unit), 24 ... carbon monoxide selective oxidation reaction unit (CO selective oxidation unit), 25 ... evaporator, 30 ... condenser, 31 ... for reformed gas Condenser, 32 ... Condenser for anode off gas, 33 ... Condenser for cathode off gas, 34 ... Condenser for combustion gas, 40 ... Pure water device, 50 ... Reservoir, 53 ... Reformed water pump, 61 ... Air supply pipe 62, 63 ... exhaust pipe, 64 ... reformed gas supply pipe, 65 ... off-gas supply pipe, 66 ... piping, 67 ... water supply pipe, 68 ... reformed water supply pipe, 71 ... hot water tank, 72 ... hot water circulation circuit, 73 ... FC cooling water circulation circuit, 74 ... first heat exchanger, 75 ... condensed refrigerant circulation Path, 75c ... replenisher, 76 ... second heat exchanger, 77 ... radiator, 78 ... bypass path, 79 ... flow regulator (electromagnetic valve, three-way valve), 72a, 73a, 75a ... pump, 61a, 75b, 75c 73b, 73c ... temperature sensors, 90 ... control devices.

Claims (11)

燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料および酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガスを加湿して前記酸化剤極に供給する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記加湿器は、前記酸化剤極から排出される酸化剤オフガスと前記酸化剤ガスとの間で水蒸気交換することにより前記酸化剤ガスを加湿する第1加湿器と、
前記燃料電池から排出される排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体が循環する熱媒体循環回路上に設けられ、回収した熱を利用して前記熱媒体を水蒸気化することにより前記酸化剤ガスを加湿する第2加湿器とから構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by using fuel and oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode;
A humidifier for humidifying the oxidant gas and supplying the oxidant gas to the oxidant electrode;
The humidifier is a first humidifier that humidifies the oxidant gas by exchanging water vapor between the oxidant off-gas discharged from the oxidant electrode and the oxidant gas.
Provided on a heat medium circuit in which a heat medium, which is a liquid containing water at least recovering exhaust heat discharged from the fuel cell, circulates, and steaming the heat medium using the recovered heat A fuel cell system comprising a second humidifier for humidifying an oxidant gas.
請求項1において、前記熱媒体循環回路上には、前記第1加湿器を通った後の前記酸化剤オフガスの排熱を回収する酸化剤オフガス排熱回収手段が配設されていることを特徴とする燃料電池システム。   2. The oxidant off-gas exhaust heat recovery means for recovering exhaust heat of the oxidant off-gas after passing through the first humidifier is disposed on the heat medium circulation circuit. A fuel cell system. 請求項2において、前記第2加湿器は、前記酸化剤オフガス排熱回収手段の下流に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the second humidifier is arranged downstream of the oxidant off-gas exhaust heat recovery means. 請求項1乃至請求項3の何れか一項において、前記酸化剤ガスは、前記第1加湿器、第2加湿器の順番に流通した後に前記酸化剤極に供給されることを特徴とする燃料電池システム。   The fuel according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxidant gas is supplied to the oxidant electrode after flowing in the order of the first humidifier and the second humidifier. Battery system. 請求項1乃至請求項4の何れか一項において、前記加湿器は、前記酸化剤ガス、前記酸化剤オフガスおよび前記熱媒体がそれぞれ流れる流路を備えた一体構造体であることを特徴とする燃料電池システム。   5. The humidifier according to claim 1, wherein the humidifier is an integral structure including flow paths through which the oxidant gas, the oxidant off-gas, and the heat medium flow. Fuel cell system. 請求項5において、前記酸化剤ガスが流れる流路は、前記酸化剤オフガスおよび前記熱媒体がそれぞれ流れる流路に水蒸気交換可能に隣り合って配設され、かつ、前記酸化剤オフガスおよび前記熱媒体がそれぞれ流れる流路は互いに水蒸気交換可能に隣り合って配設されることがないことを特徴とする燃料電池システム。   6. The flow path through which the oxidant gas flows is disposed adjacent to the flow path through which the oxidant off gas and the heat medium respectively flow so that water vapor can be exchanged, and the oxidant off gas and the heat medium. The fuel cell system is characterized in that the flow paths through which the gas flows are not arranged adjacent to each other so as to exchange water vapor. 請求項1乃至請求項6の何れか一項において、
前記熱媒体循環回路上に設けられ前記熱媒体を循環する循環手段をさらに備え、
前記循環手段の送出量を制御して、前記燃料電池の酸化剤極に流入する前記酸化剤ガスの温度を目標温度に調整するか、前記第2加湿器の流通後の前記熱媒体の温度を目標温度に調整することを特徴とする燃料電池システム。
In any one of Claims 1 thru | or 6,
A circulation means provided on the heat medium circulation circuit for circulating the heat medium;
The amount of the circulating means is controlled to adjust the temperature of the oxidant gas flowing into the oxidant electrode of the fuel cell to a target temperature, or the temperature of the heat medium after circulation through the second humidifier is adjusted. A fuel cell system that adjusts to a target temperature.
請求項1乃至請求項7の何れか一項において、前記熱媒体循環回路の熱媒体として、少なくとも前記燃料電池から排出されるオフガスから回収した凝縮水を利用することを特徴とする燃料電池システム。   8. The fuel cell system according to claim 1, wherein condensed water recovered from at least off gas discharged from the fuel cell is used as a heat medium of the heat medium circulation circuit. 9. 請求項1乃至請求項8の何れか一項において、
前記熱媒体循環回路上に設けられ前記第2加湿器をバイパスするバイパス路と、
前記第2加湿器を流れる前記熱媒体の流量と前記第2加湿器をバイパスして前記バイパス路を流れる前記熱媒体の流量を調整する流量調整手段とをさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
In any one of Claims 1 thru | or 8,
A bypass path provided on the heat medium circulation circuit and bypassing the second humidifier;
The fuel cell further comprising: a flow rate adjusting unit configured to adjust a flow rate of the heat medium flowing through the second humidifier and a flow rate of the heat medium flowing through the bypass path while bypassing the second humidifier. system.
請求項1乃至請求項9の何れか一項において、
前記燃料電池へ供給する前記燃料を生成する改質器をさらに備え、
前記第2加湿器は、前記燃料電池から排出される排熱および/または前記改質器にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体が循環する熱媒体循環回路上に設けられ、回収した熱を利用して前記熱媒体を水蒸気化することにより前記酸化剤ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システム。
In any one of Claims 1 to 9,
A reformer that generates the fuel to be supplied to the fuel cell;
The second humidifier is disposed on a heat medium circulation circuit in which a heat medium that is a liquid containing at least recovered heat exhausted from the fuel cell and / or exhaust heat generated in the reformer circulates. A fuel cell system, wherein the oxidant gas is humidified by steaming the heat medium using the recovered heat.
請求項10において、前記熱媒体循環回路の熱媒体として、前記燃料電池から排出されるオフガス、前記改質器で生成された燃料、前記改質器の燃焼器から排出される燃焼排ガスの少なくとも一つのガスから回収した凝縮水を利用することを特徴とする燃料電池システム。

11. The heat medium of claim 10, wherein at least one of off-gas discharged from the fuel cell, fuel generated by the reformer, and combustion exhaust gas discharged from the combustor of the reformer is used as the heat medium of the heat medium circulation circuit. A fuel cell system using condensed water recovered from two gases.

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