JP2007220637A - Fuel cell power generator - Google Patents

Fuel cell power generator Download PDF

Info

Publication number
JP2007220637A
JP2007220637A JP2006043068A JP2006043068A JP2007220637A JP 2007220637 A JP2007220637 A JP 2007220637A JP 2006043068 A JP2006043068 A JP 2006043068A JP 2006043068 A JP2006043068 A JP 2006043068A JP 2007220637 A JP2007220637 A JP 2007220637A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
fuel cell
temperature
pefc
supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006043068A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Dobashi
朗 土橋
Toshiaki Yabumoto
俊昭 籔本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Furukawa Battery Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Battery Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Furukawa Battery Co Ltd filed Critical Furukawa Battery Co Ltd
Priority to JP2006043068A priority Critical patent/JP2007220637A/en
Publication of JP2007220637A publication Critical patent/JP2007220637A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell generator capable of effective utilization of energy, reduction of auxiliary equipment, and reduction of consumption energy by reducing and preventing dew formation at the time of mixture of supplied gas and surplus gas, making unnecessary cooling water for cooling the fuel cell, and heating and humidifying fuel gas (hydrogen gas) and oxidant gas (air) by utilizing waste heat. <P>SOLUTION: In a fuel cell power generator in which power is generated using the supplied gas and the surplus gas is exhausted to the outside, the supply route of the supplied gas is formed three-dimensionally inside the fuel cell, and at the same time as cooling of the fuel cell, the supplied gas is heated and supplied to the electrode part of the fuel cell, and the surplus gas exhausted from the fuel cell is reutilized by mixing with the supplied gas. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池、特に固体高分子形燃料電池の排熱・排気ガスを利用し、供給ガスの加熱・加湿と補器類の削減と消費エネルギーの低減を図った燃料電池発電装置に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell power generator that uses exhaust heat / exhaust gas of a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, to heat and humidify a supply gas, reduce auxiliary devices, and reduce energy consumption. It is.

従来、効率的なエネルギー利用の視点から、水素と酸素(空気)の反応により水と電気が発生することを利用した燃料電池が注目されている。その中でも特に作動温度が70〜80℃程度で小型軽量化が可能である固体高分子形燃料電池(以下、PEFCと称する)に注目が集まっている。しかし、PEFC等の燃料電池のみで発電させようとした場合、燃料電池は外部負荷の出力変動に対して出力応答が悪いため、例えば無停電電源装置のような瞬時に電力の供給を要するものへの導入は困難であった。 Conventionally, from the viewpoint of efficient energy utilization, attention has been paid to fuel cells that utilize the fact that water and electricity are generated by the reaction of hydrogen and oxygen (air). Among them, attention is particularly focused on a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) that can be reduced in size and weight at an operating temperature of about 70 to 80 ° C. However, when trying to generate electricity only with a fuel cell such as PEFC, the fuel cell has a poor output response to the output fluctuation of the external load, and therefore, for example, an uninterruptible power supply that requires instantaneous power supply. The introduction of was difficult.

しかし近年、バックアップ電源の分野でPEFC等の燃料電池を採用する動きがある。長年、バックアップ電源の分野では鉛蓄電池が用いられてきたが、重くスペースをとるという欠点があった。また、長時間電力を供給するためには蓄電池の数を増やさなければならず、設備の大型化を招いていた。一方、PEFC等の燃料電池は燃料(水素ガスや酸素ガス)さえ供給し続ければ、継続的に発電することができるため、長時間の電力供給を行なう場合でも設備の大型化が抑えることが可能である。 However, in recent years, there has been a movement to adopt fuel cells such as PEFC in the field of backup power sources. For many years, lead-acid batteries have been used in the field of backup power supplies, but have the disadvantage of taking up space. Moreover, in order to supply electric power for a long time, the number of storage batteries must be increased, resulting in an increase in the size of facilities. On the other hand, fuel cells such as PEFC can generate electricity continuously as long as fuel (hydrogen gas or oxygen gas) is supplied, so it is possible to suppress the increase in equipment size even when power is supplied for a long time. It is.

バックアップ電源用としてPEFC等の燃料電池を用いる場合、以下のような欠点が挙げられる。
(1)発電効率の低さ(排熱を用いて水を温め給湯などに利用すれば総合効率は高くなるが、バックアップ電源ではお湯は不要)
(2)コストが高い
(3)補器類のメンテナンスが煩雑
(4)補器類を運転するためにエネルギーが必要
上記するように、PEFC等の燃料電池では現状のバックアップ電源としては使い難い面がある。また、バックアップ電源への利用以外の場合においても上記問題は回避することができない。そこで、燃料電池に供給される燃料(水素)ガスおよび酸化剤(酸素又は空気)ガスの消費量を低減すること、並びに、水素の利用率を高めて出力特性を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極からの排出ガスを循環させ、外部より新たに供給される燃料ガスと混合させて、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式の燃料電池システムやガス通路内の結露防止などを行う方法などが各種提案されている。
When a fuel cell such as PEFC is used as a backup power source, the following drawbacks can be mentioned.
(1) Low power generation efficiency (Warming water using waste heat and using it for hot water supply will increase overall efficiency, but backup power supply does not require hot water)
(2) Cost is high (3) Maintenance of auxiliary equipment is complicated (4) Energy is required to operate auxiliary equipment As mentioned above, fuel cells such as PEFC are difficult to use as current backup power sources There is. Further, the above problem cannot be avoided even in cases other than the use for backup power. Therefore, with the aim of reducing the consumption of fuel (hydrogen) gas and oxidant (oxygen or air) gas supplied to the fuel cell and improving the output characteristics by increasing the utilization rate of hydrogen, fuel Recirculation type fuel cell system that circulates exhaust gas from the fuel electrode of the battery, mixes it with fuel gas newly supplied from the outside, and supplies it to the fuel electrode of the fuel cell, and prevention of condensation in the gas passage Various methods have been proposed.

例えば、燃料電池とガス加湿装置とによって構成される燃料電池システムにおいて、該ガス加湿装置のガス加湿器は、燃焼器からの燃焼ガスによって燃料ガスや酸化剤ガスを加熱し、第1加湿器では、酸素極排ガス中に水蒸気が水蒸気透過膜を透過して酸化剤ガスに付与され、第2加湿器へは、加熱後の燃料ガスが導入され、第2加湿器では水素ガス排ガス中の蒸気が水蒸気透過膜を透過して燃料ガスに付与され、燃料電池へは第1加湿器で加湿された酸化剤ガス、および第2加湿器で加湿された燃料ガスを供給すること(特許文献1)や、燃料電池システムの水素ガス供給系には、燃料電池本体から排出された排出ガスを、新たに供給される水素ガスと合流・混合させて、燃料電池本体に再循環させる水素循環ラインが設けられており、燃料電池本体の燃料極入口と合流点との間に加湿器が配置され、合流点と加湿器との間に、合流点で混合された後の燃料ガス中の水分を回収する水分回収手段を設けること(特許文献2)、などが行われている。 For example, in a fuel cell system composed of a fuel cell and a gas humidifier, the gas humidifier of the gas humidifier heats the fuel gas or oxidant gas with the combustion gas from the combustor, and the first humidifier In the oxygen electrode exhaust gas, water vapor passes through the water vapor permeable membrane and is given to the oxidant gas. The heated fuel gas is introduced into the second humidifier, and the vapor in the hydrogen gas exhaust gas is introduced into the second humidifier. Permeating through the water vapor permeable membrane and applied to the fuel gas, and supplying the fuel cell with the oxidant gas humidified by the first humidifier and the fuel gas humidified by the second humidifier (Patent Document 1) The hydrogen gas supply system of the fuel cell system is provided with a hydrogen circulation line that joins and mixes the exhaust gas discharged from the fuel cell main body with the newly supplied hydrogen gas and recirculates it to the fuel cell main body. And burn A humidifier is disposed between the fuel electrode inlet of the battery body and the junction, and a moisture recovery means for recovering moisture in the fuel gas after mixing at the junction is provided between the junction and the humidifier. (Patent Document 2) and the like are performed.

特開2003−17097号公報JP 2003-17097 A 特開2002−246059号公報JP 2002-246059 A

特許文献1記載の方法は、燃料電池からの排気ガスを用いて供給ガスを加湿する加湿装置に水蒸気透過膜を用いている。この場合、この膜の表面に結露が生じ、水蒸気の透過が阻害されることがあり、水蒸気透過膜の透過性を維持する必要がでてくる。そこで、供給ガスを加熱し供給ガス加湿部における電池排気ガスと供給ガスの温度差を少なくし、電池排ガスが冷却され結露が発生するのを防止するものである。
特許文献2に記載の方法は、再循環水素ガスの水分除去を行い、その後再循環水素ガスと新たに供給された水素ガスを混合し、この混合ガスの水分除去(気液分離方式)も行なうものである。また、燃料電池への供給前の加圧空気の温度は、供給前の混合水素より高く、加圧空気の熱を利用し、混合水素を加温するのである。そして、供給ガスを加熱することで排気ガスと供給ガスの温度差を少なくし、結露を防止し、供給ガスを加熱し排気ガスの水分のみを供給ガスに加湿するものである。
The method described in Patent Document 1 uses a water vapor permeable membrane in a humidifier that humidifies a supply gas using exhaust gas from a fuel cell. In this case, dew condensation occurs on the surface of the membrane, and the permeation of water vapor may be hindered, and it is necessary to maintain the permeability of the water vapor permeable membrane. Therefore, the supply gas is heated to reduce the temperature difference between the battery exhaust gas and the supply gas in the supply gas humidification section, thereby preventing the battery exhaust gas from being cooled and causing condensation.
The method described in Patent Document 2 removes water from the recirculated hydrogen gas, and then mixes the recirculated hydrogen gas with the newly supplied hydrogen gas, and also removes water from the mixed gas (gas-liquid separation method). Is. Further, the temperature of the pressurized air before supply to the fuel cell is higher than the mixed hydrogen before supply, and the mixed hydrogen is heated using the heat of the pressurized air. Then, by heating the supply gas, the temperature difference between the exhaust gas and the supply gas is reduced, condensation is prevented, the supply gas is heated, and only the moisture of the exhaust gas is humidified by the supply gas.

しかしながら、夫々特許文献に記載の方法は、水蒸気透過膜の結露防止や供給ガスと余剰ガスとを混合後に結露対策をすると共に、余剰ガスの再使用を行うものであり、燃料電池を冷却するための冷却水を不要とすることや、補器類(ヒータや加湿器)の消費電力を小さくするなどについては行われていなかった。 However, each of the methods described in the patent documents is intended to prevent condensation of the water vapor permeable membrane and to prevent condensation after mixing the supply gas and surplus gas, and to reuse the surplus gas and to cool the fuel cell. It has not been done to eliminate the need for cooling water and to reduce the power consumption of auxiliary equipment (heaters and humidifiers).

このような背景の下、燃料電池を冷却するための冷却水を不要とすること、排熱を利用して供給ガスである燃料ガス(水素ガス)や酸化剤ガス(空気)を加熱・加湿することで、エネルギーの有効利用と補器類の削減および消費エネルギーの低減すること、更には、供給ガスと余剰ガス混合時の結露の低減・防止することが可能な燃料電池発電装置を提供することが望まれている。 Under such circumstances, cooling water for cooling the fuel cell is not required, and exhaust gas is used to heat and humidify the fuel gas (hydrogen gas) and oxidant gas (air) that are supply gases. Therefore, to provide a fuel cell power generator capable of effectively using energy, reducing auxiliary equipment, reducing energy consumption, and further reducing / preventing condensation when mixing supply gas and surplus gas. Is desired.

本発明は、水素ガスや酸素ガス等の供給ガスを用いて発電し、余剰のガスは外部へ排出される燃料電池発電装置において、供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成して、燃料電池の冷却と同時に供給ガスを加熱して燃料電池の電極部へ供給することを特徴とするものである。 The present invention provides a fuel cell power generator that generates power using a supply gas such as hydrogen gas or oxygen gas, and discharges surplus gas to the outside. The supply gas is heated and supplied to the electrode part of the fuel cell simultaneously with the cooling of the fuel cell.

また、供給ガスと燃料電池から排出された高温の余剰のガスとを混合して再使用する際に、供給ガスを加熱することを特徴とするものである。 In addition, the supply gas is heated when the supply gas and the high-temperature surplus gas discharged from the fuel cell are mixed and reused.

従来、PEFCの電解質中を水素イオンが移動するには水分が必要であり、この水分が不足するとイオンの移動がうまく行われないため、濃度分極が増加する。また、PEFCに低温の水素ガスや酸素ガスを供給すると、該PEFC内部の触媒(白金等)が冷やされ触媒の活性が低下する。逆に、内部温度が高くなりすぎると、燃料電池の性能が低下し短寿命となる。また、PEFCに供給する水素ガスや酸素ガスは加湿・加温され、PEFC内の熱は水を循環させることで冷却される。そして、水素ガスや酸素ガスの加湿・加温や冷却水の循環のためにポンプ・加湿器などの補器類が必要となり、これらの電力はPEFC自身の発電電力により賄われる。これにより、補器類のコスト、消費電力、メンテナンスの手間などが発生していた。 Conventionally, moisture is necessary for hydrogen ions to move in the electrolyte of PEFC, and if this moisture is insufficient, ions are not moved well, and concentration polarization increases. Further, when low-temperature hydrogen gas or oxygen gas is supplied to the PEFC, the catalyst (platinum or the like) inside the PEFC is cooled, and the activity of the catalyst is reduced. On the contrary, if the internal temperature becomes too high, the performance of the fuel cell is lowered and the life is shortened. Further, hydrogen gas and oxygen gas supplied to the PEFC are humidified and heated, and the heat in the PEFC is cooled by circulating water. Then, auxiliary devices such as a pump and a humidifier are required for humidification / heating of hydrogen gas and oxygen gas and circulation of cooling water, and these electric powers are supplied by the generated power of PEFC itself. As a result, the cost of auxiliary equipment, power consumption, maintenance labor, and the like have occurred.

燃料電池を運転する場合、燃料電池の内部温度を適温に保つ必要がある。温度が低すぎると触媒活性が低くなり、高すぎると燃料電池の劣化・性能低下が進む。実際に燃料電池を運転すると、酸化・還元反応や濃度分極などにより熱が発生するため、冷却を行なう必要がある。
請求項1の発明によれば、供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成して、燃料電池の冷却と同時に供給ガスの加熱を行うものである。電極で発生した熱はセパレータなどに拡散するが、セパレータ内のガス供給経路にPEFC本体よりも低温〜中温の燃料ガスと酸化剤ガス等の供給ガスを流ことで、供給ガス中にセパレータの熱を拡散させ、ガスを加熱する。流路が立体的であるため、供給ガスとセパレータの接触面積が大きくなり、熱交換に適した構造になっている。また、セパレータ内の流路周辺が冷却されるので、発生した熱がこの部位に拡散し、燃料電池を冷却することができる。このようにセパレータを介した供給ガスの加熱と燃料電池の冷却を行なう。従来のように供給経路が短い場合、燃料ガスと酸化剤ガスが低温であってもPEFC本体を冷却する効果はあまり得られない。
ここで、本発明における供給経路を立体的に形成するとは、従来の平面で形成された供給経路に奥行き(z軸)を持たせ供給経路を3次元的に長く形成することであり、供給経路をジグザグや格子状にすることで長く形成するものである。
When operating a fuel cell, it is necessary to keep the internal temperature of the fuel cell at an appropriate temperature. If the temperature is too low, the catalytic activity will be low, and if it is too high, the fuel cell will deteriorate and the performance will deteriorate. When the fuel cell is actually operated, heat is generated due to oxidation / reduction reaction, concentration polarization, etc., and thus cooling is required.
According to the first aspect of the present invention, the supply path of the supply gas is formed three-dimensionally inside the fuel cell, and the supply gas is heated simultaneously with the cooling of the fuel cell. The heat generated at the electrode diffuses into the separator, etc., but by supplying a supply gas such as a fuel gas and an oxidant gas at a temperature lower to medium temperature than the PEFC main body to the gas supply path in the separator, the heat of the separator is supplied into the supply gas. Is diffused and the gas is heated. Since the flow path is three-dimensional, the contact area between the supply gas and the separator is increased, and the structure is suitable for heat exchange. Moreover, since the periphery of the flow path in the separator is cooled, the generated heat is diffused to this portion, and the fuel cell can be cooled. In this way, the supply gas is heated through the separator and the fuel cell is cooled. When the supply path is short as in the conventional case, the effect of cooling the PEFC main body is not so much obtained even when the fuel gas and the oxidant gas are at a low temperature.
Here, the three-dimensional formation of the supply path in the present invention means that the supply path formed in the conventional plane has a depth (z-axis) and is formed three-dimensionally long. Is formed long by zigzag or lattice.

PEFC本体を本発明のような構造とすることで、従来のようにPEFC本体の冷却に冷却水を用いる必要が無くなり、補器類(ポンプや冷却水等)を削減することができるので、補器類のコスト・消費電力・メンテナンスの手間を省くことが可能である。また、水素ガスと空気を加熱するためのヒータ等の消費電力を削減することができ、補器類を小型化することが可能である。
なお、本発明において高温とは70℃以上、中温とは50℃以上70℃未満、低温とは50℃未満の範囲である。
なお、従来のように供給経路が立体的でない(平面・短い)場合、燃料ガスと酸化剤ガスが低温であってもPEFC本体を冷却する効果はあまり得られない。
Since the PEFC main body has the structure of the present invention, it is not necessary to use cooling water for cooling the PEFC main body as in the past, and auxiliary equipment (pumps, cooling water, etc.) can be reduced. It is possible to save the cost of equipment, power consumption and maintenance. Further, power consumption of a heater or the like for heating hydrogen gas and air can be reduced, and auxiliary devices can be reduced in size.
In the present invention, the high temperature is 70 ° C or higher, the intermediate temperature is 50 ° C or higher and lower than 70 ° C, and the low temperature is a range lower than 50 ° C.
When the supply path is not three-dimensional (planar / short) as in the prior art, the effect of cooling the PEFC main body is not very obtained even when the fuel gas and the oxidant gas are at low temperatures.

請求項2の発明によれば、供給ガスと燃料電池から排出された高温の余剰ガスとを混合して再使用する際に、湿度が高い余剰ガスが低温の供給ガスによって冷やされ、結露が発生(温度差により)することがある。そして、結露によって発生した結露水が燃料電池内に流れ込み目詰まりを起しガスの拡散を妨害するため、出力が低下する可能性があった。そこで、低温の供給ガスを事前に加熱することで、供給ガスと余剰ガスの温度差を少なくできるので、混合ガスの結露を低減・防止することが可能である。 According to the second aspect of the present invention, when the supply gas and the high-temperature surplus gas discharged from the fuel cell are mixed and reused, the high-humidity surplus gas is cooled by the low-temperature supply gas and condensation occurs. (Due to temperature difference) Then, the condensed water generated by the dew condensation flows into the fuel cell, causing clogging and hindering gas diffusion, and thus the output may be lowered. Therefore, by heating the low-temperature supply gas in advance, the temperature difference between the supply gas and the surplus gas can be reduced, so that condensation of the mixed gas can be reduced or prevented.

本発明によれば、供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成することで、冷却水の循環を行わずにPEFC本体の冷却を行うことが可能であり、同時に供給ガスの加熱を行うことが可能であり、エネルギーの有効利用と補器類の削減と消費エネルギーの低減が可能となる。
また、供給ガスと余剰ガスを混合する際に2つのガスの温度差から結露が発生することがあったが、供給ガスを加熱することでこれを防止することができる。
According to the present invention, it is possible to cool the PEFC main body without circulating the cooling water by forming the supply gas supply path three-dimensionally inside the fuel cell, and at the same time, heating the supply gas. It is possible to carry out, and it is possible to effectively use energy, reduce auxiliary devices, and reduce energy consumption.
Further, when the supply gas and the surplus gas are mixed, dew condensation may occur due to the temperature difference between the two gases. This can be prevented by heating the supply gas.

本発明の実施形態を、図1〜6を用いて説明する。なお、同一構成部品には同一番号を付記してある。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the same number is attached | subjected to the same component.

図1に本発明におけるPEFCの単一セル構造を示す。図1に示す通り、PEFC5の単一セルは膜・電極接合体(以下、MEAと称する)51を燃料極側のセパレータ52と空気極側のセパレータ53とで狭持する構造となっている。MEA51は、イオン交換膜511と、その両側に相対向して設置された触媒層512および拡散層513から構成されている(触媒層521と拡散層513を合わせて電極と呼ぶ)。夫々の方形のセパレータ52、53は中空の供給経路523と533を多数有し、その供給経路523、533を介して破線矢示の如く夫々燃料ガス(以下、水素ガスとする)および酸化剤ガス(以下、空気とする)を供給することにより、燃料極の触媒層512上で水素ガスが水素イオンと電子に分かれる。そして、水素イオンはイオン交換膜511中のクラスターを水と一体となって移動し、電子は外部回路(図示せず)を介して空気極へ移動し、空気極では酸素、電子および水素イオンが反応して水が生成される。そしてそれぞれ燃料極と空気極で発生する起電力差により電力を得るものである。 FIG. 1 shows a single cell structure of PEFC in the present invention. As shown in FIG. 1, a single cell of PEFC 5 has a structure in which a membrane / electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) 51 is sandwiched between a separator 52 on the fuel electrode side and a separator 53 on the air electrode side. The MEA 51 is composed of an ion exchange membrane 511, a catalyst layer 512 and a diffusion layer 513 disposed opposite to each other (the catalyst layer 521 and the diffusion layer 513 are collectively referred to as an electrode). Each of the rectangular separators 52 and 53 has a large number of hollow supply paths 523 and 533, and a fuel gas (hereinafter referred to as hydrogen gas) and an oxidant gas as indicated by broken arrows through the supply paths 523 and 533, respectively. By supplying (hereinafter referred to as air), the hydrogen gas is separated into hydrogen ions and electrons on the catalyst layer 512 of the fuel electrode. Then, hydrogen ions move through the clusters in the ion exchange membrane 511 together with water, electrons move to the air electrode through an external circuit (not shown), and oxygen, electrons, and hydrogen ions are transferred to the air electrode. Reaction produces water. Electric power is obtained by the difference in electromotive force generated between the fuel electrode and the air electrode.

該セパレータの溝の向きは燃料極と空気極とで互いに直交する向きになる様に配置されており、このような構造とすることで電極面積を広くすることが可能である。
そして、図1に示すように夫々のセパレータ52、53は内部にガスの供給経路をジグザグに折り返すように立体的に構成(破線の矢印)している。図1に示す立体構造は、鋳型により夫々の供給経路が等間隔となる様に一体に構成されたものであり、供給経路以外のセパレータ部分は熱伝導がしやすい物質(金属又は炭素材)で構成されている。そして、夫々形成されたセパレータの供給経路の水素入口521より水素ガスが供給され、水素出口522より排出される。同様構成された空気極側も、供給経路の空気入口531から供給ガス(空気)供給され、空気出口532より排出される。PEFC5本体よりも夫々の供給ガスの温度が低く、PEFC本体と供給ガスとの温度差が少なくとも10℃以上生じるため(PEFC本体の温度のほうが高い)、夫々の供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成することで、PEFC5本体の冷却が可能となっている。また、供給ガスによってPEFC5本体を冷却すると同時に、水素流路523および空気流路533を通過中にPEFC本体の熱により供給ガスを加熱することが可能である。
このように、ガスの供給経路を立体的にすることで、冷却水の循環を行わずにPEFC本体の冷却を行うことが可能となり、エネルギーの有効利用と補器類の削減および消費エネルギーの低減が可能となる。
The direction of the groove of the separator is arranged so that the fuel electrode and the air electrode are orthogonal to each other. With such a structure, the electrode area can be widened.
As shown in FIG. 1, the separators 52 and 53 are three-dimensionally configured (broken arrows) so that the gas supply path is folded back in a zigzag manner. The three-dimensional structure shown in FIG. 1 is configured integrally with a mold so that the respective supply paths are equally spaced, and the separator portion other than the supply path is a substance that easily conducts heat (metal or carbon material). It is configured. Then, hydrogen gas is supplied from the hydrogen inlet 521 of the separator supply path formed and discharged from the hydrogen outlet 522. A similarly configured air electrode side is also supplied with supply gas (air) from the air inlet 531 of the supply path and discharged from the air outlet 532. Since the temperature of each supply gas is lower than that of the PEFC5 main body and the temperature difference between the PEFC main body and the supply gas is at least 10 ° C. or higher (the temperature of the PEFC main body is higher), the supply path of each supply gas is set inside the fuel cell. By forming the three-dimensional shape in FIG. 3, the PEFC 5 main body can be cooled. Further, the PEFC 5 main body is cooled by the supply gas, and at the same time, the supply gas can be heated by the heat of the PEFC main body while passing through the hydrogen flow path 523 and the air flow path 533.
In this way, by making the gas supply path three-dimensional, it becomes possible to cool the PEFC main body without circulating the cooling water, effectively using energy, reducing auxiliary equipment, and reducing energy consumption. Is possible.

その後、供給ガス(水素ガス)は燃料極で酸化反応を起こし、水素イオンは水素ガス中の水分とともにイオン交換膜を移動し、空気極に至る。一方、供給ガス(空気)は空気流路533を通過中にPEFCを冷却すると同時に加熱される。その後、空気極で還元反応を起こす。また、空気は乾燥しているため、燃料極より移動してきた水分を蒸発させ、このとき発生する蒸発潜熱でさらにPEFC本体の冷却を行なうことができる。
なお、蒸発潜熱とは、水が蒸発する時に熱を奪う現象である。一般的には、夫々の供給ガスを加湿するが、空気が高湿になっていると水分が蒸発しにくいので、蒸発潜熱による冷却効果が薄くなる。よって、水素ガスのみ加湿することが好ましい。燃料極から空気極へ移動する水分と、空気極で生成される水分を乾燥した空気で蒸発させ、蒸発潜熱によりセルまたはスタックの冷却が可能となっている。
なお、本実施例では単一セル構造について説明したが、単一セルでは単セルの電圧は低いため、単セルを複数個直列に積層することで所望の電圧に調整し高出力のPEFC5を構成することが通常行われている。
Thereafter, the supply gas (hydrogen gas) undergoes an oxidation reaction at the fuel electrode, and the hydrogen ions move through the ion exchange membrane together with moisture in the hydrogen gas and reach the air electrode. On the other hand, the supply gas (air) is heated simultaneously with cooling the PEFC while passing through the air flow path 533. Thereafter, a reduction reaction occurs at the air electrode. Further, since the air is dry, the moisture that has moved from the fuel electrode can be evaporated, and the PEFC main body can be further cooled by the latent heat of evaporation generated at this time.
The latent heat of vaporization is a phenomenon that takes away heat when water evaporates. In general, each supply gas is humidified. However, when the air is highly humid, the moisture is difficult to evaporate, and thus the cooling effect due to latent heat of evaporation is reduced. Therefore, it is preferable to humidify only hydrogen gas. The water moving from the fuel electrode to the air electrode and the water generated at the air electrode are evaporated with dry air, and the cell or stack can be cooled by latent heat of evaporation.
In this embodiment, the single cell structure has been described. However, since the voltage of a single cell is low in a single cell, a plurality of single cells are stacked in series to adjust to a desired voltage to configure a high output PEFC5. It is usually done.

図2は、本発明のセパレータの概略図を示したものである。図2に示される構造は並列型と呼ばれ、平面構造(a)、立体構造(b)をそれぞれ示したものである。平面構造(a)は供給ガス入口521(531)より水素ガスまたは空気が供給され、供給ガスは流路内に均一に行き渡り電極の上に供給され余剰ガスは排出522(532)される。一方、立体構造(b)は、平面構造をz軸方向に重ねるように流路を形成するものであり、例えば3層構造とすると、1層目の出口と2層目の入口および2層目の出口と3層目の入口の部分を接合することで、立体構造のセパレータを形成することが可能である。 FIG. 2 shows a schematic view of the separator of the present invention. The structure shown in FIG. 2 is called a parallel type, and shows a planar structure (a) and a three-dimensional structure (b), respectively. In the planar structure (a), hydrogen gas or air is supplied from the supply gas inlet 521 (531), the supply gas is evenly distributed in the flow path, is supplied onto the electrode, and surplus gas is discharged 522 (532). On the other hand, the three-dimensional structure (b) forms a flow path so that the planar structure is overlapped in the z-axis direction. For example, when a three-layer structure is used, the first layer outlet, the second layer inlet, and the second layer It is possible to form a three-dimensional separator by joining the outlet of the first layer and the inlet of the third layer.

図3は、本発明のその他のセパレータの平面構造の概略図を示したものである。(a)は蛇状型、(b)は並列蛇状型、(c)はグリット型である。これらは、(a)〜(c)に示される平面構造を図2(b)と同様にz軸方向に流路を重ねるように構成することで立体構造とするものである。
なお、立体構造はここに示されるものに限定されるものではなく、供給経路に奥行き(z軸)を持たせ長く形成させたものなら何でも良い。
FIG. 3 shows a schematic view of the planar structure of another separator of the present invention. (A) is a snake type, (b) is a parallel snake type, and (c) is a grit type. These are three-dimensional structures by configuring the planar structure shown in (a) to (c) so that the flow paths are overlapped in the z-axis direction as in FIG. 2 (b).
Note that the three-dimensional structure is not limited to that shown here, and any structure may be used as long as the supply path has a depth (z axis) and is formed long.

図4は、本発明の第1の実施形態を示すPEFC発電装置の概略図である。1は水素ボンベ、4は加湿器、5は燃料電池本体、6bは温湿度センサ、61は温湿度センサ6bで測定された温湿度制御装置、7はブロワ、8は冷却器、91は回収水タンク、92は補給水、93は回収水ポンプである。 FIG. 4 is a schematic diagram of a PEFC power generator showing a first embodiment of the present invention. 1 is a hydrogen cylinder, 4 is a humidifier, 5 is a fuel cell body, 6b is a temperature / humidity sensor, 61 is a temperature / humidity controller measured by the temperature / humidity sensor 6b, 7 is a blower, 8 is a cooler, and 91 is recovered water. A tank, 92 is makeup water, and 93 is a recovered water pump.

まず、PEFC5の燃料極に供給される供給ガス(水素ガス)の経路について説明する。水素ボンベ1に貯えられた供給ガスは、配管Hを通り加湿器4により所望の湿度に加湿され、PEFC5本体の燃料極の水素入口に供給される。PEFC5に供給される供給ガスは、燃料極と空気極での化学反応に使用され、化学反応に使用しきれなかった余剰ガスは燃料極の水素出口から排出される。
なお、水素極中で発生した水素イオンはイオン交換膜中のクラスターを水と一体となって空気極へ移動し、空気極の酸素と反応して水が生成されが、水の逆拡散により燃料極中にも多少の水が流入する。これにより、水素ガスはPEFC5内で反応後、若干の水分を有することとなる。
First, the path of the supply gas (hydrogen gas) supplied to the fuel electrode of the PEFC 5 will be described. The supply gas stored in the hydrogen cylinder 1 passes through the pipe H, is humidified to a desired humidity by the humidifier 4, and is supplied to the hydrogen inlet of the fuel electrode of the PEFC 5 main body. The supply gas supplied to the PEFC 5 is used for a chemical reaction between the fuel electrode and the air electrode, and surplus gas that cannot be used for the chemical reaction is discharged from the hydrogen outlet of the fuel electrode.
The hydrogen ions generated in the hydrogen electrode move to the air electrode together with the water in the cluster in the ion exchange membrane and react with oxygen in the air electrode to produce water. Some water also flows into the poles. Thereby, hydrogen gas will have some water | moisture content after reaction within PEFC5.

次に、PEFC5の空気極に供給される供給ガス(空気)の経路について説明する。酸化剤として、酸素または空気が用いられており、空気はメンテナンスを必要としないため一般的に用いられている。本発明の実施の形態では酸化剤として空気を用い、外気(空気)はブロワ7を用いて取り込んでいる。ブロワ7によって取り込まれた空気は、加圧・圧縮され、PEFC5の空気極の空気入口に供給される。PEFC5に供給される空気は、燃料極と空気極での化学反応に使用され、化学反応に使用しきれなかった余剰ガス(以下、余剰空気と呼ぶ)は空気極の空気出口から排出される。このとき、空気出口から排出された余剰空気は多量の水分を含んでおり、発生した水分が回収水タンク91に保存される。この回収水は回収水ポンプ93から加湿器4へ送られ、供給ガスの加湿に利用される。
なお、水分とならなかった回収水タンク91中の余剰空気は、排気バルブ31を介して大気に放出される。
また、余剰空気は高温で多量の水分を含んでいるので水分を回収することは可能であるが、冷却器8を用いて冷却する(余剰空気を急冷する)ことでより多くの水分を回収することが可能である。
Next, the path of the supply gas (air) supplied to the air electrode of the PEFC 5 will be described. Oxygen or air is used as the oxidizing agent, and air is generally used because it does not require maintenance. In the embodiment of the present invention, air is used as an oxidizing agent, and outside air (air) is taken in using a blower 7. The air taken in by the blower 7 is pressurized and compressed and supplied to the air inlet of the air electrode of the PEFC 5. The air supplied to the PEFC 5 is used for a chemical reaction between the fuel electrode and the air electrode, and surplus gas that has not been used for the chemical reaction (hereinafter referred to as surplus air) is discharged from the air outlet of the air electrode. At this time, the excess air discharged from the air outlet contains a large amount of water, and the generated water is stored in the recovered water tank 91. This recovered water is sent from the recovered water pump 93 to the humidifier 4 and used for humidifying the supply gas.
The surplus air in the recovered water tank 91 that has not become moisture is released to the atmosphere via the exhaust valve 31.
In addition, since the excess air contains a large amount of moisture at a high temperature, it is possible to collect the moisture. However, cooling with the cooler 8 (rapid cooling of the excess air) collects more moisture. It is possible.

ここで、PEFC5の冷却方法と供給ガスの加熱方法について説明する。PEFC5本体に供給される供給ガスは常温であり、PEFC5本体の温度に比し低温となっている。従来、供給ガスの供給経路(セパレータ)はジグザグ構造となっていない。本発明では供給経路を燃料電池内部においてジクザグ構造とし、供給経路を立体的に形成することで、PEFC5本体の冷却が可能となっている。これは、PEFC5本体の温度に比し供給ガスおよび空気の温度が低温であるのでPEFC5本体の冷却が可能となっている。
同時に、低温であった供給ガスは、PEFC5本体から発生する熱(PEFC本体は約70〜80℃である)によって常温であったものが約70〜80℃程度まで加熱され、夫々の電極部に到達する。供給ガスを加熱するのは、PEFC5の動作温度が約70〜80℃であり、供給ガスを低温とすると動作が困難となるため、これ相応の温度を有する供給ガスを提供することでPEFC5を動作(低温でも動作可能であるが出力が低下する)させるためである。
よって、ガスの供給経路を立体的にすることで、冷却水の循環を行わずにPEFC本体の冷却を行うことが可能となり、エネルギーの有効利用と補器類の削減および消費エネルギーの低減が可能となる。
Here, the cooling method of PEFC5 and the heating method of supply gas are demonstrated. The supply gas supplied to the PEFC 5 main body is at a normal temperature, which is lower than the temperature of the PEFC 5 main body. Conventionally, the supply path (separator) of the supply gas has not a zigzag structure. In the present invention, the PEFC 5 main body can be cooled by providing the supply path with a zigzag structure inside the fuel cell and forming the supply path three-dimensionally. This is because the temperature of the supply gas and air is lower than the temperature of the PEFC 5 body, so that the PEFC 5 body can be cooled.
At the same time, the low-temperature supply gas is heated to about 70 to 80 ° C. by the heat generated from the PEFC 5 main body (the PEFC main body is about 70 to 80 ° C.). To reach. The operation temperature of PEFC5 is about 70 to 80 ° C. for heating the supply gas. Since the operation becomes difficult when the supply gas is at a low temperature, PEFC5 is operated by providing a supply gas having a corresponding temperature. This is because it is possible to operate even at a low temperature but the output decreases.
Therefore, by making the gas supply path three-dimensional, it is possible to cool the PEFC main body without circulating the cooling water, and it is possible to effectively use energy, reduce auxiliary equipment, and reduce energy consumption. It becomes.

PEFC5はイオン交換膜内において、イオンの流れによって燃料極から水の持ち去り(電気浸透現象)が起こる。これにより、イオン交換膜の乾燥が起こり、ひいては電気抵抗の増大によって出力が低下する。そこで、イオン交換膜中の水分の管理をするために、外部から水を送る(水素ガスに水を含ませる)方法、PEFC5内で生成する水を利用する方法、電池内部を多湿に保って管理する方法が挙げられる。本実施形態では、上記方法のうち外部から水を送る方法を用い、加湿器4を使用することにより供給ガスに水分を含有させた。加湿方法としては、必要量の水を必要なだけ霧化することができる微粒化法を採用した。 In the PEFC 5, water is taken away from the fuel electrode (electroosmosis phenomenon) by the flow of ions in the ion exchange membrane. As a result, the ion exchange membrane is dried, and as a result, the output decreases due to an increase in electrical resistance. Therefore, in order to manage the moisture in the ion exchange membrane, a method of sending water from the outside (including water in hydrogen gas), a method of using the water generated in PEFC5, and managing the inside of the battery at high humidity The method of doing is mentioned. In the present embodiment, water is supplied to the supply gas by using the humidifier 4 using the method of sending water from the outside among the above methods. As the humidification method, a atomization method capable of atomizing a necessary amount of water as much as necessary was adopted.

本実施形態の加湿器4の湿度の制御方法について説明する。PEFC5の空気極から排出された余剰空気は多量の水分を含んでおり、温湿度センサ6b(空気極側)によって余剰空気の湿度が計測される。温湿度センサ6bによって計測されたデータは温湿度制御装置61に信号処理され送られる。そして、温湿度制御装置61より加湿器4に信号が送られ、基準値よりも低い場合は、回収水ポンプ93から供給される水のノズルからの噴霧量を増やし、水の霧化量を増やすことで供給ガスの水分量を増やし、逆に、基準値よりも高い場合は、回収水ポンプ93から供給される水のノズルからの噴霧量を減らし、水の霧化量を減らすことで供給ガスの水分量を減らす。このようにして、供給された水素ガスと霧化された水とが混合され水分を含んだ供給ガスが生成される。
例えば、加湿器の基準値を80%としたとき、温湿度センサ6bにより測定された湿度が70%と基準値より下回った場合、温湿度制御装置61より加湿器4に送られた信号により回収水ポンプ93から供給される水のノズルからの噴霧量が増やされる。
A method for controlling the humidity of the humidifier 4 of the present embodiment will be described. The surplus air discharged from the air electrode of the PEFC 5 contains a large amount of moisture, and the humidity of the surplus air is measured by the temperature / humidity sensor 6b (air electrode side). The data measured by the temperature / humidity sensor 6b is signal-processed and sent to the temperature / humidity control device 61. Then, a signal is sent from the temperature / humidity control device 61 to the humidifier 4, and when it is lower than the reference value, the spray amount from the nozzle of water supplied from the recovered water pump 93 is increased, and the atomization amount of water is increased. The amount of water in the supply gas is increased, and conversely, if it is higher than the reference value, the amount of spray from the nozzle of water supplied from the recovered water pump 93 is reduced, and the amount of atomization of water is reduced to reduce the amount of supply gas Reduce the amount of water. In this way, the supplied hydrogen gas and atomized water are mixed to generate a supply gas containing moisture.
For example, when the reference value of the humidifier is 80% and the humidity measured by the temperature / humidity sensor 6b falls below 70%, which is the reference value, it is recovered by the signal sent from the temperature / humidity control device 61 to the humidifier 4. The amount of spray from the nozzle of water supplied from the water pump 93 is increased.

なお、従来のように供給経路をジグザグ構造としないものでは、供給ガスおよび空気の温度が低温であってもPEFC5本体の冷却効果はあまり得られなかった。
また、本実施の形態ではPEFC5を冷却および供給ガス・空気を加熱するため供給経路は内部をジグザグに3回折り返すように構成したが、この構成に限定されるものではない。
また、本実施形態では加湿方式として水をスプレー状に噴霧させる微粒化法を用いたが、温水タンクの中にガスをバブリングさせ、ガスを飽和水蒸気状態とするバブラー法、超音波振動子やインジェクタといった機械的振動を与えることによる水の霧化させる微粒化法などを用いることが可能である。
In the case where the supply path does not have a zigzag structure as in the prior art, the effect of cooling the PEFC 5 main body was not obtained much even when the temperature of the supply gas and air was low.
In the present embodiment, the supply path is configured to bend back three times in a zigzag manner in order to cool the PEFC 5 and heat the supply gas / air. However, the present invention is not limited to this configuration.
In this embodiment, the atomization method in which water is sprayed as a humidification method is used as a humidification method. However, a bubbler method in which a gas is bubbled into a hot water tank so that the gas is in a saturated water vapor state, an ultrasonic vibrator, and an injector. It is possible to use the atomization method of atomizing water by applying such mechanical vibration.

本発明の第2の実施形態は、第1の実施形態において余剰ガスを循環し、供給ガスと余剰ガスを合流・混合させて使用するものである。供給ガスと余剰ガスを合流・混合する際、結露が生じる恐れがあるが、供給ガスを事前に加熱することで結露を防止し得るものである。 In the second embodiment of the present invention, surplus gas is circulated in the first embodiment, and the supply gas and surplus gas are combined and mixed for use. Condensation may occur when the supply gas and the surplus gas are combined and mixed, but condensation can be prevented by heating the supply gas in advance.

図5は、本発明の第2の実施形態を示すPEFC発電装置の概略図である。2、2´は夫々水素ガスと空気を加熱するための補助ヒータ、3はバルブ、6aは温湿度センサである。
図5に示すように、燃料極の水素出口から排出される余剰ガスは、配管Hとバルブ3が接続されており、配管Hを通りバルブ3に到達する。そして、水素ボンベ1から新たに供給される供給ガスとPEFCから排出された余剰ガスは、バルブ3の地点で合流・混合され、加湿器4を介してPEFC5の燃料極に至り、PEFCから排出された余剰ガスは循環される。バルブ3の地点で合流・混合される供給ガスと余剰ガスは温度差があり、結露を生じる恐れがあるため、供給ガスを合流・混合される前に補助ヒータ2を介して加熱する。このような構成とすることで、供給ガスと余剰ガスの温度差が減少するため、合流・混合の際に結露が生じることは無い。
なお、PEFC5の冷却方法と供給ガスの加熱方法については第1の実施形態に示す通りである。
FIG. 5 is a schematic diagram of a PEFC power generator showing a second embodiment of the present invention. 2, 2 'are auxiliary heaters for heating hydrogen gas and air, 3 is a valve, and 6a is a temperature / humidity sensor.
As shown in FIG. 5, surplus gas discharged from the hydrogen outlet of the fuel electrode is connected to the pipe H and the valve 3, and reaches the valve 3 through the pipe H. The supply gas newly supplied from the hydrogen cylinder 1 and the surplus gas discharged from the PEFC are merged and mixed at the valve 3, reach the fuel electrode of the PEFC 5 via the humidifier 4, and are discharged from the PEFC. The excess gas is circulated. The supply gas and the surplus gas that are merged and mixed at the point of the valve 3 have a temperature difference and may cause condensation. Therefore, the supply gas is heated via the auxiliary heater 2 before being merged and mixed. By setting it as such a structure, since the temperature difference of supply gas and surplus gas reduces, dew condensation does not arise at the time of merging and mixing.
The cooling method of PEFC 5 and the heating method of the supply gas are as shown in the first embodiment.

ここで、第2の実施形態では補助ヒータ2によって供給ガス(水素ガスおよび空気)の加熱を行っている。また加湿器に供給される水は加熱され、ノズルより霧化され状態で噴霧される。そして、供給ガスと霧化された水分を混合することで供給ガスに水分を含有させおり、供給ガスの温度は中温となっている。例えば、水素ガスが補助ヒータ2で70℃に加熱され、バルブ3の地点で余剰ガス(約80℃)と合流・混合された温度が約80℃であった場合、加湿器4に供給された水を70℃まで加熱すると、加湿器4から排出される水分を含んだ供給ガスは約70℃程度となる。そして、約70℃になった供給ガスが燃料極の水素入口に供給される。
従って、補助ヒータを用いた場合でも、第1の実施形態同様にPEFC本体と供給ガスとの温度差が少なくとも10℃以上生じるため(PEFC本体の温度のほうが高い)、夫々の供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成することで、PEFC5本体の冷却が可能となっている。また、供給ガスによってPEFC5本体を冷却すると同時に、水素流路および空気流路を通過中にPEFC本体の熱により供給ガスを加熱することが可能である。
Here, in the second embodiment, the supply gas (hydrogen gas and air) is heated by the auxiliary heater 2. The water supplied to the humidifier is heated, atomized from the nozzle, and sprayed in a state. Then, the supply gas is mixed with the atomized water so that the supply gas contains water, and the supply gas has a medium temperature. For example, when hydrogen gas is heated to 70 ° C. by the auxiliary heater 2 and the temperature combined with the surplus gas (about 80 ° C.) at the point of the valve 3 is about 80 ° C., it is supplied to the humidifier 4. When the water is heated to 70 ° C., the supply gas containing moisture discharged from the humidifier 4 becomes about 70 ° C. Then, the supply gas having reached about 70 ° C. is supplied to the hydrogen inlet of the fuel electrode.
Therefore, even when an auxiliary heater is used, the temperature difference between the PEFC main body and the supply gas is at least 10 ° C. or more as in the first embodiment (the temperature of the PEFC main body is higher). Is formed three-dimensionally inside the fuel cell, so that the PEFC 5 main body can be cooled. Further, the PEFC 5 main body is cooled by the supply gas, and at the same time, the supply gas can be heated by the heat of the PEFC main body while passing through the hydrogen flow path and the air flow path.

PEFCから排出された余剰ガスと余剰空気の温度および湿度は、温湿度センサ6a(燃料極側)、6b(空気極側)で夫々計測される。温湿度センサ6aで余剰ガスの温湿度を測定し、温湿度センサ6bで余剰空気の温湿度を測定する。そして、温湿度センサ6aによって計測されたデータは温湿度制御装置61に信号処理され送られ、温湿度制御装置61より補助ヒータ2に信号が送られ、基準値よりも高い場合は設定温度を低くし、逆に基準値よりも低い場合は設定温度を高くする制御が行われる。
補助ヒータ2の温度は、約70℃となる様に制御を行った。例えば、PEFC本体の動作温度70℃を基準とし、その値より余剰ガスと余剰空気の温度および湿度が低い場合は設定値を高くし、逆にその値より余剰ガスと余剰空気の温度および湿度が高い場合は設定値を低くする。
なお、加湿器4の制御方法は第1の実施形態に示す通りである。
なお、水素ガスの加熱は、配管Hを補助ヒータによって直接加熱することにより行う。
なお、外気(空気)はブロワ7によって取り込まれた空気を加圧・圧縮し使用するが、加圧・圧縮後ブロワとPEFC間に補助ヒータ2´を配設し、補助ヒータ2´で配管を加熱し高温で乾燥された状態でPEFC5の空気極の空気入口に供給しても良い。
The temperature and humidity of the surplus gas and surplus air discharged from the PEFC are measured by temperature / humidity sensors 6a (fuel electrode side) and 6b (air electrode side), respectively. The temperature / humidity sensor 6a measures the temperature / humidity of the surplus gas, and the temperature / humidity sensor 6b measures the temperature / humidity of the surplus air. The data measured by the temperature / humidity sensor 6a is signal-processed and sent to the temperature / humidity control device 61. A signal is sent from the temperature / humidity control device 61 to the auxiliary heater 2. If the temperature is higher than the reference value, the set temperature is lowered. On the other hand, if it is lower than the reference value, control is performed to increase the set temperature.
The temperature of the auxiliary heater 2 was controlled to be about 70 ° C. For example, based on the operating temperature of 70 ° C. of the PEFC main body, when the temperature and humidity of the surplus gas and surplus air are lower than the values, the set values are increased, and conversely, the temperature and humidity of the surplus gas and surplus air are lower than the values. If it is high, decrease the setting value.
The control method of the humidifier 4 is as shown in the first embodiment.
Note that the hydrogen gas is heated by directly heating the pipe H with an auxiliary heater.
The outside air (air) is used by pressurizing / compressing the air taken in by the blower 7, but after the pressurization / compression, an auxiliary heater 2 'is disposed between the blower and the PEFC, and the auxiliary heater 2' is used for piping. You may supply to the air inlet of the air electrode of PEFC5 in the state heated and dried at high temperature.

図6に本発明の補助ヒータおよび加湿器の温湿度制御法を示す。図6に示す如く、本発明は夫々の補助ヒータ2の温度制御および加湿器4の湿度制御を温湿度センサ6a、6bで測定し、信号処理されたデータを温湿度制御装置61に送信して、夫々設けられた基準値と比較し、補助ヒータ2の温度および加湿器4の湿度を制御するものである。
本発明の補助ヒータの温度と加湿器の湿度の制御は、補助ヒータ2の温度と加湿器4の湿度にある基準値を設け、その基準値より高いか低いかを判断し、それに応じて出力の調節を行う。
FIG. 6 shows a temperature and humidity control method for the auxiliary heater and humidifier of the present invention. As shown in FIG. 6, in the present invention, the temperature control of each auxiliary heater 2 and the humidity control of the humidifier 4 are measured by the temperature / humidity sensors 6a and 6b, and the signal-processed data is transmitted to the temperature / humidity control device 61. The temperature of the auxiliary heater 2 and the humidity of the humidifier 4 are controlled in comparison with the reference values provided.
In the control of the temperature of the auxiliary heater and the humidity of the humidifier according to the present invention, a reference value for the temperature of the auxiliary heater 2 and the humidity of the humidifier 4 is provided, and it is determined whether it is higher or lower than the reference value, and the output is made accordingly. Make adjustments.

まず、補助ヒータ2の制御方法について説明する。PEFC5本体の燃料極側から排出される余剰ガスは、配管の外周に接続された熱電対によって測定され、温湿度センサ6aで信号処理される。このとき、熱電対は配管の外周に接続されているため、配管の熱伝導率を考慮し測定された値に補正を行っている。そして、温湿度センサ6aによって信号処理されたデータは、温湿度制御装置61に送信され、基準値と比較して補助ヒータ2の温度の昇温・降温を行った。補助ヒータ2の温度の基準値は70℃とし、これはPEFC5本体の最適動作温度が約70〜80℃であるからである。 First, a method for controlling the auxiliary heater 2 will be described. Excess gas discharged from the fuel electrode side of the PEFC 5 main body is measured by a thermocouple connected to the outer periphery of the pipe, and is signal-processed by the temperature / humidity sensor 6a. At this time, since the thermocouple is connected to the outer periphery of the pipe, the measured value is corrected in consideration of the thermal conductivity of the pipe. Then, the data processed by the temperature / humidity sensor 6a is transmitted to the temperature / humidity control device 61, and the temperature of the auxiliary heater 2 is increased and decreased as compared with the reference value. The reference value of the temperature of the auxiliary heater 2 is 70 ° C., because the optimum operating temperature of the PEFC 5 main body is about 70-80 ° C.

PEFC5本体の燃料極から排出された余剰ガスは、温湿度センサ6aで温度1分ごとに測定される。測定された温度から70℃(基準値)を引いた値がマイナスだった場合、即ち、余剰ガスの温度が基準値より低い場合は、温度差の大きさに応じて補助ヒータの出力を大きくする。逆に、測定された温度から70℃(基準値)を引いた値がプラスだった場合は補助ヒータ2の出力を小さくする。 Excess gas discharged from the fuel electrode of the PEFC 5 main body is measured by the temperature / humidity sensor 6a every one minute. When the value obtained by subtracting 70 ° C. (reference value) from the measured temperature is negative, that is, when the temperature of the surplus gas is lower than the reference value, the output of the auxiliary heater is increased according to the temperature difference. . Conversely, if the value obtained by subtracting 70 ° C. (reference value) from the measured temperature is positive, the output of the auxiliary heater 2 is reduced.

例えば、補助ヒータを制御する温度を基準値から5℃刻みで±8段階とする。測定された温度が81℃であった場合、補助ヒータの出力を2段階落とし70℃として、供給ガスを加熱しバルブ3で合流・混合する。ここで、補助ヒータの設定は5℃刻みであり、2.5℃未満は1段階下の設定値、2.5℃以上は1段階上の設定値で行う(83℃の場合は補助ヒータの設定は3段階落とす)。
このように、低温のボンベからの供給ガスと高温の余剰ガスとを直接混合すると結露が発生し易くなるが、低温のボンベからの供給ガスと高温の余剰ガスとを混合する前に、補助ヒータ2で供給ガスを加熱することにより、結露を防止・低減することが可能である。
なお、補助ヒータ2からバルブ3までの配管Hに保温材を施し、加熱した供給ガスの温度を一定に保つことが好ましい。
従って、補助ヒータを用いた場合でも、PEFC本体と供給ガスとの温度差を生じさせることが可能であり、夫々の供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成することで、PEFC5本体の冷却が可能となっている。
For example, the temperature for controlling the auxiliary heater is set to ± 8 steps in increments of 5 ° C. from the reference value. When the measured temperature is 81 ° C., the output of the auxiliary heater is dropped in two steps to 70 ° C., and the supply gas is heated and merged and mixed by the valve 3. Here, the setting of the auxiliary heater is in increments of 5 ° C., and when the temperature is less than 2.5 ° C., the setting value is lower by one step. Set down 3 levels).
As described above, if the supply gas from the low temperature cylinder and the high temperature surplus gas are directly mixed, condensation easily occurs. However, before the supply gas from the low temperature cylinder and the high temperature surplus gas are mixed, the auxiliary heater By heating the supply gas at 2, it is possible to prevent and reduce condensation.
In addition, it is preferable to apply a heat insulating material to the pipe H from the auxiliary heater 2 to the valve 3 to keep the temperature of the heated supply gas constant.
Therefore, even when an auxiliary heater is used, it is possible to cause a temperature difference between the PEFC main body and the supply gas, and by forming the supply path of each supply gas in three dimensions inside the fuel cell, the PEFC5 main body Cooling is possible.

次に、加湿器4の制御方法について説明する。PEFC5本体の空気極側から排出される余剰空気は、配管に接続された湿度計によって測定され、温湿度センサ6bで信号処理される。そして、温湿度センサ6bによって信号処理されたデータは、温湿度制御装置61に送信され、基準値と比較して加湿器4の湿度の制御を行った。加湿器4の湿度の基準値の範囲は80〜95%とし、これは湿度があまり低いと水分量が少ないため電気浸透現象(水分子そのものもイオンの動きと共に動く現象)がうまくいかず発電効率が低下するためである。 Next, the control method of the humidifier 4 will be described. Excess air discharged from the air electrode side of the PEFC 5 main body is measured by a hygrometer connected to the pipe and is subjected to signal processing by the temperature / humidity sensor 6b. And the data signal-processed by the temperature / humidity sensor 6b was transmitted to the temperature / humidity control device 61, and compared with the reference value, the humidity of the humidifier 4 was controlled. The humidity reference range of the humidifier 4 is 80 to 95%. This is because the amount of water is small when the humidity is too low, so the electroosmosis phenomenon (the phenomenon that the water molecules themselves move with the movement of ions) does not work, and the power generation efficiency This is because of a decrease.

PEFC5本体の空気極から排出された余剰空気は、温湿度センサ6bで湿度を1分ごとに測定される。測定された湿度から80%を引いた値がマイナスだった場合、即ち、余剰空気の湿度が基準値の範囲より低い場合(湿度が80%以下の場合)は、湿度差の大きさに応じて加湿器4の出力を大きくする。逆に、測定された湿度から80%を引いた値が15%を超える場合は加湿器4の出力を小さくする。それ以外は、加湿器4の出力調整は行わない。 The surplus air discharged from the air electrode of the PEFC 5 main body is measured for humidity every minute by the temperature / humidity sensor 6b. When the value obtained by subtracting 80% from the measured humidity is negative, that is, when the surplus air humidity is lower than the reference value range (when the humidity is 80% or less), depending on the magnitude of the humidity difference Increase the output of the humidifier 4. Conversely, when the value obtained by subtracting 80% from the measured humidity exceeds 15%, the output of the humidifier 4 is decreased. Other than that, the output adjustment of the humidifier 4 is not performed.

湿度の制御は温度制御と同様に、測定された湿度から湿度80%を引いた値がマイナスだった場合、即ち、余剰ガスの湿度が基準値の範囲より低い場合は、湿度差の大きさに応じて加湿器の出力を大きくする。逆に、測定された湿度から80%を引いた値が15%を超える場合は加湿器の出力を小さくする。例えば、加湿器の設定を5%刻みで±4段階とする。測定された湿度が71%であった場合、加湿器の出力を2段階上げて90%とする。ここで、加湿器の設定は5%刻みであり、2.5%未満は1段階下の設定値、2.5%以上は1段階上の設定値で行う(73%の場合は補助ヒータの設定は1段階上げる)。
なお、本発明において補助ヒータや温湿度センサ等の電力を必要とする装置は、全てPEFCから供給を行った。
Similarly to the temperature control, the humidity control is negative when the value obtained by subtracting 80% of the humidity from the measured humidity is negative, that is, when the excess gas humidity is lower than the reference value range. Increase the output of the humidifier accordingly. Conversely, when the value obtained by subtracting 80% from the measured humidity exceeds 15%, the output of the humidifier is decreased. For example, the humidifier is set to ± 4 steps in 5% increments. When the measured humidity is 71%, the output of the humidifier is increased by two stages to 90%. Here, the setting of the humidifier is in increments of 5%, less than 2.5% is set at the lower setting value, and 2.5% or more is set at the upper setting value (in the case of 73%, the auxiliary heater is set). Set up one step).
In the present invention, all devices requiring electric power such as an auxiliary heater and a temperature / humidity sensor were supplied from PEFC.

以上、本発明の燃料電池発電装置を用いることにより、冷却水の循環を行わずにPEFC本体の冷却を行うことが可能であり、同時に供給ガスの加熱を行うことが可能であり、エネルギーの有効利用と補器類の削減と消費エネルギーの低減が可能となる。
また、供給ガスと余剰ガスを混合する際に2つのガスの温度差から結露が発生することがあったが、供給ガスを加熱することでこれを防止することができる。
As described above, by using the fuel cell power generation device of the present invention, it is possible to cool the PEFC main body without circulating the cooling water, and at the same time, it is possible to heat the supply gas, which is effective in energy. It is possible to reduce use, auxiliary equipment and energy consumption.
Further, when the supply gas and the surplus gas are mixed, dew condensation may occur due to the temperature difference between the two gases. This can be prevented by heating the supply gas.

本発明のPEFCの単一セル構造の概略図。Schematic of single cell structure of PEFC of the present invention. 本発明のセパレータの平面構造(a)および立体構造(b)。The planar structure (a) and three-dimensional structure (b) of the separator of the present invention. 本発明のその他のセパレータの平面構造の概略図(a)〜(c)。Schematic (a)-(c) of the planar structure of the other separator of this invention. 本発明の第1の実施形態を示すPEFC発電装置の概略図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Schematic of the PEFC power generator which shows the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態を示すPEFC発電装置の概略図。Schematic of the PEFC power generator which shows the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施形態を示す温湿度制御装置の概略図。1 is a schematic diagram of a temperature and humidity control apparatus showing an embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 水素ボンベ
2 補助ヒータ
3 バルブ
4 加湿器
5 燃料電池本体
52、53 セパレータ
523、533 供給経路
6a 温湿度センサ
7 ブロワ
8 冷却器
91 回収水タンク
92 補給水
93 回収水ポンプ
H 配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen cylinder 2 Auxiliary heater 3 Valve 4 Humidifier 5 Fuel cell main body 52, 53 Separator 523, 533 Supply path 6a Temperature / humidity sensor 7 Blower 8 Cooler 91 Recovered water tank 92 Replenished water 93 Recovered water pump H Piping

Claims (2)

供給ガスを用いて発電し、余剰のガスは外部へ排出される燃料電池発電装置において、供給ガスの供給経路を燃料電池内部において立体的に形成して、燃料電池の冷却と同時に供給ガスを加熱して燃料電池の電極部へ供給することを特徴とする燃料電池発電装置。 In a fuel cell power generator that generates power using the supplied gas and discharges excess gas to the outside, the supply gas supply path is three-dimensionally formed inside the fuel cell, and the supply gas is heated simultaneously with the cooling of the fuel cell And supplying the fuel cell to the electrode part of the fuel cell. 供給ガスと燃料電池から排出された高温の余剰のガスとを混合して再使用する際に、供給ガスを加熱することを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the supply gas is heated when the supply gas and the excess high-temperature gas discharged from the fuel cell are mixed and reused.
JP2006043068A 2006-02-20 2006-02-20 Fuel cell power generator Pending JP2007220637A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006043068A JP2007220637A (en) 2006-02-20 2006-02-20 Fuel cell power generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006043068A JP2007220637A (en) 2006-02-20 2006-02-20 Fuel cell power generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007220637A true JP2007220637A (en) 2007-08-30

Family

ID=38497656

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006043068A Pending JP2007220637A (en) 2006-02-20 2006-02-20 Fuel cell power generator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2007220637A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013152942A (en) * 2013-03-21 2013-08-08 Jx Nippon Oil & Energy Corp Fuel cell stack
US9731371B2 (en) 2014-06-19 2017-08-15 Licoln Global, Inc. Engine drive with electrode storage

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003317753A (en) * 2002-04-23 2003-11-07 Denso Corp Fuel cell system
JP2004241367A (en) * 2002-06-28 2004-08-26 Toyota Motor Corp Fuel cell
JP2004273160A (en) * 2003-03-05 2004-09-30 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell, oxidant flow distribution panel
JP2006085982A (en) * 2004-09-15 2006-03-30 Yanmar Co Ltd Cooling structure of solid oxide fuel cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003317753A (en) * 2002-04-23 2003-11-07 Denso Corp Fuel cell system
JP2004241367A (en) * 2002-06-28 2004-08-26 Toyota Motor Corp Fuel cell
JP2004273160A (en) * 2003-03-05 2004-09-30 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell, oxidant flow distribution panel
JP2006085982A (en) * 2004-09-15 2006-03-30 Yanmar Co Ltd Cooling structure of solid oxide fuel cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013152942A (en) * 2013-03-21 2013-08-08 Jx Nippon Oil & Energy Corp Fuel cell stack
US9731371B2 (en) 2014-06-19 2017-08-15 Licoln Global, Inc. Engine drive with electrode storage

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3077618B2 (en) Solid polymer electrolyte fuel cell
US8304123B2 (en) Ambient pressure fuel cell system employing partial air humidification
US6432566B1 (en) Direct antifreeze cooled fuel cell power plant
EP1176651B1 (en) Fuel cell
JP2001504980A (en) Combined self-contained heating and power supply incorporating hydrogen fuel cell, thermal power generator and catalytic burner
CA2591429A1 (en) Summer and winter mode operation of fuel cell stacks
JPH09180743A (en) Solid polymeric fuel cell
JPH06325780A (en) Fuel cell system
JPH09283162A (en) Solid high molecular fuel cell
KR20210004152A (en) Humidifier for fuel cell
JPH11242962A (en) Fuel cell device
JPH0696789A (en) Solid polymer electrolytic fuel cell system
JPH11214022A (en) Fuel cell power generating device
JP4552236B2 (en) Fuel cell device
JP2004363027A (en) Humidifying method of fuel cell and fuel cell system
KR20120009631A (en) Fuel cell system being capable of supply gas control
JP2007258020A (en) Method of shutting down solid polymer fuel cell cogeneration system
JP2007220637A (en) Fuel cell power generator
KR101134378B1 (en) Fuel cell system having improved humidification performance and driving temperature
JPH0864218A (en) Operating method for solid high polymer electrolyte fuel cell
JP2005100975A (en) Polymer electrolyte fuel cell system and its operating method
JPH0955218A (en) Fuel cell gas humidifying system and gas humidifying method
JP3399850B2 (en) Humidifying circulation device for fuel cell
JP2008027606A (en) Fuel cell system
JP2008027752A (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20081218

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20111227

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120110

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120508