JP2008130236A - Fuel cell system - Google Patents

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英嗣 伊豆原
Yuichi Sakagami
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water recovery system with small size and good mounting performance in a fuel cell system which condenses and recovers water contained in the exhaust gas from a fuel cell and supplies the recovered water to the fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system includes the fuel cell 1 which obtains electric power by reacting electrochemically an oxidizer gas and a fuel gas, a discharge passage 21 of the oxidizer gas exhausted from the fuel cell 1, a gas liquid separator 26 installed in the discharge passage 21, and a pressurizing means which increases the pressure of the oxidizer gas supplied to the gas liquid separator 26 more than the pressure of the oxidizer gas inside the fuel cell 1. Since the moisture contained in the oxidizer gas is condensed by the pressurizing means, a small-size water recovery system can be provided without using a bulky condenser as a condensing means. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator.

従来、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池システムでは、発電に伴い水が発生する。そこで、燃料電池からの排出空気に含まれる水を凝縮回収し、回収された水を燃料電池に供給して潜熱冷却を行う燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。
特開平１１−３１７２３８号公報 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and air (oxygen) is known. In the fuel cell system, water is generated with power generation. Therefore, a fuel cell system that condenses and recovers water contained in exhaust air from the fuel cell and supplies the recovered water to the fuel cell to perform latent heat cooling is known (for example, Patent Document 1).
JP-A-11-317238

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池からの排出空気に含まれる水を凝縮させるための凝縮器は、気体間での熱交換を行うため、広い放熱面積を確保する必要がある。また、凝縮器は、外気を利用して熱交換させるため、外気を利用できるように凝縮器の搭載配置を考慮する必要もある。このため、凝縮器の体格が大きくなり、また凝縮器の搭載配置の制約等があるため車両に搭載することが困難である。   However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, the condenser for condensing water contained in the air exhausted from the fuel cell performs heat exchange between the gases, so it is necessary to ensure a wide heat radiation area. is there. In addition, since the condenser uses the outside air to exchange heat, it is necessary to consider the placement of the condenser so that the outside air can be used. For this reason, the size of the condenser is increased, and it is difficult to mount the condenser on the vehicle due to restrictions on the placement of the condenser.

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池からの排出ガスに含まれる水を凝縮回収し、回収された水を燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、小型で搭載性のよい水回収システムの提供を目的とする。   In view of the above points, the present invention provides a small and easily mountable water recovery system in a fuel cell system that condenses and recovers water contained in exhaust gas from a fuel cell and supplies the recovered water to the fuel cell. With the goal.

上記目的を達成するため、本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、燃料電池（１）から排出される酸化剤ガスの排出経路（２１）と、排出経路（２１）に設けられた気液分離器（２６）と、燃料電池（１）内部における酸化剤ガスの圧力より気液分離器（２６）に供給される酸化剤ガスの圧力を高くする加圧手段とを備えることを第１の特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell (1) that obtains electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas, and a discharge path for an oxidant gas discharged from the fuel cell (1) ( 21), the gas-liquid separator (26) provided in the discharge path (21), and the oxidant gas supplied to the gas-liquid separator (26) from the pressure of the oxidant gas inside the fuel cell (1). The first feature is that it comprises a pressurizing means for increasing the pressure.

これにより、加圧手段によって酸化剤ガスの排出経路（２１）における気液分離器（２６）に供給される酸化剤ガスの圧力を、燃料電池（１）内部の酸化剤ガスの圧力よりも上昇させることができ、燃料電池（１）から排出される酸化剤ガスの体積を圧縮させることができる。酸化剤ガスの体積の圧縮により、酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮することができ、体格が小さく、搭載性のよい構成で酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮することができる。   As a result, the pressure of the oxidant gas supplied to the gas-liquid separator (26) in the discharge path (21) of the oxidant gas by the pressurizing means is increased above the pressure of the oxidant gas inside the fuel cell (1). The volume of oxidant gas discharged from the fuel cell (1) can be compressed. By compressing the volume of the oxidant gas, the moisture contained in the oxidant gas can be condensed, and the moisture contained in the oxidant gas can be condensed with a structure that is small in size and has good mountability.

また、加圧手段は、排出経路（２１）に設けられた酸化剤ガスを圧送する圧縮機（２５）を含んでいる場合、体格の大きな凝縮器を用いることなく、体格が小さく、搭載性のよい圧縮機（２５）を含む構成で酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮することができる。   Further, when the pressurizing means includes the compressor (25) for pumping the oxidant gas provided in the discharge path (21), the physique is small and the mountability is small without using a large physique. It is possible to condense moisture contained in the oxidant gas with a configuration including a good compressor (25).

また、燃料電池（１）に供給される酸化剤ガスの供給経路（２０）と、燃料電池（１）に酸化剤ガスを供給するために供給経路（２０）に設けられた圧縮機（２２）と、酸化剤ガスを燃料電池（１）をバイパスさせるバイパス経路（４０）と、供給経路（２０）におけるバイパス経路（４０）の下流側の圧力を減圧する減圧手段（４１）とを備え、バイパス経路（４０）は、供給経路（２０）における供給装置（２２）の下流側であって減圧手段の上流側と排出経路（２１）における気液分離器（２６）の上流側に接続され、加圧手段は、バイパス経路（４０）を含んでいる構成とすることができる。このような構成とした場合、加圧手段として別途圧縮機（２５）を設ける必要がなく、加圧手段としての圧縮機（２５）は燃料電池（１）に空気の供給装置とを兼ねるため、より体格が小さい構成で酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮回収することができる。   Further, a supply path (20) for the oxidant gas supplied to the fuel cell (1) and a compressor (22) provided in the supply path (20) for supplying the oxidant gas to the fuel cell (1). And a bypass path (40) for bypassing the oxidant gas to the fuel cell (1), and a pressure reducing means (41) for reducing the pressure on the downstream side of the bypass path (40) in the supply path (20). The path (40) is connected to the downstream side of the supply device (22) in the supply path (20), the upstream side of the decompression means, and the upstream side of the gas-liquid separator (26) in the discharge path (21). The pressure means may include a bypass path (40). In such a configuration, it is not necessary to provide a separate compressor (25) as the pressurizing means, and the compressor (25) as the pressurizing means also serves as an air supply device for the fuel cell (1). The moisture contained in the oxidant gas can be condensed and recovered with a smaller physique.

本発明は、気液分離器（２６）により分離される酸化剤ガスを減圧膨張させる膨張手段（２７）と、燃料電池（１）から排出され、加圧手段で加圧される前の酸化剤ガスと、膨張手段（２７）により減圧膨張された酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換器（２４）とを備えることを第２の特徴とする。   The present invention provides an expansion means (27) for decompressing and expanding the oxidant gas separated by the gas-liquid separator (26), and the oxidant before being discharged from the fuel cell (1) and pressurized by the pressure means. A second feature is that a heat exchanger (24) for exchanging heat between the gas and the oxidant gas decompressed and expanded by the expansion means (27) is provided.

これにより、膨張手段（２７）により気液分離器（２６）から分離された酸化剤ガスを減圧膨張することで低温状態にして、その低温状態の酸化剤ガスと加圧手段で加圧される前の酸化剤ガスとの温度差を利用して熱交換をすることができる。したがって、熱交換器（２４）により燃料電池（１）から排出される加圧前の酸化剤ガスを冷却することができるため、圧縮機（２５）で行う酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮を補助することができる。   Thereby, the oxidant gas separated from the gas-liquid separator (26) by the expansion means (27) is decompressed and expanded to a low temperature state, and pressurized by the low temperature oxidant gas and the pressurization means. Heat exchange can be performed using the temperature difference from the previous oxidant gas. Therefore, since the oxidant gas before pressurization discharged from the fuel cell (1) can be cooled by the heat exchanger (24), the condensation of moisture contained in the oxidant gas performed by the compressor (25) is performed. Can assist.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて図１に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池１を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。 (First embodiment)
The fuel cell system according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. In this embodiment, the fuel cell system is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the fuel cell 1 as a power source.

図１は、本第１実施形態に係る燃料電池システムの主要構成図である。図１に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。燃料電池１は、二次電池、走行用モータ、補機等の電力機器２に電力を供給するように構成されている。ここで、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素を含んだ空気が本発明の酸化剤ガスに相当する。   FIG. 1 is a main configuration diagram of the fuel cell system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell 1 that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 1 is configured to supply power to a power device 2 such as a secondary battery, a traveling motor, and an auxiliary machine. Here, hydrogen corresponds to the fuel gas of the present invention, and air containing oxygen corresponds to the oxidant gas of the present invention.

本第１実施形態では、燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、電解質膜の両側面に電極が接合されたＭＥＡと、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータから構成されるセルが複数個積層され、かつ電気的に直列接続されている。燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。   In the first embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 1, and a cell composed of an MEA having electrodes joined to both sides of the electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching the MEA is provided. A plurality of layers are stacked and electrically connected in series. In the fuel cell 1, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs, and electric energy is generated.

（水素極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１の水素極に供給される水素が通過する水素供給経路１０と、燃料電池１の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路１１が設けられている。水素供給経路１０の最上流部には、燃料電池１の水素極に水素を供給するための水素供給装置１２が設けられている。本実施形態では、水素供給装置１２として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。また、水素供給経路１０には、図示を省略しているが、水素供給装置１２を開閉する開閉弁、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整するレギュレータ等が設けられている。 (Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
The fuel cell system is provided with a hydrogen supply path 10 through which hydrogen supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell 1 passes and a hydrogen discharge path 11 through which hydrogen electrode side exhaust gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell 1 passes. ing. A hydrogen supply device 12 for supplying hydrogen to the hydrogen electrode of the fuel cell 1 is provided at the most upstream portion of the hydrogen supply path 10. In the present embodiment, a hydrogen tank filled with high-pressure hydrogen is used as the hydrogen supply device 12. Although not shown, the hydrogen supply path 10 is provided with an open / close valve that opens and closes the hydrogen supply device 12, a regulator that adjusts the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 1, and the like.

水素排出経路１１は、燃料電池１から排出される未反応水素を含む水素極側排出ガスを燃料電池１に再循環させるための水素循環経路となっている。水素循環経路には、水素極側排出ガスを循環させるための水素循環ポンプ１３が設けられている。   The hydrogen discharge path 11 is a hydrogen circulation path for recirculating hydrogen electrode side exhaust gas containing unreacted hydrogen discharged from the fuel cell 1 to the fuel cell 1. The hydrogen circulation path is provided with a hydrogen circulation pump 13 for circulating the hydrogen electrode side exhaust gas.

燃料電池システムには、燃料電池１の空気極（酸素極）に供給される空気が通過する空気供給経路２０と、燃料電池１の空気極から排出される空気極側排出ガスが通過する空気排出経路２１が設けられている。空気供給経路２０には、空気を供給するための空気供給装置２２が設けられている。   The fuel cell system includes an air supply path 20 through which air supplied to an air electrode (oxygen electrode) of the fuel cell 1 passes, and an air discharge through which air electrode side exhaust gas discharged from the air electrode of the fuel cell 1 passes. A path 21 is provided. The air supply path 20 is provided with an air supply device 22 for supplying air.

本実施形態では、空気供給装置２２として空気圧縮機を用いている。空気供給装置２２は圧縮機用モータと機械的に接続されている。空気排出経路２１には、所望の圧力になるよう空気の排出圧力を調整する背圧調圧装置２３が設けられている。   In the present embodiment, an air compressor is used as the air supply device 22. The air supply device 22 is mechanically connected to a compressor motor. The air discharge path 21 is provided with a back pressure regulating device 23 that adjusts the air discharge pressure so as to obtain a desired pressure.

燃料電池１は発電の際、上記電気化学反応により熱が発生する発熱体である。燃料電池１は発電効率確保のために運転中一定温度に維持する必要がある。また、燃料電池１内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されるため、燃料電池１の温度を許容温度以下に保持する必要がある。   The fuel cell 1 is a heating element that generates heat by the electrochemical reaction during power generation. The fuel cell 1 needs to be maintained at a constant temperature during operation to ensure power generation efficiency. Moreover, since the electrolyte membrane inside the fuel cell 1 exceeds the predetermined allowable upper limit temperature and is destroyed by the high temperature, it is necessary to keep the temperature of the fuel cell 1 below the allowable temperature.

そのため、燃料電池システムは、空気排出経路２１に燃料電池１から排出される空気（空気極側排出ガス）に含まれる水分を回収する水回収システムが設けられ、水回収システムにより回収された水を燃料電池１に供給し潜熱冷却を行う。   Therefore, the fuel cell system is provided with a water recovery system that recovers moisture contained in the air (air electrode side exhaust gas) discharged from the fuel cell 1 in the air discharge path 21, and the water recovered by the water recovery system is used. The fuel cell 1 is supplied to perform latent heat cooling.

水回収システムは、燃料電池１の排出空気に含まれる水分を圧縮して凝縮させる圧縮機２５、圧縮機２５により凝縮された水を空気と分離する気液分離器２６、気液分離器２６により分離された水を貯蔵する水回収タンク２８、気液分離器２６により分離された空気を減圧膨張させる膨張弁２７、膨張により低温状態の空気（冷媒）と圧縮機２５で加圧される前の排出空気とを熱交換させる熱交換器２４を備えている。ここで、本実施形態の圧縮機２５と膨張弁２７の構成は、本発明の加圧手段に該当する。   The water recovery system includes a compressor 25 that compresses and condenses moisture contained in the exhausted air of the fuel cell 1, a gas-liquid separator 26 that separates water condensed by the compressor 25 from air, and a gas-liquid separator 26. A water recovery tank 28 that stores the separated water, an expansion valve 27 that decompresses and expands the air separated by the gas-liquid separator 26, and air before being pressurized by the compressor 25 and air in a low temperature state due to expansion. A heat exchanger 24 for exchanging heat with the exhaust air is provided. Here, the structure of the compressor 25 and the expansion valve 27 of this embodiment corresponds to the pressurizing means of the present invention.

気液分離器２６は、空気排出経路２１における圧縮機２５の下流側に設けられている。膨張弁２７は、空気排出経路２１における気液分離器２６の下流側に設けられている。圧縮機２５で加圧された空気は、膨張弁で減圧膨張され、低温状態の空気となる。ここで、膨張弁２７は、圧縮機２５で加圧された空気が所望の圧力（例えば、２００ｋＰａ・ａｂｓ）となるよう空気の排出圧力を調整する調圧手段としての機能を兼ねている。   The gas-liquid separator 26 is provided on the downstream side of the compressor 25 in the air discharge path 21. The expansion valve 27 is provided on the downstream side of the gas-liquid separator 26 in the air discharge path 21. The air pressurized by the compressor 25 is decompressed and expanded by the expansion valve, and becomes low-temperature air. Here, the expansion valve 27 also functions as a pressure adjusting unit that adjusts the air discharge pressure so that the air pressurized by the compressor 25 becomes a desired pressure (for example, 200 kPa · abs).

熱交換器２４は、空気排出経路２１における圧縮機２５の上流側の高温空気と気液分離器２６の下流側の低温空気とを熱交換するように配置されている。ここで、熱交換器２４は、フィンチューブ式等の熱交換器を用いることができる。   The heat exchanger 24 is arranged so as to exchange heat between the high-temperature air upstream of the compressor 25 and the low-temperature air downstream of the gas-liquid separator 26 in the air discharge path 21. Here, the heat exchanger 24 may be a fin tube type heat exchanger.

また、水回収システムの水回収タンク２８には、貯蔵された水を燃料電池１に供給するための水供給配管３０が接続され、水供給配管３０には通過する水を供給させる水供給ポンプ３１が設けられている。ここで、水供給ポンプ３１は、図示しない水供給ポンプ用モータを回転させることにより水供給ポンプ３１を回転させて水供給配管３０を介して燃料電池１に水回収タンク２８内の水を供給する。   A water supply pipe 30 for supplying the stored water to the fuel cell 1 is connected to the water recovery tank 28 of the water recovery system, and a water supply pump 31 that supplies water to the water supply pipe 30 is supplied. Is provided. Here, the water supply pump 31 rotates the water supply pump 31 by rotating a water supply pump motor (not shown) to supply the water in the water recovery tank 28 to the fuel cell 1 via the water supply pipe 30. .

燃料電池システムには、各種制御を行う制御手段としての制御部（ＥＣＵ）が設けられている。制御部は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。   The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) as control means for performing various controls. The control unit is configured by a known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, an I / O, and the like, and executes processing such as various calculations according to a program stored in the ROM.

上記構成の燃料電池システムでは、空気供給経路２０および水素供給経路１０から燃料電池１に空気および水素が供給されることで、燃料電池１では発電が行われる。燃料電池１の発電に伴い燃料電池１の空気極側では生成水が発生し、この生成水は、空気（空気極側排出ガス）に含まれる状態で燃料電池１から排出される。   In the fuel cell system configured as described above, the fuel cell 1 generates power by supplying air and hydrogen from the air supply path 20 and the hydrogen supply path 10 to the fuel cell 1. Along with the power generation of the fuel cell 1, generated water is generated on the air electrode side of the fuel cell 1, and this generated water is discharged from the fuel cell 1 in a state of being contained in the air (air electrode side exhaust gas).

燃料電池１から排出される空気は、熱交換器２４を介して冷却され、降温（例えば、９０℃から８０℃に降温）されるため、排出空気に含まれる水分は凝縮しやすくなる。その後、排出空気に含まれる水分は、空気排出経路２１に設けられた圧縮機２５で燃料電池１の空気極側の圧力（例えば、１４０ｋＰａ・ａｂｓ）よりも高い圧力（例えば、２００ｋＰａ・ａｂｓ）まで加圧される。圧縮機２５の加圧による排出空気に含まれる水分の体積が減少することにより、排出空気に含まれる水分は凝縮し液滴となる。   Since the air discharged from the fuel cell 1 is cooled via the heat exchanger 24 and the temperature is lowered (for example, the temperature is lowered from 90 ° C. to 80 ° C.), the moisture contained in the discharged air is easily condensed. Thereafter, the moisture contained in the exhausted air reaches a pressure (for example, 200 kPa · abs) higher than the pressure (for example, 140 kPa · abs) on the air electrode side of the fuel cell 1 by the compressor 25 provided in the air discharge path 21. Pressurized. When the volume of the moisture contained in the exhaust air due to the pressurization of the compressor 25 is reduced, the moisture contained in the exhaust air is condensed into droplets.

圧縮機２５によって凝縮された液滴は、気液分離器２６で空気から分離される。気液分離器２６により分離された水は水回収タンク２８に貯蔵される。水回収タンク２８に貯蔵される水は、水供給ポンプ３１により水供給配管３０を介して燃料電池１に供給される。   The droplets condensed by the compressor 25 are separated from the air by the gas-liquid separator 26. The water separated by the gas / liquid separator 26 is stored in a water recovery tank 28. Water stored in the water recovery tank 28 is supplied to the fuel cell 1 by the water supply pump 31 via the water supply pipe 30.

気液分離器２６で分離された排出空気は、圧縮機２５により圧縮され凝縮するため、凝縮の際に発生する凝縮熱により昇温される（例えば、８０℃から８５℃に昇温）。気液分離器２６で分離された空気は、気液分離器２６下流の空気排出経路２１に設けられた膨張弁２７により、減圧膨張される。膨張弁２７により減圧膨張された空気は降温される（例えば、８５℃から６０℃に降温）。   Since the exhaust air separated by the gas-liquid separator 26 is compressed and condensed by the compressor 25, the temperature is raised by the condensation heat generated during the condensation (for example, the temperature is raised from 80 ° C. to 85 ° C.). The air separated by the gas-liquid separator 26 is decompressed and expanded by an expansion valve 27 provided in the air discharge path 21 downstream of the gas-liquid separator 26. The air decompressed and expanded by the expansion valve 27 is cooled (for example, the temperature is decreased from 85 ° C. to 60 ° C.).

低温状態となった空気は、空気排出経路２１における気液分離器２６の下流側の熱交換器２４により、燃料電池１から排出される空気であって圧縮機２５による加圧前の空気と熱交換される。熱交換器２４を通過した空気は、空気排出経路２１を介して外部に排出される。   The air in a low temperature state is air discharged from the fuel cell 1 by the heat exchanger 24 on the downstream side of the gas-liquid separator 26 in the air discharge path 21, and air and heat before being compressed by the compressor 25. Exchanged. The air that has passed through the heat exchanger 24 is discharged to the outside through the air discharge path 21.

以上のように、空気排出経路２１に設けられた圧縮機２５により燃料電池１からの排出空気の体積を圧縮することで、排出空気に含まれる水分を凝縮することができ、広い放熱面積が必要とされる凝縮器（気体間で熱交換を行う熱交換器）を用いることなく、体格が小さい構成で酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮回収することができる。   As described above, by compressing the volume of the exhaust air from the fuel cell 1 by the compressor 25 provided in the air exhaust path 21, moisture contained in the exhaust air can be condensed, and a large heat radiation area is required. Without using a condenser (heat exchanger that exchanges heat between gases), moisture contained in the oxidant gas can be condensed and recovered with a small physique.

また、空気排出経路２１に設けられた膨張弁２７により、気液分離器２６から分離された排出空気を減圧膨張することで低温状態にすることができる。さらに、空気排出経路２１に設けられた熱交換器２４により、その低温状態の空気と圧縮機２５で加圧される前の空気との温度差を利用して熱交換をすることができる。これにより、圧縮機２５で排出空気に含まれる水分の凝縮を補助することができ、燃料電池システムのエネルギ効率を高めることができる。   Further, the expansion valve 27 provided in the air discharge path 21 can be brought into a low temperature state by decompressing and expanding the discharged air separated from the gas-liquid separator 26. Furthermore, the heat exchanger 24 provided in the air discharge path 21 can perform heat exchange using a temperature difference between the low-temperature air and the air before being pressurized by the compressor 25. Thereby, condensation of the water | moisture content contained in exhaust air with the compressor 25 can be assisted, and the energy efficiency of a fuel cell system can be improved.

また、燃料電池１に供給する水の回収状況にあわせて圧縮機２２の駆動を制御することができる。   Further, the drive of the compressor 22 can be controlled in accordance with the state of recovery of the water supplied to the fuel cell 1.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, only parts different from the first embodiment will be described.

図２は、本第２実施形態に係る燃料電池システムの主要構成図である。図２に示すように、燃料電池システムには、燃料電池１の空気極（酸素極）に供給される空気が通過する空気供給経路２０と、燃料電池１の空気極から排出される空気極側排出ガスが通過する空気排出経路２１が設けられている。   FIG. 2 is a main configuration diagram of the fuel cell system according to the second embodiment. As shown in FIG. 2, the fuel cell system includes an air supply path 20 through which air supplied to an air electrode (oxygen electrode) of the fuel cell 1 passes, and an air electrode side discharged from the air electrode of the fuel cell 1. An air discharge path 21 through which the exhaust gas passes is provided.

空気供給経路２０には、空気を供給しするための空気供給装置２２、空気供給装置２２の下流側にバイパス経路４０が分岐して設けられている。ここで、空気供給装置２２は、空気の供給のみならず空気を圧縮し高圧状態にする圧縮機として作動する。バイパス経路４０は、空気供給経路２０における空気供給装置２２の下流側であって減圧手段４１の上流側と、空気排出経路２１における熱交換器２４の下流側であって気液分離器２６の上流側とを接続している。   In the air supply path 20, an air supply apparatus 22 for supplying air and a bypass path 40 are branched from the downstream side of the air supply apparatus 22. Here, the air supply device 22 operates not only as a supply of air but also as a compressor that compresses air to bring it into a high pressure state. The bypass path 40 is downstream of the air supply device 22 in the air supply path 20 and upstream of the decompression means 41, and is downstream of the heat exchanger 24 and upstream of the gas-liquid separator 26 in the air discharge path 21. Is connected to the side.

これにより、空気供給経路２０に設けられた空気供給装置２２で圧縮され高圧状態の空気が、バイパス経路４０を介して空気排出経路２１における熱交換器２４の下流側に導入される。本実施形態における空気供給装置２２、バイパス経路４０、膨張弁２７の構成は、本発明の加圧手段に該当する。   As a result, the high-pressure air compressed by the air supply device 22 provided in the air supply path 20 is introduced to the downstream side of the heat exchanger 24 in the air discharge path 21 via the bypass path 40. The configurations of the air supply device 22, the bypass path 40, and the expansion valve 27 in the present embodiment correspond to the pressurizing means of the present invention.

空気供給経路２０には、バイパス経路４０との接続部の下流側に減圧手段４１である減圧弁４１が設けられている。ここで、減圧弁４１は、燃料電池１に供給される空気の圧力を所定圧力（例えば、１４０ｋＰａ・ａｂｓ）まで減圧する。   In the air supply path 20, a pressure reducing valve 41 that is a pressure reducing means 41 is provided on the downstream side of the connecting portion with the bypass path 40. Here, the pressure reducing valve 41 reduces the pressure of the air supplied to the fuel cell 1 to a predetermined pressure (for example, 140 kPa · abs).

上記構成の燃料電池システムでは、空気供給経路２０および水素供給経路１０から燃料電池１に空気および水素が供給されることで、燃料電池１では発電が行われる。ここで、本実施形態では、空気供給経路２０に設けられた空気供給装置２２により、高圧状態となった空気は、減圧手段４１を介して所定圧力まで減圧され燃料電池１に供給される。   In the fuel cell system configured as described above, the fuel cell 1 generates power by supplying air and hydrogen from the air supply path 20 and the hydrogen supply path 10 to the fuel cell 1. Here, in the present embodiment, the air that has been in a high pressure state by the air supply device 22 provided in the air supply path 20 is decompressed to a predetermined pressure via the decompression means 41 and is supplied to the fuel cell 1.

また、高圧状態となった空気は、空気供給経路２０における空気供給装置２２の下流側に設けられたバイパス経路４０を介して、空気排出経路２１に供給される。燃料電池１の発電に伴い燃料電池１の空気極側では生成水が発生し、この生成水は、空気極側排出ガスに含まれる状態で燃料電池１から排出される。   Further, the air in a high pressure state is supplied to the air discharge path 21 via the bypass path 40 provided on the downstream side of the air supply device 22 in the air supply path 20. Along with the power generation of the fuel cell 1, generated water is generated on the air electrode side of the fuel cell 1, and this generated water is discharged from the fuel cell 1 in a state of being included in the air electrode side exhaust gas.

燃料電池１から排出される空気（空気極側排出ガス）に含まれる水分は、熱交換器２４による冷却により、降温（例えば、９０℃から８０℃に降温）され凝縮しやすくなる。その後、空気に含まれる水分は、空気排出経路２１に設けられたバイパス経路４０から、高圧状態となった空気が導入されることにより加圧され、燃料電池１から排出される空気に含まれる水分の体積が減少することにより、水分は凝縮し液滴となる。   Moisture contained in the air (air electrode side exhaust gas) discharged from the fuel cell 1 is cooled by the heat exchanger 24 (for example, the temperature is decreased from 90 ° C. to 80 ° C.) and is easily condensed. Thereafter, the moisture contained in the air is pressurized by introduction of the air in a high pressure state from the bypass passage 40 provided in the air discharge passage 21, and the moisture contained in the air discharged from the fuel cell 1. As the volume of the water decreases, the water condenses into droplets.

以上のように、空気供給経路２０に設けられた空気供給装置２２から圧力を導入する加圧手段により、体格の大きな凝縮器および第１実施形態のように別途圧縮機２５を設ける必要がないため、酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮をさらに小型な構成で実現することができる。   As described above, the pressurizing means for introducing pressure from the air supply device 22 provided in the air supply path 20 eliminates the need for providing a large-sized condenser and a separate compressor 25 unlike the first embodiment. Further, condensation of moisture contained in the oxidant gas can be realized with a more compact configuration.

また、燃料電池１に供給する水の回収状況にあわせて、供給される空気を圧送する圧縮機である空気供給装置２２の駆動を制御することができる。   Further, the driving of the air supply device 22 that is a compressor that pumps the supplied air can be controlled in accordance with the state of recovery of the water supplied to the fuel cell 1.

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、気液分離器２６により分離された水を燃料電池１に供給し潜熱冷却を行ったが、これに限らず、気液分離器２６により分離された水を燃料電池１の電解質膜を加湿するために利用してもよい。 (Other embodiments)
In each of the above embodiments, the water separated by the gas-liquid separator 26 is supplied to the fuel cell 1 and the latent heat cooling is performed. However, the present invention is not limited to this, and the water separated by the gas-liquid separator 26 is changed to the fuel cell. One electrolyte membrane may be used for humidification.

上記第１実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。It is a principal block diagram of the fuel cell system of the said 1st Embodiment. 上記第２実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。It is a principal block diagram of the fuel cell system of the said 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池、１０…水素供給経路、１１…水素排出経路、１２…水素供給装置、１３…水素循環ポンプ、２０…空気供給経路、２１…空気排出経路、２２…空気供給装置、２３…背圧調整装置、２４…熱交換器、２５…圧縮機、２６…気液分離器、２７…膨張弁、２８…水回収タンク、３０…水供給配管、３１…水供給ポンプ、４０…バイパス経路、４１…減圧弁。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 10 ... Hydrogen supply path, 11 ... Hydrogen discharge path, 12 ... Hydrogen supply apparatus, 13 ... Hydrogen circulation pump, 20 ... Air supply path, 21 ... Air discharge path, 22 ... Air supply apparatus, 23 ... Back Pressure regulator, 24 ... Heat exchanger, 25 ... Compressor, 26 ... Gas-liquid separator, 27 ... Expansion valve, 28 ... Water recovery tank, 30 ... Water supply pipe, 31 ... Water supply pump, 40 ... Bypass path, 41 ... Pressure reducing valve.

Claims (4)

酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）から排出される前記酸化剤ガスの排出経路（２１）と、
前記排出経路（２１）に設けられた気液分離器（２６）と、
前記燃料電池（１）内部における前記酸化剤ガスの圧力より前記気液分離器（２６）に供給される前記酸化剤ガスの圧力を高くする加圧手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (1) for obtaining electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas;
A discharge path (21) for the oxidant gas discharged from the fuel cell (1);
A gas-liquid separator (26) provided in the discharge path (21);
Pressurizing means for increasing the pressure of the oxidant gas supplied to the gas-liquid separator (26) from the pressure of the oxidant gas inside the fuel cell (1);
A fuel cell system comprising: 前記加圧手段は、前記排出経路（２１）に設けられた前記酸化剤ガスを圧送する圧縮機（２５）を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressurizing unit includes a compressor (25) that pumps the oxidant gas provided in the discharge path (21). 3. 前記燃料電池（１）に供給される前記酸化剤ガスの供給経路（２０）と、
前記燃料電池（１）に前記酸化剤ガスを供給するために前記供給経路（２０）に設けられた圧縮機（２２）と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池（１）をバイパスさせるバイパス経路（４０）と、
前記供給経路（２０）におけるバイパス経路（４０）の下流側の圧力を減圧する減圧手段（４１）とを備え、
前記バイパス経路（４０）は、前記供給経路（２０）における前記供給装置（２２）の下流側であって前記減圧手段の上流側と前記排出経路（２１）における前記気液分離器（２６）の上流側に接続され、
前記加圧手段は、前記バイパス経路（４０）を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 A supply path (20) for the oxidant gas supplied to the fuel cell (1);
A compressor (22) provided in the supply path (20) for supplying the oxidant gas to the fuel cell (1);
A bypass path (40) for bypassing the oxidant gas to the fuel cell (1);
Pressure reducing means (41) for reducing the pressure on the downstream side of the bypass path (40) in the supply path (20),
The bypass path (40) is downstream of the supply device (22) in the supply path (20) and upstream of the decompression means and the gas-liquid separator (26) in the discharge path (21). Connected upstream,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressurizing means includes the bypass path (40). 前記気液分離器（２６）により分離される前記酸化剤ガスを減圧膨張させる膨張手段（２７）と、
前記燃料電池（１）から排出され、前記加圧手段で加圧される前の前記酸化剤ガスと、前記膨張手段（２７）により減圧膨張された前記酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換器（２４）と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 Expansion means (27) for decompressing and expanding the oxidant gas separated by the gas-liquid separator (26);
A heat exchanger for exchanging heat between the oxidant gas discharged from the fuel cell (1) and pressurized by the pressurizing means and the oxidant gas decompressed and expanded by the expansion means (27) (24) and
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107799789A (en) * 2016-09-05 2018-03-13 北京晟泽科技有限公司 A kind of unmanned plane fuel cell reaction water management system
JP2020043017A (en) * 2018-09-12 2020-03-19 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP2020198180A (en) * 2019-05-31 2020-12-10 本田技研工業株式会社 Fuel cell system

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107799789A (en) * 2016-09-05 2018-03-13 北京晟泽科技有限公司 A kind of unmanned plane fuel cell reaction water management system
JP2020043017A (en) * 2018-09-12 2020-03-19 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP7087866B2 (en) 2018-09-12 2022-06-21 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP2020198180A (en) * 2019-05-31 2020-12-10 本田技研工業株式会社 Fuel cell system

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