JP2008234991A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform optimum moisture removal in accordance with an operation mode when circulating fuel off-gas. <P>SOLUTION: This fuel cell system is to remove moisture of fuel off-gas exhausted from a fuel cell 20. A pipe 54 to connect a shut-off valve 52 and a gas-liquid separator 53 is provided and a bypass route 56 is connected to both ends of the pipe 54 in a circulation passage 51, a three way valve 55 is provided in the pipe 54, a heat exchanger 57 is provided in the bypass route 56, the three way valve 55 selects the pipe 54 in a normal operation mode to feed the fuel off-gas to the gas-liquid separator 53 from the fuel cell 20 as it is, the three way valve 55 selects the bypass route 56 in a scavenging operation mode to cool the fuel off-gas exhausted from the fuel cell 20 by cooling water from a cooling system in the heat exchanger 57 and to feed cooled fuel off-gas to the gas-liquid separator 53, and humidity removing ability in the scavenging operation mode is thereby heightened. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料オフガスの排気処理技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and in particular, to an exhaust gas treatment technology for fuel off gas.

従来、燃料電池のアノード側から排気される燃料オフガスをポンプなどの加圧手段で加圧して、新規の燃料ガスと合流させ、再び燃料電池に供給するに際して、燃料オフガスの循環経路のうち燃料電池の燃料オフガス出口に熱交換器を設け、この熱交換器で燃料電池の冷却系統の冷却液(冷却水)と熱交換を行って、燃料オフガスの温度を低下させ、燃料オフガスに含まれる水分を凝縮した後、燃料オフガスに含まれる水分を気液分離器で回収して除去するようにした燃料電池システムが提案されている(特許文献1参照)。この燃料電池システムによれば、燃料オフガスを循環させる際に、冷却系統の冷媒との熱交換により燃料オフガスの温度を低下させることで、加圧手段に対して、温度の低下により充填効率の上がった燃料オフガスが供給されるため、加圧手段は、高温のまま加圧する場合に比べて少ない動力で必要な燃料を循環させることが可能になる。
その他、特開2002−313383号公報(特許文献2)や特開平11−111315号公報(特許文献3)にも、排気ガス中の水分除去に関する発明が開示されている。
Conventionally, when fuel off-gas exhausted from the anode side of a fuel cell is pressurized by a pressurizing means such as a pump, merged with new fuel gas, and supplied again to the fuel cell, the fuel cell in the circulation path of the fuel off-gas A heat exchanger is provided at the fuel off-gas outlet of the fuel, and heat exchange with the coolant (cooling water) of the cooling system of the fuel cell is performed with this heat exchanger to lower the temperature of the fuel off-gas, and to remove moisture contained in the fuel off-gas. There has been proposed a fuel cell system in which water contained in fuel off-gas is collected and removed by a gas-liquid separator after condensation (see Patent Document 1). According to this fuel cell system, when the fuel off-gas is circulated, the temperature of the fuel off-gas is lowered by heat exchange with the refrigerant of the cooling system, so that the charging efficiency is increased due to the decrease in temperature with respect to the pressurizing means. Since the fuel off-gas is supplied, the pressurizing means can circulate the required fuel with less power than when pressurizing at a high temperature.
In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-313383 (Patent Document 2) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-111315 (Patent Document 3) also disclose inventions related to removal of moisture in exhaust gas.

特開2005−235462号公報JP 2005-235462 A 特開2002−313383号公報JP 2002-313383 A 特開平11−111315号公報JP-A-11-111315

燃料電池システムにおける通常の発電モードでは、燃料オフガス(排気ガス)の循環経路には飽和水蒸気が循環しており、燃料電池の電解質膜、アノード極側の湿度管理としては、気液分離器で液体成分を取り除く程度で十分であり、それ以上液体成分を取り除くと乾燥しすぎることになる。一方、掃気運転モードでは、気液分離器で液体成分を取り除くだけでは飽和水蒸気を乾燥させるには十分ではなく、燃料オフガスの循環経路における湿度を更に下げる必要がある。   In the normal power generation mode of the fuel cell system, saturated water vapor circulates in the circulation path of the fuel off-gas (exhaust gas). For the humidity control on the electrolyte membrane and anode side of the fuel cell, the gas is separated by a gas-liquid separator. It is sufficient to remove the components, and removing any more liquid components will result in excessive drying. On the other hand, in the scavenging operation mode, it is not sufficient to dry the saturated water vapor only by removing the liquid component with the gas-liquid separator, and it is necessary to further reduce the humidity in the circulation path of the fuel off gas.

ところが、特許文献1等に記載されている燃料電池システムでは、冷却液ポンプが動作すると常に水蒸気の凝結が始まるが、冷却ポンプを駆動して、燃料電池を冷却したいタイミングと、燃料オフガスの循環経路を除湿したいタイミングとを合わせることについては配慮されていない。   However, in the fuel cell system described in Patent Document 1 and the like, condensation of water vapor always starts when the coolant pump operates. However, when the coolant pump is driven to cool the fuel cell, and the circulation path of the fuel off gas No consideration is given to the timing of dehumidification.

そこで、本発明は、燃料オフガスを循環させる際に、運転モードに応じて最適な水分除去を行うことを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to perform optimum water removal according to the operation mode when circulating the fuel off gas.

前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から排気された燃料オフガスの水分を除去する燃料電池システムであって、該燃料電池が掃気運転モードである場合に、該燃料電池が該掃気運転モード以外の運転モードである場合よりも湿度除去能力を高めることが可能に構成されている。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system that removes moisture from a fuel off-gas exhausted from a fuel cell, and when the fuel cell is in a scavenging operation mode, The fuel cell is configured to be able to enhance the humidity removal capability as compared with a case where the fuel cell is in an operation mode other than the scavenging operation mode.

すなわち、燃料電池から排気された燃料オフガスの水分を、例えば、気液分離器で除去するに際して、燃料電池が掃気運転モード以外の運転モードである場合には、燃料オフガスの循環経路には飽和水蒸気が循環しており、燃料オフガスに含まれる水分を気液分離器で除去するだけで、燃料電池の電解質膜、アノード極側の湿度管理としては十分である。ところが、燃料電池が掃気運転モードである場合には、燃料オフガスに含まれる水分を気液分離器で除去するだけでは飽和水蒸気が乾燥しにくく、湿度を下げるには十分ではない。   That is, when the moisture of the fuel off-gas exhausted from the fuel cell is removed by, for example, a gas-liquid separator, when the fuel cell is in an operation mode other than the scavenging operation mode, Therefore, simply removing the water contained in the fuel off-gas with a gas-liquid separator is sufficient for humidity control on the electrolyte membrane and anode side of the fuel cell. However, when the fuel cell is in the scavenging operation mode, simply removing the water contained in the fuel off-gas with the gas-liquid separator is difficult to dry the saturated water vapor, and is not sufficient to lower the humidity.

そこで、燃料オフガスに含まれる水分を除去するための能力を運転モードに応じて切換えることとし、掃気運転モードの場合、燃料オフガスの循環経路における湿度除去能力を他の運転モードのときよりも高めることで、最適な水分除去が可能になる。   Therefore, the ability to remove the moisture contained in the fuel off-gas is switched according to the operation mode, and in the scavenging operation mode, the humidity removal ability in the circulation path of the fuel off-gas is higher than in other operation modes. Thus, it is possible to remove water optimally.

燃料電池が掃気運転モードである場合に、燃料電池が掃気運転モード以外の運転モードである場合よりも湿度除去能力を高めるに際しては、燃料オフガスの循環経路に以下の要素を設けることが望ましい。   When the fuel cell is in the scavenging operation mode, it is desirable to provide the following elements in the fuel off-gas circulation path in order to increase the humidity removal capability as compared to when the fuel cell is in an operation mode other than the scavenging operation mode.

好適には、前記燃料電池から排気された燃料オフガスを流通させる配管と、両端が該配管に接続されたバイパス経路と、該バイパス経路に設けられた冷却装置と、該配管と該バイパス経路との2つの接続部のうち上流側の接続部に設けられた経路切換器と、を備えている。   Preferably, a pipe for circulating the fuel off gas exhausted from the fuel cell, a bypass path having both ends connected to the pipe, a cooling device provided in the bypass path, and the pipe and the bypass path And a path switch provided at the upstream connection portion of the two connection portions.

係る構成によれば、経路切換器を配管側に切換えたときには、燃料電池から排気された燃料オフガスを、配管を介して流通させることができ、経路切換器によってバイパス経路側に切換えたときには、燃料電池から排気された燃料オフガスをバイパス経路に導入し、バイパス経路に設けられた冷却装置によって燃料オフガスを冷却し、燃料オフガスに含まれる水分を除去し、湿度除去能力を高めることができる。   According to such a configuration, when the path switching device is switched to the piping side, the fuel off-gas exhausted from the fuel cell can be circulated through the piping, and when the path switching device is switched to the bypass path side, The fuel off-gas exhausted from the battery can be introduced into the bypass path, the fuel off-gas can be cooled by the cooling device provided in the bypass path, the water contained in the fuel off-gas can be removed, and the humidity removal capability can be enhanced.

好適には、前記経路切換器は、前記燃料電池が掃気運転モードである場合に前記燃料オフガスを前記バイパス経路に流通させるように切換えられる。   Preferably, the path switching unit is switched so that the fuel off-gas flows through the bypass path when the fuel cell is in the scavenging operation mode.

係る構成によれば、燃料電池が掃気運転モード以外の運転モードである場合には、経路切換器を配管側に切換え、燃料電池から排気された燃料オフガスを、配管を介して流通させ、燃料電池が掃気運転モードになったときには、経路切換器によってバイパス経路側に切換え、燃料電池から排気された燃料オフガスをバイパス経路に導入し、バイパス経路に設けられた冷却装置によって燃料オフガスを冷却し、燃料オフガスに含まれる水分を除去することで、掃気運転モードにおける湿度除去能力を高めることができる。   According to such a configuration, when the fuel cell is in an operation mode other than the scavenging operation mode, the path switching device is switched to the pipe side, and the fuel off-gas exhausted from the fuel cell is circulated through the pipe, so that the fuel cell Is switched to the bypass path side by the path switching device, the fuel off-gas exhausted from the fuel cell is introduced into the bypass path, the fuel off-gas is cooled by the cooling device provided in the bypass path, By removing the moisture contained in the off gas, the humidity removal capability in the scavenging operation mode can be enhanced.

好適には、前記冷却装置は、前記燃料電池の冷却液が循環する熱交換器であり、前記冷却装置の駆動時には、該冷却液が強制循環される。   Preferably, the cooling device is a heat exchanger through which the coolant of the fuel cell circulates, and the coolant is forcibly circulated when the cooling device is driven.

係る構成によれば、冷却装置の駆動時には冷却液が強制循環されるため、燃料電池が掃気運転モードである場合、燃料オフガスと冷却液とを強制的に熱交換させることで、燃料オフガスの循環経路における湿度除去能力を高めることができる。   According to such a configuration, since the coolant is forcedly circulated when the cooling device is driven, when the fuel cell is in the scavenging operation mode, the fuel offgas and the coolant are forced to exchange heat, thereby circulating the fuel offgas. The humidity removal capability in the path can be increased.

好適には、冷却装置は急速冷却器である。
係る構成によれば、燃料電池が掃気運転モードである場合には、燃料電池から排気された燃料オフガスが急速冷却器によって急速に冷却されるため、燃料オフガスの循環経路における湿度除去能力を迅速に高めることができる。
Preferably the cooling device is a rapid cooler.
According to such a configuration, when the fuel cell is in the scavenging operation mode, the fuel off-gas exhausted from the fuel cell is rapidly cooled by the rapid cooler, so that the humidity removal capability in the circulation path of the fuel off-gas is quickly increased. Can be increased.

前記経路切換器や冷却装置を駆動するに際しては、例えば、マイクロコンピュータで構成された制御部によって、燃料電池が掃気運転モードであるか、あるいはそれ以外の運転モードであるかを判定し、この判定結果にしたがって経路切換器や冷却装置の駆動を制御部が制御することで、経路切換器や冷却装置を運転モードに応じて自動的に制御することができる。   When driving the path switch and the cooling device, for example, a control unit configured by a microcomputer determines whether the fuel cell is in a scavenging operation mode or other operation modes, and this determination The control unit controls the driving of the path switching device and the cooling device according to the result, so that the path switching device and the cooling device can be automatically controlled according to the operation mode.

本発明によれば、燃料オフガスを循環させるに際に、燃料オフガスの循環経路における水分除去能力を運転モードに応じて最適な状態にすることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when circulating a fuel off gas, the water | moisture-content removal capacity in the circulation path | route of a fuel off gas can be made into the optimal state according to an operation mode.

以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
まず、実施例に先立って、燃料電池電気自動車に搭載される燃料電池システムの概略構成を図3にしたがって説明する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, prior to the embodiment, a schematic configuration of a fuel cell system mounted on a fuel cell electric vehicle will be described with reference to FIG.

燃料電池システム10は、主に、燃料ガス供給装置40、酸化ガス供給装置73、燃料電池20、制御部80を備えて構成されている。燃料ガスは、例えば水素ガスであり、酸化ガスは、例えば空気である。制御部80は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成されており、アクセルセンサ84によって検出されたアクセル開度から燃料電池20の要求発電量を求め、所望の発電量が得られるように、燃料ガス供給装置40と酸化ガス供給装置73を制御し、燃料電池20に供給される燃料ガスの流量と酸化ガスの流量を調整する。PCU82は、インバータとDC/DCコンバータを含む電力制御装置であり、燃料電池20が発電した直流電力を交流電力に変換して車両走行用のモータ83に供給する他、余剰電力を二次電池81に供給して蓄電させる。二次電池81はブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速または減速に伴う負荷変動時のエネルギーバックアップとしての役割を担うようになっている。   The fuel cell system 10 mainly includes a fuel gas supply device 40, an oxidizing gas supply device 73, a fuel cell 20, and a control unit 80. The fuel gas is, for example, hydrogen gas, and the oxidizing gas is, for example, air. The control unit 80 is configured using, for example, a microcomputer, and obtains the required power generation amount of the fuel cell 20 from the accelerator opening detected by the accelerator sensor 84, and supplies the fuel gas so that a desired power generation amount can be obtained. The apparatus 40 and the oxidizing gas supply device 73 are controlled to adjust the flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell 20. The PCU 82 is a power control device including an inverter and a DC / DC converter. The PCU 82 converts the DC power generated by the fuel cell 20 into AC power and supplies it to the motor 83 for running the vehicle, and also supplies surplus power to the secondary battery 81. To store electricity. The secondary battery 81 plays a role as a regenerative energy storage source at the time of brake regeneration and an energy backup at the time of load fluctuation accompanying acceleration or deceleration of the vehicle.

(第1実施例)
図1は、本発明の第1実施例における燃料電池システムの配管系統を中心とするシステム構成を示している。図1に示すように、燃料電池システム10は、燃料電池20に燃料ガス(水素ガス)を供給するための燃料ガス供給装置40と、燃料電池20に酸化ガス(空気)を供給するための酸化ガス供給装置73と、燃料電池20を冷却するための冷却30とを備えて構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a system configuration centering on a piping system of a fuel cell system in a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a fuel gas supply device 40 for supplying a fuel gas (hydrogen gas) to the fuel cell 20 and an oxidation for supplying an oxidizing gas (air) to the fuel cell 20. A gas supply device 73 and a cooling 30 for cooling the fuel cell 20 are provided.

燃料電池20は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜21の両面にアノード極22とカソード極23をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体24を備えている。膜・電極接合体24の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ(図示せず)によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極22およびカソード極23との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル25およびカソードガスチャンネル26を形成している。アノード極22では、次の(1)式の酸化反応が生じ、カソード極23では、次の(2)式の還元反応が生じる。2次電池20全体としては、次の(3)式の起電反応が生じる。
2→2H++2e-・・・(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O・・・(2)
2+(1/2)O2→H2O・・・(3)
なお、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体24、アノードガスチャンネル25およびカソードガスチャンネル26からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。
The fuel cell 20 is a membrane / electrode assembly in which an anode electrode 22 and a cathode electrode 23 are formed by screen printing or the like on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 21 made of a proton conductive ion exchange membrane or the like formed of a fluorine-based resin or the like. 24. Both surfaces of the membrane / electrode assembly 24 are sandwiched by separators (not shown) having flow paths of fuel gas, oxidizing gas, and cooling water, and grooves are respectively formed between the separator and the anode electrode 22 and the cathode electrode 23. An anode gas channel 25 and a cathode gas channel 26 are formed. The anode electrode 22 undergoes an oxidation reaction of the following formula (1), and the cathode electrode 23 undergoes a reduction reaction of the following formula (2). In the secondary battery 20 as a whole, an electromotive reaction of the following formula (3) occurs.
H 2 → 2H + + 2e (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
For convenience of explanation, the figure schematically shows the structure of a unit cell composed of a membrane / electrode assembly 24, an anode gas channel 25, and a cathode gas channel 26. A plurality of unit cells connected in series.

燃料電池システム10の冷却装置30には、冷却水を循環させる冷却路31、燃料電池20から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ32、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ(熱交換器)33、ラジエータ33へ流入する冷却水の水量を調整するバルブ34、冷却水を加圧して循環させる冷却水ポンプ35、燃料電池20に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ36などが設けられている。   The cooling device 30 of the fuel cell system 10 includes a cooling path 31 for circulating the cooling water, a temperature sensor 32 for detecting the temperature of the cooling water drained from the fuel cell 20, and a radiator (heat) that radiates the heat of the cooling water to the outside. 33), a valve 34 for adjusting the amount of cooling water flowing into the radiator 33, a cooling water pump 35 for pressurizing and circulating the cooling water, and a temperature sensor 36 for detecting the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell 20. Etc. are provided.

燃料電池システム10の燃料ガス供給装置40は、燃料ガス源42、アノードガスチャンネル25に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路41、アノードガスチャンネル25から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路41に循環させるための循環流路(循環経路)51を備えており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。   The fuel gas supply device 40 of the fuel cell system 10 includes a fuel gas source 42, a fuel gas passage 41 for supplying fuel gas to the anode gas channel 25, and a fuel gas passage for supplying fuel off-gas exhausted from the anode gas channel 25. A circulation flow path (circulation path) 51 for circulation to 41 is provided, and a fuel gas circulation system is constituted by these gas flow paths.

燃料ガス流路41には、燃料ガス源42からの燃料ガスの供給/停止を制御する遮断弁43、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ44、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ45、燃料電池の燃料ガス供給口(入口)を開閉する遮断弁46などが設置されている。燃料ガス源42は、例えば高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。   In the fuel gas passage 41, a shutoff valve 43 for controlling supply / stop of the fuel gas from the fuel gas source 42, a pressure sensor 44 for detecting the pressure of the fuel gas, a regulator 45 for adjusting the pressure of the fuel gas, a fuel cell A shut-off valve 46 for opening and closing the fuel gas supply port (inlet) is installed. The fuel gas source 42 includes, for example, a high pressure hydrogen tank, a hydrogen storage alloy, a reformer, and the like.

循環流路51には、燃料電池20からの燃料オフガスを排出する遮断弁52、燃料オフガスから水分を回収する気液分離器53、遮断弁52と気液分離器53とを結ぶ流路を形成し、燃料電池20から排気された燃料オフガスを流通させる配管54、配管54の管路途中に設けられた三方弁55、配管54の両端に接続されたバイパス経路56、バイパス経路56の途中に設けられた熱交換器57、気液分離器53によって回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁58、モータによって駆動される循環ポンプ(加圧手段)59、燃料ガス流路41の燃料ガスが循環流路51側に逆流するのを防止する逆流阻止弁60などが設置されている。   The circulation channel 51 is formed with a shut-off valve 52 for discharging the fuel off-gas from the fuel cell 20, a gas-liquid separator 53 for recovering water from the fuel off-gas, and a channel connecting the shut-off valve 52 and the gas-liquid separator 53. In addition, a pipe 54 through which the fuel off-gas exhausted from the fuel cell 20 circulates, a three-way valve 55 provided in the middle of the pipe 54, a bypass path 56 connected to both ends of the pipe 54, and provided in the middle of the bypass path 56 The heat exchanger 57, the drain valve 58 for collecting the water collected by the gas-liquid separator 53 in a tank (not shown), the circulation pump (pressurizing means) 59 driven by the motor, and the fuel gas in the fuel gas passage 41 A backflow prevention valve 60 or the like for preventing backflow to the circulation flow path 51 side is installed.

三方弁55は、循環流路51中の配管54とバイパス経路56との接続部のうち上流側の接続部に設けられ、制御部80からの制御信号にしたがって、経路を切換える経路切換器として構成されており、燃料電池20が掃気運転モード以外の運転モード、例えば、通常の発電運転モードの場合には、配管54を経路として選択し、燃料電池20が掃気運転モードである場合には、バイパス経路56を選択する。なお、三方弁55の代わりにロータリー弁を用いることもできる。   The three-way valve 55 is provided at a connection portion on the upstream side of the connection portion between the pipe 54 and the bypass route 56 in the circulation passage 51, and is configured as a route switching device that switches the route according to a control signal from the control unit 80. When the fuel cell 20 is in an operation mode other than the scavenging operation mode, for example, in the normal power generation operation mode, the pipe 54 is selected as a route, and when the fuel cell 20 is in the scavenging operation mode, the bypass is selected. Path 56 is selected. A rotary valve can be used instead of the three-way valve 55.

冷却装置としての熱交換器57には、配管37を介して冷却装置30からの冷却水(冷却液)が導入されている。この熱交換器57は、バイパス経路56に導入された燃料オフガスと冷却装置30からの冷却水(冷却液)との熱交換を行い、この熱交換によって温度の低下した燃料オフガスを気液分離器53に送給する。気液分離器53は、通常の発電運転モードの場合には、熱交換器57で熱交換されない燃料オフガスを配管54から導入して、その水分を回収し、掃気運転モードの場合には、熱交換器57で熱交換されて温度の低下した燃料オフガスを導入して、その水分を回収し、水分を回収した燃料オフガスを循環ポンプ59に送給する。   Cooling water (coolant) from the cooling device 30 is introduced into the heat exchanger 57 as a cooling device via a pipe 37. The heat exchanger 57 performs heat exchange between the fuel off-gas introduced into the bypass passage 56 and the cooling water (coolant) from the cooling device 30, and the fuel off-gas whose temperature has decreased due to the heat exchange is removed from the gas-liquid separator. To 53. In the normal power generation operation mode, the gas-liquid separator 53 introduces a fuel off-gas that is not heat-exchanged by the heat exchanger 57 from the pipe 54, collects the moisture, and in the scavenging operation mode, The fuel off-gas whose temperature is lowered by the heat exchange in the exchanger 57 is introduced, the water is collected, and the fuel off-gas from which the water has been collected is supplied to the circulation pump 59.

循環ポンプ59は、制御部80の制御に基づき、アノードガスチャンネル25を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス流路41に還流させる。この燃料オフガスは、燃料ガス流路41で燃料ガス源42から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池20に供給されて再利用される。   Based on the control of the control unit 80, the circulation pump 59 compresses the fuel off-gas that has been subjected to pressure loss to a suitable gas pressure when passing through the anode gas channel 25, and returns the fuel off-gas to the fuel gas passage 41. . The fuel off-gas is combined with the fuel gas supplied from the fuel gas source 42 in the fuel gas passage 41, and then supplied to the fuel cell 20 for reuse.

さらに、循環流路51には、燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを、希釈器(例えば水素濃度低減装置)62を介して車外に排気するための排気流路61が分岐して配管されている。排気流路61には排気弁(排気手段)63が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。排気弁63を開閉することで、燃料電池20内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路51の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。   Further, an exhaust passage 61 for exhausting the fuel off-gas exhausted from the fuel gas circulation system to the outside of the vehicle via a diluter (for example, a hydrogen concentration reducing device) 62 is branched and connected to the circulation passage 51. ing. An exhaust valve (exhaust means) 63 is installed in the exhaust flow path 61, and is configured to perform exhaust control of the fuel off gas. By opening and closing the exhaust valve 63, it is possible to repeatedly circulate in the fuel cell 20, discharge the fuel off-gas having increased impurity concentration to the outside, and introduce new fuel gas to prevent the cell voltage from decreasing. . It is also possible to remove the water accumulated in the gas flow path by causing a pulsation in the internal pressure of the circulation flow path 51.

一方、燃料電池システム10の酸化ガス供給装置73には、カソードガスチャンネル26に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路71と、カソードガスチャンネル26から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路72が配管されている。酸化ガス流路71には、大気から取り込んだエアに含まれる粉塵などを除去するエアフィルタ74、モータによって駆動されるエアコンプレッサ75などから構成されている。   On the other hand, the oxidizing gas supply device 73 of the fuel cell system 10 includes an oxidizing gas passage 71 for supplying oxidizing gas to the cathode gas channel 26 and a cathode for exhausting cathode off-gas exhausted from the cathode gas channel 26. An off gas passage 72 is piped. The oxidizing gas flow path 71 includes an air filter 74 that removes dust and the like contained in air taken from the atmosphere, an air compressor 75 that is driven by a motor, and the like.

また、酸化ガス供給装置73の下流に配置された加湿器76では、燃料電池20の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードガスチャンネル26の背圧はカソードオフガス流路72に設置された圧力調整弁77によってほぼ一定圧に調圧される。カソードオフガス流路72を流れるカソードオフガスは、設計に応じて気液分離器78やマフラ79などを経由して車外に排気され、またその一部は希釈器62に流れ込み、希釈器62内に滞留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。   In addition, in the humidifier 76 disposed downstream of the oxidizing gas supply device 73, the cathode off gas that has become highly wet by the generated water generated by the cell reaction of the fuel cell 20, and the low wet humidity oxidizing gas that has been taken in from the atmosphere. Moisture exchange takes place between the two. The back pressure of the cathode gas channel 26 is adjusted to a substantially constant pressure by a pressure regulating valve 77 installed in the cathode off gas flow path 72. The cathode off gas flowing through the cathode off gas flow path 72 is exhausted to the outside of the vehicle via a gas-liquid separator 78 and a muffler 79 according to the design, and part of the cathode off gas flows into the diluter 62 and stays in the diluter 62. The fuel off gas is mixed and diluted and exhausted outside the vehicle.

制御部80は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成されており、燃料電池20の状態を監視して、燃料電池20が掃気運転モードであるか否かを判定し、この判定結果にしたがって三方弁55に対する経路の切換を制御する。さらに制御部80は、各流路に設置された温度センサT、圧力センサPからのセンサ信号を受け取り、電池運転の状態、例えば電力負荷に応じて、各モータを駆動して循環ポンプ59とエアコンプレッサ74の回転数を調整し、さらに、各種の弁の開閉制御または弁開度の調整などを行う。   The control unit 80 is configured using, for example, a microcomputer, and monitors the state of the fuel cell 20 to determine whether or not the fuel cell 20 is in the scavenging operation mode, and the three-way valve 55 is determined according to the determination result. Controls the switching of the path to. Further, the control unit 80 receives sensor signals from the temperature sensor T and the pressure sensor P installed in each flow path, and drives each motor according to the state of battery operation, for example, the electric power load, and the circulation pump 59 and the air. The number of rotations of the compressor 74 is adjusted, and various valve opening / closing controls or valve opening adjustments are performed.

(動作の説明)
次に、本実施例における作用を図2のフローチャートにしたがって説明する。
まず、制御部80は、定期的に実施する処理として、掃気処理時か否かを判定する(S1)。すなわち、制御部80は、燃料電池20の運転状態を監視し、燃料電池20が掃気運転モードであるか否かを判定し、燃料電池20が掃気運転モード以外の運転モード、例えば通常の発電運転モードのときには、三方弁55に対して、バイパス経路56を閉鎖するとともに、配管54を経路に選択するための制御信号を出力する(S2)。配管54が経路に選択されたときには、通常の発電モードとして、遮断弁52から排出される燃料オフガスは、三方弁55、配管54を介して気液分離器53に送給されて、その水分が回収される。この通常の発明モードでは、特に燃料オフガスを冷却しないので、過剰な水分として液滴化している水分は気液分離器58を介して排出されるが、蒸気化している水分は除去されることなく、循環流路51を流通する。このため、燃料電池20のアノードガスチャンネル25における電解質膜を過剰に乾燥させることがない。
(Description of operation)
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, the control unit 80 determines whether or not it is a scavenging process as a process to be periodically performed (S1). That is, the control unit 80 monitors the operating state of the fuel cell 20, determines whether or not the fuel cell 20 is in the scavenging operation mode, and the fuel cell 20 operates in an operation mode other than the scavenging operation mode, for example, normal power generation operation. In the mode, the bypass path 56 is closed to the three-way valve 55, and a control signal for selecting the pipe 54 as the path is output (S2). When the pipe 54 is selected as a route, as a normal power generation mode, the fuel off-gas discharged from the shutoff valve 52 is supplied to the gas-liquid separator 53 via the three-way valve 55 and the pipe 54, and the moisture is removed. Collected. In this normal invention mode, the fuel off-gas is not particularly cooled, so that the water droplets as excess water are discharged through the gas-liquid separator 58, but the vaporized water is not removed. Circulates through the circulation channel 51. For this reason, the electrolyte membrane in the anode gas channel 25 of the fuel cell 20 is not excessively dried.

一方、燃料電池20が掃気運転モードであるときには、制御部80は、配管54の代わりに、バイパス経路56を選択するための制御信号を三方弁55に出力する(S3)。このとき制御部80は冷却水ポンプ35を駆動するための制御を行う(S4)。このとき、遮断弁52から排出される燃料オフガスは、三方弁55からバイパス経路56を介して熱交換器57に導入される。そして、冷却水ポンプ35の駆動によって冷却水が熱交換器57に循環し、バイパス経路56を流通する燃料オフガスから熱を奪う結果、水分が凝集して、気液分離器58を介して排出されることになる。   On the other hand, when the fuel cell 20 is in the scavenging operation mode, the control unit 80 outputs a control signal for selecting the bypass path 56 to the three-way valve 55 instead of the pipe 54 (S3). At this time, the control unit 80 performs control for driving the cooling water pump 35 (S4). At this time, the fuel off-gas discharged from the shutoff valve 52 is introduced from the three-way valve 55 into the heat exchanger 57 via the bypass path 56. Then, the cooling water is circulated to the heat exchanger 57 by driving the cooling water pump 35, and as a result of taking heat away from the fuel off-gas flowing through the bypass path 56, moisture is condensed and discharged through the gas-liquid separator 58. Will be.

上記実施形態1によれば、熱交換によって温度の低下した燃料オフガスからは通常運転モードに比べて多くの水分が回収されるので、掃気運転モードのときには、循環流路51における湿度除去能力を通常の発電モードのときよりも高めることができる。   According to the first embodiment, since more water is recovered from the fuel off-gas whose temperature has decreased due to heat exchange compared to the normal operation mode, the humidity removal capability in the circulation channel 51 is normally increased in the scavenging operation mode. It can be higher than in the power generation mode.

(第2実施例)
次に、本発明の第2実施例を図4にしたがって説明する。
本実施例は、熱交換器57の代わりに急速冷却器64を設けたものであり、動力源(図示せず)を用いて急速冷却器64を駆動するようにした他は、第1実施例のものと同様である。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In this embodiment, a quick cooler 64 is provided instead of the heat exchanger 57, and the quick cooler 64 is driven using a power source (not shown). Is the same as

次に、第2実施例における作用を図5のフローチャートにしたがって説明する。
まず、制御部80は、定期的に実施する処理として、掃気処理時か否かを判定する(S11)。すなわち、制御部80は、燃料電池20の運転状態を監視し、燃料電池20が掃気運転モードであるか否かを判定し、燃料電池20が掃気運転モード以外の運転モード、例えば通常の発電運転モードのときには、三方弁55に対して、バイパス経路56を閉鎖するとともに、配管54を経路に選択するための制御信号を出力する(S12)。配管54が経路に選択されたときには、通常の発電モードとして、遮断弁52から排出される燃料オフガスは、三方弁55、配管54を介して気液分離器53に送給されて、その水分が回収される。
Next, the operation of the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, the control unit 80 determines whether or not it is a scavenging process as a process to be performed periodically (S11). That is, the control unit 80 monitors the operating state of the fuel cell 20, determines whether or not the fuel cell 20 is in the scavenging operation mode, and the fuel cell 20 operates in an operation mode other than the scavenging operation mode, for example, normal power generation operation. In the mode, the bypass path 56 is closed to the three-way valve 55, and a control signal for selecting the pipe 54 as the path is output (S12). When the pipe 54 is selected as a route, as a normal power generation mode, the fuel off-gas discharged from the shutoff valve 52 is supplied to the gas-liquid separator 53 via the three-way valve 55 and the pipe 54, and the moisture is removed. Collected.

一方、燃料電池20が掃気運転モードであるときには、制御部80は、配管54の代わりに、バイパス経路56を選択するための制御信号を三方弁55に出力する(S13)。このとき制御部80は急速冷却器64を駆動するための制御を行う(S14)。このとき、遮断弁52から排出される燃料オフガスは、三方弁55からバイパス経路56を介して急速冷却器64に導入され、急速冷却器64によって急速に冷却される。この急速冷却器64による急速冷却によって温度の低下した燃料オフガスは気液分離器53に送給されて、その水分が回収される。   On the other hand, when the fuel cell 20 is in the scavenging operation mode, the control unit 80 outputs a control signal for selecting the bypass path 56 to the three-way valve 55 instead of the pipe 54 (S13). At this time, the control unit 80 performs control for driving the rapid cooler 64 (S14). At this time, the fuel off-gas discharged from the shutoff valve 52 is introduced from the three-way valve 55 through the bypass path 56 to the rapid cooler 64 and rapidly cooled by the rapid cooler 64. The fuel off-gas whose temperature has been lowered by the rapid cooling by the rapid cooler 64 is sent to the gas-liquid separator 53, and its moisture is recovered.

上記実施形態2によれば、実施形態1の熱交換器の代わりに、急速冷却器64が用いられる。急速冷却器64は、熱交換器に比べても高い冷却能力を有しているので、掃気運転モードのときには、循環流路51における湿度除去能力を通常の発電モードのときよりも遙かに高めることができる。   According to the second embodiment, the rapid cooler 64 is used instead of the heat exchanger of the first embodiment. Since the rapid cooler 64 has a higher cooling capacity than the heat exchanger, the humidity removal capacity in the circulation passage 51 is much higher in the scavenging operation mode than in the normal power generation mode. be able to.

(変形例)
本発明は上記実施例に限定されることなく、例えば、第1実施例および第2実施例の構成を組み合わせるなど、種々に変形して適応することが可能である。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified and applied, for example, by combining the configurations of the first embodiment and the second embodiment.

例えば、第1実施例では、熱交換器57をバイパス経路56中に設けているが、バイパス経路56を取り除くとともに、三方弁55の部位に熱交換器57を挿入し、配管37中に開閉弁を設け、通常の発電モードでは、配管37中の開閉弁を閉じ、遮断弁52から排出される燃料オフガスをそのまま気液分離器53に送給し、掃気運転モードでは、配管37中の開閉弁を開いて熱交換器57に冷却水を導入し、遮断弁52から排出される燃料オフガスを熱交換器57によって冷却し、冷却された燃料オフガスを気液分離器53に送給する構成を採用することもできる。   For example, in the first embodiment, the heat exchanger 57 is provided in the bypass path 56, but the bypass path 56 is removed, the heat exchanger 57 is inserted into the three-way valve 55, and the open / close valve in the pipe 37. In the normal power generation mode, the on-off valve in the pipe 37 is closed, and the fuel off-gas discharged from the shut-off valve 52 is directly supplied to the gas-liquid separator 53. In the scavenging operation mode, the on-off valve in the pipe 37 is provided. The cooling water is introduced into the heat exchanger 57, the fuel off-gas discharged from the shut-off valve 52 is cooled by the heat exchanger 57, and the cooled fuel off-gas is supplied to the gas-liquid separator 53. You can also

また、第2実施例では、急速冷却器64をバイパス経路56中に設けているが、バイパス経路56を取り除き、急速冷却器64を三方弁54の部位に挿入し、通常の発電モードでは急速冷却器64の運転を停止し、遮断弁52から排出される燃料オフガスをそのまま気液分離器53に送給し、一方、掃気運転モードのときには急速冷却器64を駆動し、遮断弁52から排出される燃料オフガスを急速冷却器64によって冷却し、冷却された燃料オフガスを気液分離器53に送給する構成を採用することもできる。   In the second embodiment, the quick cooler 64 is provided in the bypass path 56. However, the bypass path 56 is removed and the quick cooler 64 is inserted into the three-way valve 54. The operation of the cooler 64 is stopped, and the fuel off-gas discharged from the shut-off valve 52 is supplied to the gas-liquid separator 53 as it is. On the other hand, in the scavenging operation mode, the quick cooler 64 is driven and discharged from the shut-off valve 52. It is also possible to adopt a configuration in which the fuel offgas is cooled by the rapid cooler 64 and the cooled fuel offgas is supplied to the gas-liquid separator 53.

本実施形態の第1実施例における燃料電池システムの配管系統を中心とする構成図である。It is a block diagram centering on the piping system of the fuel cell system in 1st Example of this embodiment. 第1実施例における燃料電池システムの作用を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the effect | action of the fuel cell system in 1st Example. 本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 lineblock diagram of the fuel cell system of this embodiment. 本実施形態の第2実施例における燃料電池システムの配管系統を中心とする構成図である。It is a block diagram centering on the piping system of the fuel cell system in 2nd Example of this embodiment. 第2実施例の作用を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the effect | action of 2nd Example.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池システム、20 燃料電池、31 冷却炉、35 冷却水ポンプ、41 燃料ガス流路、51 循環流路、53 気液分離器、54 配管、56 バイパス経路、57 熱交換器、59 循環ポンプ、64 急速冷却器、55 三方弁、80 制御部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system, 20 Fuel cell, 31 Cooling furnace, 35 Cooling water pump, 41 Fuel gas flow path, 51 Circulation flow path, 53 Gas-liquid separator, 54 Piping, 56 Bypass path, 57 Heat exchanger, 59 Circulation pump 64 Quick cooler 55 Three-way valve 80 Control unit

Claims (5)

燃料電池から排気された燃料オフガスの水分を除去する燃料電池システムであって、
該燃料電池が掃気運転モードである場合に、該燃料電池が該掃気運転モード以外の運転モードである場合よりも湿度除去能力を高めることが可能に構成されたこと
を特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system for removing moisture from fuel off-gas exhausted from a fuel cell,
A fuel cell system characterized in that when the fuel cell is in a scavenging operation mode, the humidity removal capability can be increased more than when the fuel cell is in an operation mode other than the scavenging operation mode.
請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排気された燃料オフガスを流通させる配管と、
両端が該配管に接続されたバイパス経路と、
該バイパス経路に設けられた冷却装置と、
該配管と該バイパス経路との2つの接続部のうち上流側の接続部に設けられた経路切換器と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
Piping for distributing fuel off-gas exhausted from the fuel cell;
A bypass path having both ends connected to the pipe;
A cooling device provided in the bypass path;
A fuel cell system, comprising: a path switching unit provided at an upstream connection part of the two connection parts between the pipe and the bypass path.
請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記経路切換器は、前記燃料電池が掃気運転モードである場合に前記燃料オフガスを前記バイパス経路に流通させるように切換えられることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The fuel cell system according to claim 1, wherein the path switcher is switched so that the fuel off-gas flows through the bypass path when the fuel cell is in a scavenging operation mode.
請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却装置は、前記燃料電池の冷却液が循環する熱交換器であり、前記冷却装置の駆動時には、該冷却液が強制循環されることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The cooling device is a heat exchanger in which a coolant of the fuel cell circulates, and the coolant is forcibly circulated when the cooling device is driven.
請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却装置は、急速冷却器であることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The fuel cell system, wherein the cooling device is a rapid cooler.
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