JP2009009762A - Fuel cell system - Google Patents

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Kazuya Murata
一哉 村田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To surely separate offgas from liquid independently of environment temperature. <P>SOLUTION: The fuel cell system 100 is provided with a fuel cell stack 50, a stack case 62 housing the fuel cell stack 50, a fuel gas exhaust channel 54 exhausting offgas of fuel gas from the fuel cell stack 50, and a gas liquid separator 56 communicated with the fuel gas exhaust channel 54 for separating flowing-in offgas from liquid. The gas liquid separator 56, installed outside the stack case 62, restrains moisture from freezing inside it 56, by introducing at least a part of a cooling medium into a coolant guide-in channel 72 in the vicinity of it 56 at cold times. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳細には、排出されたオフガスを再利用する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that reuses discharged off-gas.

燃料電池の最小単位に相当する、一般的な単セル(燃料電池単セルとも称する)の構成について、特に電極部分を含む要部の構成の概略について説明する。図2に例示するように、カソード触媒層12(酸化極またはカソード極とも称する)とアノード触媒層14(燃料極またはアノード極とも称する)を、電解質膜10を挟んで互いに対向するように設け、いわゆる膜電極接合体(MEA)30が構成されている。また、カソード触媒層12の外側にはカソード拡散層16が、アノード触媒層14の外側にはアノード拡散層18が、それぞれ設けられている。さらに、カソード拡散層16の外側には、酸化ガス流路20およびセル冷媒流路22が形成されたカソード側セパレータ26が、アノード拡散層18の外側には、燃料ガス流路24およびセル冷媒流路22が形成されたアノード側セパレータ28が、それぞれ設けられており、これらを例えば、接着や圧着などにより一体化させて、単セル40が形成される。   An outline of a configuration of a general unit cell (also referred to as a fuel cell unit cell) corresponding to the minimum unit of the fuel cell, in particular, a main part including an electrode portion will be described. As illustrated in FIG. 2, a cathode catalyst layer 12 (also referred to as an oxidation electrode or a cathode electrode) and an anode catalyst layer 14 (also referred to as a fuel electrode or an anode electrode) are provided so as to face each other with the electrolyte membrane 10 interposed therebetween. A so-called membrane electrode assembly (MEA) 30 is configured. A cathode diffusion layer 16 is provided outside the cathode catalyst layer 12, and an anode diffusion layer 18 is provided outside the anode catalyst layer 14. Further, a cathode-side separator 26 in which an oxidizing gas flow path 20 and a cell refrigerant flow path 22 are formed is formed outside the cathode diffusion layer 16, and a fuel gas flow path 24 and a cell refrigerant flow are formed outside the anode diffusion layer 18. Anode separators 28 with passages 22 formed therein are provided, and these are integrated by, for example, adhesion or pressure bonding to form a single cell 40.

得られた単セル40を、所望の起電力が得られるように複数枚積層させた燃料電池スタック(FCスタックとも称する)がさまざまな分野において適用されている。燃料電池スタックは一般に、カソード触媒層12に酸素や空気等の酸化ガスを、アノード触媒層14に水素等の燃料ガスを、それぞれ供給して発電する。このような燃料電池は通常、発電時には例えば60℃から100℃程度の所定の温度範囲となるように制御されているが、発電時には化学反応に伴う熱を発生するため、水やエチレングリコールなどの冷却媒体(冷媒)を各単セルに設けられたセル冷媒流路22に流通させて燃料電池の過熱を防止している。   Fuel cell stacks (also referred to as FC stacks) in which a plurality of obtained single cells 40 are stacked so as to obtain a desired electromotive force are applied in various fields. In general, the fuel cell stack generates electricity by supplying an oxidation gas such as oxygen or air to the cathode catalyst layer 12 and a fuel gas such as hydrogen to the anode catalyst layer 14. Such a fuel cell is usually controlled to have a predetermined temperature range of, for example, about 60 ° C. to 100 ° C. during power generation, but generates heat associated with a chemical reaction during power generation. A cooling medium (refrigerant) is circulated through the cell refrigerant flow path 22 provided in each single cell to prevent overheating of the fuel cell.

このように燃料極および酸化極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より、排出される物質が水であること等から、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。   In this way, a chemical reaction occurs at the fuel electrode and the oxidation electrode, and charges are generated to function as a battery. This fuel cell has various studies as a clean energy source because it has abundant raw material gas and liquid fuel used for power generation, and because of the principle of power generation, the discharged substance is water. Has been.

一般に燃料電池が良好な発電を行なうためには、例えばパーフルオロ系、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂などが用いられる電解質膜10に対して所定の水分量(含水量)を維持させて、プロトン透過性膜としての機能を発揮させることが好適であり、例えば燃料電池内に供給する反応ガスのいずれか一方、または両方を加湿させることにより電解質膜10の水分調節を行なう。その一方で、水分は、寒冷時には凍結することがあり、凍結箇所によっては流路閉塞や機能低下の要因ともなり得るため、生成水や反応ガスの加湿にも用いられる、例えばガス流路中の水分の凍結防止についても考慮する必要がある。   In general, in order for a fuel cell to generate electric power satisfactorily, a predetermined amount of water (water content) is maintained with respect to the electrolyte membrane 10 in which, for example, a fluorine-based ion exchange resin such as perfluoro-based or perfluorosulfonic acid is used. Thus, it is preferable to exhibit the function as a proton permeable membrane. For example, moisture adjustment of the electrolyte membrane 10 is performed by humidifying one or both of the reaction gases supplied into the fuel cell. On the other hand, moisture may freeze when it is cold, and depending on the frozen part, it may be a cause of blockage of the flow path and functional degradation, so it is also used for humidification of generated water and reaction gas, for example in the gas flow path It is also necessary to consider the prevention of freezing of moisture.

一方、単セル内に供給された燃料ガスおよび酸化ガスは、MEAを挟んでそれぞれが反応して消費される(燃料ガスおよび酸化ガスを反応ガスとも称する)が、その一部が未反応の状態で排気ガスに残留したまま排出される(これをオフガスとも称する)。このような、例えば水素や酸素などの未反応の反応性原料や水分を含むオフガスを再利用し、エネルギー利用効率をさらに向上させる方法についても検討されている。   On the other hand, the fuel gas and the oxidizing gas supplied into the single cell are consumed by reacting with each other across the MEA (the fuel gas and the oxidizing gas are also called reactive gases), but a part of them is unreacted The exhaust gas remains in the exhaust gas (this is also referred to as off-gas). A method for further improving energy utilization efficiency by reusing such an unreacted reactive raw material such as hydrogen or oxygen or off-gas containing moisture has been studied.

特許文献1には、気液分離器における、排気ガスからの液体の水分(液水とも称する)の回収量を向上させるために、冷却手段を備えた燃料電池システムについて記載されている。   Patent Document 1 describes a fuel cell system provided with a cooling means in order to improve the recovery amount of liquid moisture (also referred to as liquid water) from exhaust gas in a gas-liquid separator.

特許文献2には、寒冷時における生成水の凍結を、排出されるオフガスまたは熱交換により加温された冷却媒体を用いて防止する技術について記載されている。   Patent Document 2 describes a technique for preventing freezing of generated water during cold using a cooling medium heated by discharged off-gas or heat exchange.

また、特許文献3には、寒冷時における生成水の凍結に伴う不具合を防止するために、不凍液を供給することについて記載されている。   Patent Document 3 describes supplying an antifreeze liquid in order to prevent problems associated with freezing of produced water during cold weather.

特開2002−313383号公報JP 2002-313383 A 特開2006−147440号公報JP 2006-147440 A 特開2006−286544号公報JP 2006-286544 A

ところで、燃料電池スタックから排出されるオフガスのうち、特に燃料極側から排出される、燃料ガスのオフガスには、前述したように電池反応に伴う生成水に由来する水分が含まれている。一方、オフガス中に含有する生成水には、電解質膜に起因する酸性物質が混入する場合があり、一般に強い酸性を示す。このため、燃料ガスのオフガスを水素供給源として再利用するためには、少なくとも電解質膜由来の酸性物質を除去し、ポンプや配管、単セルや燃料電池スタックなどの劣化を防止または抑制することが望ましい。   By the way, among the offgas discharged from the fuel cell stack, the fuel gas offgas discharged particularly from the fuel electrode side contains moisture derived from the generated water accompanying the cell reaction as described above. On the other hand, the generated water contained in the offgas may contain an acidic substance due to the electrolyte membrane, and generally shows strong acidity. For this reason, in order to reuse the off-gas of the fuel gas as a hydrogen supply source, at least the acidic substance derived from the electrolyte membrane should be removed to prevent or suppress deterioration of the pump, piping, single cell, fuel cell stack, etc. desirable.

一方、燃料電池システムの更なるコスト低減の要請のために、使用する部品や装置の小型化、構成の簡素化なども検討されている。   On the other hand, in order to further reduce the cost of the fuel cell system, the miniaturization of components and devices to be used and the simplification of the configuration have been studied.

本発明は、例えば氷点下など、環境温度に依存せず、オフガスを確実に気液分離させることの可能な燃料電池システムを提供する。   The present invention provides a fuel cell system capable of gas-liquid separation of off-gas reliably without depending on environmental temperature, for example, below freezing.

本発明の構成は以下のとおりである。   The configuration of the present invention is as follows.

(1)燃料ガスと酸化ガスとを反応ガスとする単セルを積層させた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容する筐体と、前記燃料電池スタックから前記反応ガスのオフガスを排出させる反応ガス排出流路と、前記反応ガス排出流路に連通し、流入する前記オフガスを気液分離させる気液分離手段と、を備え、前記気液分離手段は、前記筐体の外部に設けられており、前記燃料電池スタックから前記反応ガス排出流路を介して流入するオフガス中の水分を凝縮させる、燃料電池システム。   (1) A fuel cell stack in which single cells using a reaction gas of a fuel gas and an oxidizing gas are stacked, a housing for housing the fuel cell stack, and a reaction for discharging off-gas of the reaction gas from the fuel cell stack A gas discharge channel; and a gas-liquid separation unit that communicates with the reaction gas discharge channel and separates the inflowing off-gas, and the gas-liquid separation unit is provided outside the casing. And a fuel cell system for condensing moisture in the off-gas flowing from the fuel cell stack through the reaction gas discharge channel.

(2)上記(1)に記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガス排出流路は、燃料ガスのオフガスを排出させる燃料ガス排出流路であり、前記気液分離手段により前記燃料ガスのオフガスから気液分離させた水分を除去した再生ガスを前記燃料電池スタック内に供給させる再生ガス供給流路をさらに含む、燃料電池システム。   (2) In the fuel cell system according to the above (1), the reaction gas discharge channel is a fuel gas discharge channel that discharges off-gas of the fuel gas, and the gas-liquid separation unit removes the fuel gas from the off-gas of the fuel gas. A fuel cell system, further comprising a regeneration gas supply flow path for supplying the regeneration gas from which moisture separated by gas-liquid separation has been removed into the fuel cell stack.

(3)上記(1)または(2)に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの冷却に供される冷却媒体の少なくとも一部を、前記気液分離手段の近傍に導入可能な冷媒導入流路と、前記冷却媒体の導入を制御する冷媒導入制御部と、をさらに備え、前記冷媒導入制御部は、前記気液分離手段の温度に基づいて前記冷却媒体の導入を制御する、燃料電池システム。   (3) In the fuel cell system according to the above (1) or (2), introduction of a refrigerant capable of introducing at least a part of a cooling medium used for cooling the fuel cell stack in the vicinity of the gas-liquid separation unit. A fuel cell, further comprising: a flow path; and a refrigerant introduction control unit that controls introduction of the cooling medium, wherein the refrigerant introduction control unit controls introduction of the cooling medium based on a temperature of the gas-liquid separation unit. system.

本発明によれば、オフガスを確実に気液分離させることが可能となる。   According to the present invention, off-gas can be reliably gas-liquid separated.

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略を示したものである。   FIG. 1 schematically shows the configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

図1において、燃料電池システム100は、燃料ガスと酸化ガスとを反応ガスとする、図2に例示したような単セル40を複数枚積層させた燃料電池スタック50と、これを収容するスタックケース62と、スタックケース62の外部に設けられた気液分離器56と、ラジエータ68と、を有している。   In FIG. 1, a fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 50 in which a plurality of single cells 40 as illustrated in FIG. 2 are stacked using a fuel gas and an oxidizing gas as a reaction gas, and a stack case that accommodates the fuel cell stack 50. 62, a gas-liquid separator 56 provided outside the stack case 62, and a radiator 68.

また、燃料電池スタック50に供給される反応ガスの供給流路として、燃料ガス供給流路52および酸化ガス供給流路64がそれぞれ設けられ、燃料電池スタック50から排出される反応ガスのオフガスの排出流路として、燃料ガス排出流路54および酸化ガス排出流路66がそれぞれ設けられている。一方、燃料電池スタック50と、ラジエータ68との間には、冷却媒体を循環させる冷媒流路70a,70bが設けられており、燃料電池スタック50内で発生する熱と、冷媒流路70a,70b内を流通する冷却媒体との間の熱交換により、燃料電池スタック50の内部温度を所定の範囲内に維持している。   Further, a fuel gas supply channel 52 and an oxidizing gas supply channel 64 are provided as reaction gas supply channels to be supplied to the fuel cell stack 50, respectively, and discharge of off-gas of the reaction gas discharged from the fuel cell stack 50 is performed. As the flow paths, a fuel gas discharge flow path 54 and an oxidizing gas discharge flow path 66 are provided. On the other hand, refrigerant flow paths 70a and 70b for circulating a cooling medium are provided between the fuel cell stack 50 and the radiator 68. The heat generated in the fuel cell stack 50 and the refrigerant flow paths 70a and 70b are provided. The internal temperature of the fuel cell stack 50 is maintained within a predetermined range by heat exchange with the cooling medium flowing through the inside.

本実施の形態において、例えば純水素ガスまたは改質ガスなどの燃料ガスが供給可能な図示しない燃料ガス供給源から、水素ガスなどの燃料ガスが、燃料ガス供給流路52を介して燃料電池スタック50に供給される。一方、エアコンプレッサなどの酸化ガス供給機構による空気や酸素ボンベによる純酸素ガスなどの酸化ガスが供給可能な酸化ガス供給源(図示せず)から、空気や酸素などの酸化ガスが、酸化ガス供給流路64を介して燃料電池スタック50に供給される。燃料電池スタック50内に反応ガスがそれぞれ供給されると、燃料ガス中の水素と、酸化ガス中の酸素とが各単セルにおいて消費され、その後、各反応ガスのオフガスが燃料ガス排出流路54と、酸化ガス排出流路66を介してそれぞれ燃料電池スタック50より排出される。   In the present embodiment, for example, fuel gas such as hydrogen gas is supplied from a fuel gas supply source (not shown) capable of supplying fuel gas such as pure hydrogen gas or reformed gas via the fuel gas supply channel 52. 50. On the other hand, an oxidizing gas such as air or oxygen is supplied from an oxidizing gas supply source (not shown) capable of supplying an oxidizing gas such as air by an oxidizing gas supply mechanism such as an air compressor or pure oxygen gas from an oxygen cylinder. The fuel cell stack 50 is supplied via the flow path 64. When the reaction gas is supplied into the fuel cell stack 50, hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidation gas are consumed in each single cell, and then the off-gas of each reaction gas is supplied to the fuel gas discharge channel 54. Are discharged from the fuel cell stack 50 through the oxidizing gas discharge flow channel 66, respectively.

本実施の形態において、燃料ガス排出流路54は、気液分離器56と連通している。気液分離器56は、燃料電池スタック50から排出され、燃料ガス排出流路54を介して流入する燃料ガスのオフガス中に含有する水分の少なくとも一部を凝縮させ、気相と液相とに分離させる。このとき、気液分離器56は、スタックケース62の外部に設けられているため、実質的に燃料電池スタック50内で発生する熱の影響を受けることなく、流入するオフガスの温度と、気液分離器56の環境温度との間の差に基づき、オフガス中の含水量に応じた水分を凝縮させることができる。   In the present embodiment, the fuel gas discharge channel 54 communicates with the gas-liquid separator 56. The gas-liquid separator 56 condenses at least a part of the water contained in the off-gas of the fuel gas discharged from the fuel cell stack 50 and flowing in through the fuel gas discharge flow path 54 into a gas phase and a liquid phase. Separate. At this time, since the gas-liquid separator 56 is provided outside the stack case 62, the temperature of the inflowing off-gas and the gas-liquid are substantially not affected by the heat generated in the fuel cell stack 50. Based on the difference between the ambient temperature of the separator 56 and the water content corresponding to the water content in the off-gas can be condensed.

ここで、燃料ガスのオフガス中に含まれる水分には、燃料電池スタック50内での電極反応により生成した生成水が含まれる。この生成水とともに燃料ガスのオフガス中に含まれ、図2に示す電解質膜10に由来する酸性物質は一般に水溶性である。このため、気液分離器56を用いてオフガス中の水分が凝縮して得られた液相中にこの酸性物質を溶存させることにより、気相中からはそのほとんどを除去することができる。   Here, the water contained in the off-gas of the fuel gas includes generated water generated by the electrode reaction in the fuel cell stack 50. The acidic substance contained in the off gas of the fuel gas together with the generated water and derived from the electrolyte membrane 10 shown in FIG. 2 is generally water-soluble. For this reason, most of it can be removed from the gas phase by dissolving this acidic substance in the liquid phase obtained by condensing the water in the off-gas using the gas-liquid separator 56.

このように、燃料ガス排出流路54を気液分離器56に連通させて、燃料ガスに由来する水素ガスや水蒸気などを含有するオフガスから、水溶性酸性物質などの不純物を分離除去することにより、得られる気相を燃料ガスの一部である再生ガスとして、再利用することができる。より具体的には、図1に示すように、気液分離器56と燃料電池スタック50との間に再生ガス供給流路58を設け、連通させることにより、燃料ガスのオフガスから気液分離器56により気液分離させた水分を除去した再生ガスを燃料電池スタック50内に供給し、再利用することが可能となる。このとき、気液分離器56により分離した液相中の成分が混入しないよう、再生ガス供給流路58を気液分離器56の上部に接続させることが好適である。   In this way, the fuel gas discharge channel 54 is communicated with the gas-liquid separator 56 to separate and remove impurities such as water-soluble acidic substances from off-gas containing hydrogen gas or water vapor derived from the fuel gas. The gas phase obtained can be reused as a regeneration gas that is part of the fuel gas. More specifically, as shown in FIG. 1, the gas-liquid separator is provided from the off-gas of the fuel gas by providing a regenerative gas supply channel 58 between the gas-liquid separator 56 and the fuel cell stack 50 so as to communicate therewith. The regenerated gas from which the moisture separated from the gas and liquid by 56 is removed can be supplied into the fuel cell stack 50 and reused. At this time, it is preferable to connect the regeneration gas supply flow path 58 to the upper part of the gas-liquid separator 56 so that components in the liquid phase separated by the gas-liquid separator 56 do not enter.

図1に示す実施の形態において、再生ガス供給流路58は、燃料ガス供給流路52とは別に独立して設けられているが、他の実施の形態として、再生ガス供給流路58を燃料ガス供給流路52と合流させた後に燃料電池スタック50内に供給させることも可能である。また、必要に応じて、再生ガス供給流路58から燃料電池スタック50に供給される再生ガスの流量および/または流速を適宜調整することも可能である。   In the embodiment shown in FIG. 1, the regeneration gas supply channel 58 is provided separately from the fuel gas supply channel 52. However, as another embodiment, the regeneration gas supply channel 58 is provided as a fuel. It is also possible to supply the fuel cell stack 50 after joining the gas supply flow path 52. Further, the flow rate and / or flow rate of the regeneration gas supplied from the regeneration gas supply channel 58 to the fuel cell stack 50 can be appropriately adjusted as necessary.

一方、凝縮により、気液分離器56の下部に貯留される水相は、排水流路76により燃料電池システム100の外部に排出される。このとき排出される水相に対し、必要に応じて、中和処理やイオン除去処理等を行った後に廃棄または再利用することも好適である。   On the other hand, the water phase stored in the lower part of the gas-liquid separator 56 is discharged to the outside of the fuel cell system 100 through the drainage flow channel 76 due to condensation. It is also suitable to discard or reuse the aqueous phase discharged at this time after performing neutralization treatment, ion removal treatment or the like, if necessary.

本発明の実施の形態において、図1に示した気液分離器56としては、環境温度に応じて気液分離させることが可能なものであればいかなるものを使用してもよいが、例えば空気冷却式の気液分離器を挙げることができる。空気冷却式の気液分離器は、環境温度に応じた空気により凝縮を行なうものであって、構造が簡単であり、かつ保守が容易であるなどの利点がある。また、気液分離器56は1つに限らず、必要に応じて複数用いることも可能である。また、環境温度によっては、冷媒導入流路72に導入した冷却媒体を利用した冷媒冷却方式(冷却媒体が水である場合、いわゆる水冷式)を併用することも可能である。また、気液分離器56を、オフガスを凝縮させる凝縮器と、凝縮器により凝縮された水分を貯留する貯留部との別部材とすることも可能である。   In the embodiment of the present invention, any gas-liquid separator 56 shown in FIG. 1 may be used as long as gas-liquid separation can be performed according to the environmental temperature. A cooling type gas-liquid separator can be mentioned. The air-cooled gas / liquid separator performs condensation with air according to the environmental temperature, and has advantages such as a simple structure and easy maintenance. Further, the gas-liquid separator 56 is not limited to one, and a plurality of gas-liquid separators 56 may be used as necessary. Further, depending on the environmental temperature, a refrigerant cooling method using a cooling medium introduced into the refrigerant introduction flow path 72 (so-called water cooling method when the cooling medium is water) can be used in combination. Further, the gas-liquid separator 56 may be a separate member including a condenser that condenses off-gas and a storage unit that stores water condensed by the condenser.

また、本実施の形態において、気液分離器56を構成する材料としては、熱伝導率の高いものが好ましいが、所定期間水相を滞留させることも想定されるため、耐酸性を有するものが好適であり、例えば、ステンレス鋼(SUS)などを用いることが可能であるが、これに限定されるものではない。   In the present embodiment, the material constituting the gas-liquid separator 56 is preferably a material having high thermal conductivity. However, since it is assumed that the water phase is retained for a predetermined period of time, a material having acid resistance is used. For example, stainless steel (SUS) or the like can be used, but is not limited thereto.

また、本実施の形態において、気液分離器56における冷却作用を高め、気液分離効率を向上させるため、例えば気液分離器の外面に、空気との間の伝熱面積を増大させるフィンを適用したり、ファンで送風する構成としたりすることも好適である。さらに、気液分離器56の内部壁面において、凹凸や溝形状を形成させて表面粗さを調整したり、水接触角を調整し、疎水性または親水性としたりといった、水分の凝集を促進させる構成を採用することも好適である。   In the present embodiment, in order to enhance the cooling action in the gas-liquid separator 56 and improve the gas-liquid separation efficiency, for example, fins that increase the heat transfer area between the air and the air are provided on the outer surface of the gas-liquid separator. It is also suitable to apply or to use a fan for blowing air. Furthermore, on the inner wall surface of the gas-liquid separator 56, it promotes the aggregation of moisture, such as forming irregularities and groove shapes to adjust the surface roughness, adjusting the water contact angle, and making it hydrophobic or hydrophilic. It is also preferable to adopt the configuration.

本発明の実施の形態における燃料電池システムは、環境温度の変化が少ない、屋内などの温度調整可能な箇所における使用に特に適している。一方、例えば屋外など、環境温度の大きく変化する条件下、例えば寒冷時における使用においても、以下に説明するように、図1に示す冷媒導入流路72と、冷媒導入制御部74と、をさらに備えることにより、スタックケース62の外部に設けられた気液分離器56およびその近傍での生成水の凍結に伴う不具合を防止または抑制させることが可能となる。   The fuel cell system according to the embodiment of the present invention is particularly suitable for use in a place where the temperature can be adjusted, such as indoors, where there is little change in the environmental temperature. On the other hand, the refrigerant introduction flow path 72 and the refrigerant introduction control unit 74 shown in FIG. 1 are further provided under conditions where the environmental temperature changes greatly, such as outdoors, for example, even in cold weather, as described below. By providing, it becomes possible to prevent or suppress problems associated with the freezing of the produced water in the gas-liquid separator 56 provided outside the stack case 62 and in the vicinity thereof.

図1において、冷媒導入制御部74は、気液分離器56の温度に基づいて冷媒導入流路72への冷却媒体の導入を制御することができるように構成されている。一方、冷媒導入流路72は、燃料電池スタック50の冷却に供される冷却媒体の少なくとも一部を、気液分離器56の近傍に導入可能に構成されている。ここで、「気液分離器56の近傍」とは、冷媒導入流路72への冷却媒体の導入に伴い、気液分離器56に対し温度変化をもたらすことが可能な程度であることを示しており、具体的な距離は冷媒導入流路72の材質や導入する冷却媒体の温度などにより適宜設定されるものであって良く、特に制限はない。また、必要に応じて、冷媒導入流路72に導入する冷却媒体の流量および/または流速を調整することも好適である。   In FIG. 1, the refrigerant introduction control unit 74 is configured to be able to control the introduction of the cooling medium into the refrigerant introduction flow path 72 based on the temperature of the gas-liquid separator 56. On the other hand, the refrigerant introduction flow path 72 is configured to be able to introduce at least a part of the cooling medium used for cooling the fuel cell stack 50 in the vicinity of the gas-liquid separator 56. Here, “in the vicinity of the gas-liquid separator 56” indicates that the temperature can be changed with respect to the gas-liquid separator 56 as the cooling medium is introduced into the refrigerant introduction flow path 72. The specific distance may be appropriately set according to the material of the refrigerant introduction flow path 72, the temperature of the cooling medium to be introduced, and the like, and is not particularly limited. It is also preferable to adjust the flow rate and / or flow rate of the cooling medium introduced into the refrigerant introduction flow path 72 as necessary.

本実施の形態において、気液分離器56に設けられた図示しない温度センサが所定の温度、例えば、0℃まで低下したことを検知すると、冷媒導入制御部74はバルブv1,v2を開き、冷却媒体を冷媒導入流路72に導入する制御を行なう。このとき、冷却媒体の温度は、燃料電池スタック50とラジエータ68との循環により所定の温度、例えば30℃〜60℃程度まで上昇しているため、冷媒導入流路72への冷却媒体の導入により気液分離器56の温度は次第に上昇していく。気液分離器56に設けられた温度センサが所定の温度、例えば、10℃まで上昇したことを検知すると、冷媒導入制御部74はバルブv1,v2を閉じ、冷媒導入流路72への冷却媒体の導入を停止する制御を行なう。なお、温度センサにより検知される気液分離器56の温度は、内部温度とすることも可能であり、また気液分離器56を構成する部材の温度とすることも可能である。   In the present embodiment, when a temperature sensor (not shown) provided in the gas-liquid separator 56 detects that the temperature has decreased to a predetermined temperature, for example, 0 ° C., the refrigerant introduction control unit 74 opens the valves v1 and v2 to cool the cooling. Control to introduce the medium into the refrigerant introduction flow path 72 is performed. At this time, the temperature of the cooling medium has risen to a predetermined temperature, for example, about 30 ° C. to 60 ° C. due to circulation between the fuel cell stack 50 and the radiator 68, and therefore, by introduction of the cooling medium into the refrigerant introduction flow path 72. The temperature of the gas-liquid separator 56 gradually increases. When the temperature sensor provided in the gas-liquid separator 56 detects that the temperature has risen to a predetermined temperature, for example, 10 ° C., the refrigerant introduction control unit 74 closes the valves v1 and v2, and the cooling medium to the refrigerant introduction channel 72 Control to stop the introduction of. The temperature of the gas-liquid separator 56 detected by the temperature sensor can be the internal temperature, or can be the temperature of the members constituting the gas-liquid separator 56.

図1に示す冷媒導入流路72に対する、上述したような冷却媒体の導入制御は、特に燃料電池スタック50の起動開始直後において好適に行なう構成とすることが可能であるが、他の実施の形態として、気液分離器56に設けられた温度センサにより気液分離器56の温度を常時または所定の間隔で監視し、気液分離器56の温度変化に応じて冷却媒体の導入制御を行なう構成とすることも好適である。また、冷媒導入流路72に対し、冷却媒体の導入を調整するためのバルブv1,v2の構成は例示であって、図1に示す構成に限らないことはいうまでもなく、例えば1つのバルブの開閉による制御とすることも可能である。   The cooling medium introduction control as described above with respect to the refrigerant introduction flow path 72 shown in FIG. 1 can be suitably performed particularly immediately after the start of the start of the fuel cell stack 50, but other embodiments are possible. The temperature sensor provided in the gas-liquid separator 56 monitors the temperature of the gas-liquid separator 56 constantly or at predetermined intervals, and controls the introduction of the cooling medium according to the temperature change of the gas-liquid separator 56. It is also suitable. Further, the configuration of the valves v1 and v2 for adjusting the introduction of the cooling medium with respect to the refrigerant introduction flow path 72 is an example, and it is needless to say that the configuration is not limited to the configuration shown in FIG. It is also possible to control by opening and closing.

図1に示す本実施の形態において、冷媒導入流路72に導入される冷却媒体は、燃料電池スタック50内を流通し、温度上昇したものを冷媒流路70bより導入する構成としているが、これに限らず、例えばラジエータ68での熱交換により冷却された冷却媒体を冷媒流路70aより導入する構成とすることも可能である。本構成によれば、例えば環境温度よりも低い温度条件下で気液分離を行なうことが可能となり、これに伴い、水分の凝縮により得られる液相の量が増加することが想定される。本構成を、例えば燃料ガスのオフガスに代えて酸化ガスのオフガスの気液分離に適用することにより、気液分離により得られた液相である水を、オフガスとともにそのまま排出させずに、例えば酸化ガスの加湿材料として再利用する構成とすることも可能となるが、本構成は例えば車両など、移動体に搭載する燃料電池システムにおいて特に好適である。   In the present embodiment shown in FIG. 1, the cooling medium introduced into the refrigerant introduction flow path 72 is configured to flow through the fuel cell stack 50 and introduce a temperature rise from the refrigerant flow path 70b. For example, the cooling medium cooled by heat exchange in the radiator 68 may be introduced from the refrigerant flow path 70a. According to this configuration, for example, gas-liquid separation can be performed under a temperature condition lower than the environmental temperature, and accordingly, it is assumed that the amount of liquid phase obtained by condensation of moisture increases. By applying this configuration to, for example, gas-liquid separation of off-gas of oxidant gas instead of off-gas of fuel gas, water that is a liquid phase obtained by gas-liquid separation is not directly discharged together with off-gas, for example, without oxidation. Although it is possible to re-use as a gas humidifying material, this configuration is particularly suitable for a fuel cell system mounted on a moving body such as a vehicle.

図1に示すように、本発明の実施の形態における燃料電池システム100は、気液分離器56を除く燃料ガス系流通機構は、配管部分の一部を除き、実質的にスタックケース62内にすべて収容されている。スタックケース62内に収容された部分においては、環境温度の低下に伴う水分の凍結などの不具合を防止または抑制することが可能である。また、特に、再生ガスの燃料電池スタック50への供給に寄与するポンプ(またはインジェクタ)60も含め、スタックケース62内に収容することにより、モータの高速回転などに起因する騒音(異音)や振動を緩和し、抑制することも可能となるため、好適である。一方、気液分離器56は、スタックケース62の外部に設けられている。これにより、燃料電池スタック50の運転に伴うスタックケース62の内部温度にかかわらず確実に燃料ガスのオフガスを気液分離させることが可能となる一方、寒冷時には、冷却媒体の少なくとも一部を、気液分離器56の近傍の冷媒導入流路72に導入することにより、気液分離器56内部での水分の凍結を抑制することが可能となる。   As shown in FIG. 1, in the fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention, the fuel gas system circulation mechanism excluding the gas-liquid separator 56 is substantially in the stack case 62 except for a part of the piping portion. All are housed. In the portion accommodated in the stack case 62, it is possible to prevent or suppress problems such as freezing of moisture accompanying a decrease in environmental temperature. In particular, by including the pump (or injector) 60 that contributes to the supply of the regeneration gas to the fuel cell stack 50 in the stack case 62, noise (abnormal noise) caused by high-speed rotation of the motor, etc. Since vibration can be reduced and suppressed, it is preferable. On the other hand, the gas-liquid separator 56 is provided outside the stack case 62. This makes it possible to gas-liquid-separate off-gas of the fuel gas reliably regardless of the internal temperature of the stack case 62 associated with the operation of the fuel cell stack 50. On the other hand, at the time of cold, By introducing the refrigerant into the refrigerant introduction flow path 72 in the vicinity of the liquid separator 56, it becomes possible to suppress freezing of moisture inside the gas-liquid separator 56.

このように、本発明の実施の形態によれば、環境温度に依存せず、オフガスを確実に気液分離させることが可能となる。   Thus, according to the embodiment of the present invention, it is possible to gas-liquid-separate offgas reliably without depending on the environmental temperature.

本発明は、反応ガスのオフガスを気液分離させて再利用する燃料電池システムにおいて好適に利用することが可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be suitably used in a fuel cell system that recycles the reaction gas off-gas by gas-liquid separation.

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of a structure of the fuel cell system in embodiment of this invention. 単セルの構成の概略を例示する図である。It is a figure which illustrates the outline of a structure of a single cell.

符号の説明Explanation of symbols

10 電解質膜、12 カソード触媒層、14 アノード触媒層、16 カソード拡散層、18 アノード拡散層、20 酸化ガス流路、22 セル冷媒流路、24 燃料ガス流路、26 カソード側セパレータ、28 アノード側セパレータ、30 膜電極接合体(MEA)、40 単セル、50 燃料電池スタック、52 燃料ガス供給流路、54 燃料ガス排出流路、56 気液分離器、58 再生ガス供給流路、60 ポンプ、62 スタックケース、64 酸化ガス供給流路、66 酸化ガス排出流路、68 ラジエータ、70a,70b 冷媒流路、72 冷媒導入流路、74 冷媒導入制御部、76 排水流路、100 燃料電池システム。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electrolyte membrane, 12 Cathode catalyst layer, 14 Anode catalyst layer, 16 Cathode diffusion layer, 18 Anode diffusion layer, 20 Oxidation gas flow path, 22 Cell refrigerant flow path, 24 Fuel gas flow path, 26 Cathode side separator, 28 Anode side Separator, 30 membrane electrode assembly (MEA), 40 single cell, 50 fuel cell stack, 52 fuel gas supply flow path, 54 fuel gas discharge flow path, 56 gas-liquid separator, 58 regenerative gas supply flow path, 60 pump, 62 Stack case, 64 Oxidizing gas supply channel, 66 Oxidizing gas discharge channel, 68 Radiator, 70a, 70b Refrigerant channel, 72 Refrigerant introduction channel, 74 Refrigerant introduction controller, 76 Drain channel, 100 Fuel cell system.

Claims (3)

燃料ガスと酸化ガスとを反応ガスとする単セルを積層させた燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを収容する筐体と、
前記燃料電池スタックから前記反応ガスのオフガスを排出させる反応ガス排出流路と、
前記反応ガス排出流路に連通し、流入する前記オフガスを気液分離させる気液分離手段と、
を備え、
前記気液分離手段は、前記筐体の外部に設けられており、前記燃料電池スタックから前記反応ガス排出流路を介して流入するオフガス中の水分を凝縮させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack in which unit cells using fuel gas and oxidizing gas as reaction gases are stacked;
A housing for housing the fuel cell stack;
A reaction gas discharge channel for discharging the off gas of the reaction gas from the fuel cell stack;
A gas-liquid separation means that communicates with the reaction gas discharge flow path and separates the off-gas flowing into the gas-liquid;
With
The gas-liquid separation means is provided outside the casing and condenses moisture in off-gas flowing from the fuel cell stack through the reaction gas discharge channel.
請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記反応ガス排出流路は、燃料ガスのオフガスを排出させる燃料ガス排出流路であり、
前記気液分離手段により前記燃料ガスのオフガスから気液分離させた水分を除去した再生ガスを前記燃料電池スタック内に供給させる再生ガス供給流路をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
The reaction gas discharge flow path is a fuel gas discharge flow path for discharging off-gas of the fuel gas,
A fuel cell system, further comprising a regeneration gas supply channel for supplying regeneration gas from the fuel gas off-gas separated from the fuel gas off-gas by the gas-liquid separation means into the fuel cell stack.
請求項1または2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの冷却に供される冷却媒体の少なくとも一部を、前記気液分離手段の近傍に導入可能な冷媒導入流路と、
前記冷却媒体の導入を制御する冷媒導入制御部と、
をさらに備え、
前記冷媒導入制御部は、前記気液分離手段の温度に基づいて前記冷却媒体の導入を制御す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 or 2,
A refrigerant introduction passage capable of introducing at least a part of a cooling medium provided for cooling the fuel cell stack in the vicinity of the gas-liquid separation unit;
A refrigerant introduction control unit for controlling introduction of the cooling medium;
Further comprising
The refrigerant introduction control unit controls introduction of the cooling medium based on a temperature of the gas-liquid separation unit.
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