JP2009238391A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct water injection type fuel cell system efficiently recovering water and preventing insufficient direct water injection even under high temperatures. <P>SOLUTION: The fuel cell system is constituted so that liquid water can be foggily sprayed in a supply air on an air take-in port side more than a downstream heat exchanger in an air supply passage, that is, in the supply air before flowing in the down stream heat exchanger by a second water supply means. By this constitution, the temperature of supply air before it flows in the down stream heat exchanger can be lowered by latent heat of vaporization of the sprayed liquid water. The supply air on which liquid water is sprayed acts as a cooling medium and condensing ability of water in the downstream heat exchanger can be increased. As a result, the recovery of liquid water in the downstream heat exchanger can be increased. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池を含む直噴水タイプの燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a direct fountain type fuel cell system including a solid polymer type fuel cell.

固体高分子型燃料電池の単位セルは、燃料極(水素極、アノード極)と空気極(酸素極、カソード極)との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、燃料極へ供給される燃料ガス(例えば、水素)と空気極へ供給される酸化剤ガス(例えば、空気)とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。   The unit cell of the polymer electrolyte fuel cell has a configuration in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode (hydrogen electrode, anode electrode) and an air electrode (oxygen electrode, cathode electrode). Power generation is performed by electrochemically reacting a supplied fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) supplied to the air electrode.

この発電に伴い発熱した空気極を冷却すると共に固体高分子電解質膜の乾燥を防ぎ発電性能を高める目的で、例えば、特開平11−242962号公報(特許文献1)において、空気極に液体水を霧状に噴射する直噴水タイプの燃料電池システム(燃料電池装置)が提案されている。   For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-242962 (Patent Document 1), liquid water is applied to the air electrode in order to cool the air electrode that has generated heat and to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being dried and to improve power generation performance. A direct-fountain-type fuel cell system (fuel cell device) that injects in the form of a mist has been proposed.

ここで、図7を参照して、従来における直噴水タイプの燃料電池システムの概略を説明する。図7は、従来の直噴水タイプの燃料電池システム200の構成を示すブロック図である。   Here, an outline of a conventional direct fountain type fuel cell system will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a conventional direct fountain type fuel cell system 200.

図7に示すように、従来の燃料電池システム200は、複数の単位セルが積層されて構成される燃料電池スタック140と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック140を構成する各単位セルの燃料極へ供給するための水素ガス供給系150と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック140を構成する各単位セルの空気極へ常圧で供給するための空気供給系160と、燃料電池スタック140の空気極へ霧状の液体水を供給して単位セルを冷却し加湿(湿潤)する水供給系180と、燃料電池スタック140の空気極から排出された排気を排出する排気系120とを備えている。   As shown in FIG. 7, a conventional fuel cell system 200 includes a fuel cell stack 140 configured by stacking a plurality of unit cells, and hydrogen gas as a fuel gas, and unit cells constituting the fuel cell stack 140. A hydrogen gas supply system 150 for supplying to the fuel electrode, an air supply system 160 for supplying air as an oxidant gas to the air electrode of each unit cell constituting the fuel cell stack 140 at normal pressure, A water supply system 180 that supplies mist-like liquid water to the air electrode of the fuel cell stack 140 to cool and humidify the unit cell, and an exhaust system that discharges exhaust gas discharged from the air electrode of the fuel cell stack 140 120.

かかる燃料電池システム200では、水素供給系150において水素貯蔵タンク151に貯蔵される水素を燃料電池スタック140における各単位セルの燃料極へ供給すると共に、空気供給系160において送風機161により取り入れた外気(空気)を、空気マニホールド162を介して各単位セルの空気極へ常圧で供給することによって発電を行う。   In the fuel cell system 200, hydrogen stored in the hydrogen storage tank 151 in the hydrogen supply system 150 is supplied to the fuel electrode of each unit cell in the fuel cell stack 140, and the outside air (intaken by the blower 161 in the air supply system 160). Electricity is generated by supplying air) to the air electrode of each unit cell through the air manifold 162 at normal pressure.

その一方で、水供給系180において水タンク181に貯留されている液体水を給水ポンプ180によってノズル182へ圧送し、このノズル182から、液体水を空気マニホールド162に向けて噴射する。このように空気マニホールド162へ噴射された液体水は、空気供給系162を流通する空気流によって霧状となって燃料電池スタック140に送り込まれ、空気極を冷却し、固体高分子電解質膜を加湿する。   On the other hand, the liquid water stored in the water tank 181 in the water supply system 180 is pumped to the nozzle 182 by the water supply pump 180, and the liquid water is ejected from the nozzle 182 toward the air manifold 162. The liquid water jetted to the air manifold 162 in this manner is atomized by the air flow flowing through the air supply system 162 and sent to the fuel cell stack 140 to cool the air electrode and humidify the solid polymer electrolyte membrane. To do.

排気系120における排気経路上には、凝縮器121が設けられている。この凝縮器121は、燃料電池スタック140の空気極から排出された排気を外気温との熱交換によって冷却し、該排気中に含まれる水分を凝縮して分離する。凝縮器121によって分離された液体水は、回収ポンプ184によって水タンク181へと圧送される。   A condenser 121 is provided on the exhaust path in the exhaust system 120. The condenser 121 cools the exhaust discharged from the air electrode of the fuel cell stack 140 by heat exchange with the outside air temperature, and condenses and separates moisture contained in the exhaust. The liquid water separated by the condenser 121 is pumped to the water tank 181 by the recovery pump 184.

このように、直噴水タイプの燃料電池システム200の水供給系180は、水タンク181に貯留される液体水を燃料電池スタック140の冷却水及び加湿水として供給し、燃料電池スタック140から排出される排気中に含まれる水分を凝縮器121によって凝縮して液体水として回収し、回収した液体水を水タンク181に戻す循環系として構成されている。
特開平11−242962号公報
As described above, the water supply system 180 of the direct fountain type fuel cell system 200 supplies liquid water stored in the water tank 181 as cooling water and humidified water of the fuel cell stack 140, and is discharged from the fuel cell stack 140. The water contained in the exhaust gas is condensed by the condenser 121 and recovered as liquid water, and the recovered liquid water is returned to the water tank 181 as a circulation system.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-242962

しかしながら、かかる循環系として構成される水供給系180は、外気温が高い場合には、凝縮器121と外気との温度差が小さくなるので、凝縮器121による熱交換(即ち、冷却)能力が低くなる。その結果、凝縮器121による水の凝縮効率が悪くなるため、排気から十分な液体水を回収することができず、燃料電池スタック140へ供給する液体水(直噴水)が不足するという問題があった。直噴水が不足すると、燃料電池スタック140の冷却及び加湿が不十分となり、発電効率の低下が生じる。   However, when the outside air temperature is high, the water supply system 180 configured as such a circulation system has a small temperature difference between the condenser 121 and the outside air, so that the heat exchange (ie, cooling) ability by the condenser 121 is reduced. Lower. As a result, the water condensing efficiency by the condenser 121 is deteriorated, so that sufficient liquid water cannot be recovered from the exhaust gas, and there is a problem that the liquid water (direct jet water) supplied to the fuel cell stack 140 is insufficient. It was. When the direct fountain is insufficient, the fuel cell stack 140 is not sufficiently cooled and humidified, resulting in a decrease in power generation efficiency.

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、高温環境下であっても、水の回収性が良く直噴水の不足を防止できる直噴水タイプの燃料電池システムを提供することを目的としている。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and provides a direct fountain type fuel cell system that can recover water well and prevent shortage of direct fountain even under a high temperature environment. The purpose is that.

この目的を達成するために、請求項1記載の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び空気極とを含んで構成される燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、空気取入口を介して系外から取り入れた供給空気を、給気経路を介して前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、液体水を貯留する貯水手段と、その貯水手段に貯留されている液体水を霧状に噴射して前記空気極へ前記液体水を供給する第1の水供給手段と、前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を系外へ導出する排気経路の前記燃料電池側に位置し、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する上流側熱交換器と、その上流側熱交換器より前記排気経路の出口側に位置すると共に、前記給気経路上に位置し、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する下流側熱交換器と、前記上流側熱交換器及び下流側熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す水回収手段と、前記給気経路における前記下流側熱交換器より前記空気取入口側に液体水を霧状に噴射する第2の水供給手段と、を備えている。   In order to achieve this object, a fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an air electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane from both sides; A fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode; and an oxidant gas supply for supplying supply air taken from outside the system via an air intake port to the air electrode via a supply path at normal pressure Means, water storage means for storing liquid water, first water supply means for injecting liquid water stored in the water storage means in the form of a mist to supply the liquid water to the air electrode, and the fuel cell The upstream heat is located on the fuel cell side of the exhaust path for leading the exhaust exhausted from the air electrode to the outside of the system, and condenses moisture from the exhaust and separates it as liquid water by cooling the exhaust by heat exchange Exchanger and its upstream heat A downstream heat exchanger that is located on the outlet side of the exhaust path from the exchanger and is located on the air supply path and that condenses moisture from the exhaust and separates it as liquid water by cooling the exhaust by heat exchange; Water recovery means for recovering liquid water from the upstream heat exchanger and the downstream heat exchanger and returning it to the water storage means; and liquid water from the downstream heat exchanger in the air supply path to the air intake side. And a second water supply means for injecting the water into a mist.

請求項2記載の燃料電池システムは、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記水回収手段による液体水の回収性を示す指標を取得する水回収性把握手段と、その水回収性把握手段により取得した指標に応じて、前記第2の水供給手段による水の噴射を制御する噴射制御手段を備えている。   The fuel cell system according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the water recoverability grasping means for obtaining an index indicating the recoverability of the liquid water by the water recovery means, and the water recoverability grasping means. According to the acquired index, there is provided an injection control means for controlling the injection of water by the second water supply means.

請求項3記載の燃料電池システムは、請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前記貯水手段に貯留される液体水の貯水量を検出する貯水量検出手段を備え、前記水回収性把握手段は、前記貯水量検出手段により検出される貯水量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得する。   The fuel cell system according to claim 3 is the fuel cell system according to claim 2, further comprising a storage amount detection means for detecting a storage amount of liquid water stored in the water storage means, wherein the water recoverability grasping means includes: The stored water amount detected by the stored water amount detecting means is acquired as an index indicating the recoverability of the liquid water.

請求項4記載の燃料電池システムは、請求項2記載の燃料電池システムにおいて、系内における水分量の収支に基づいて、前記水回収手段による液体水の推定回収量を算出する回収量推定手段と、前記水回収性把握手段は、前記回収量推定手段により算出される液体水の推定回収量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得する。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system according to the second aspect, wherein a recovery amount estimating means for calculating an estimated recovery amount of liquid water by the water recovery means on the basis of a moisture balance in the system. The water recoverability grasping means acquires the estimated recovered amount of liquid water calculated by the recovered amount estimating means as an index indicating the recoverability of the liquid water.

請求項1記載の燃料電池システムによれば、固体高分子型燃料電池の燃料極には、燃料ガス供給手段によって燃料ガスが供給される一方で、空気極には、酸化剤ガス供給手段によって系外から取り入れられた空気(供給空気)が給気経路を介して常圧で供給される。その結果、燃料電池は、燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電する。   According to the fuel cell system of the first aspect, the fuel gas is supplied to the fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell by the fuel gas supply means, while the air electrode is supplied to the fuel electrode by the oxidant gas supply means. Air taken in from outside (supply air) is supplied at normal pressure through the air supply path. As a result, the fuel cell generates power by an electrochemical reaction between the fuel gas and air.

このとき、第1の水供給手段により、貯留手段に貯留されている液体水が空気極へ霧状に噴射(噴霧)される。即ち、請求項1記載の燃料電池システムは、直噴水タイプの燃料電池システムとして構成されるものであり、かかる霧状の液体水(直噴水)によって空気極が冷却され加湿される。   At this time, the liquid water stored in the storage means is sprayed (sprayed) into the air electrode by the first water supply means. That is, the fuel cell system according to claim 1 is configured as a direct fountain type fuel cell system, and the air electrode is cooled and humidified by the mist-like liquid water (direct fountain).

燃料電池における空気極から排出された排気は、排気経路上に位置する上流側熱交換器及び下流側熱交換器をこの順で通過し、これらの熱交換器によって冷却された後、排気経路の出口から系外へ導出される。ここで、上流側熱交換器及び下流側熱交換器では、それぞれ、熱交換による冷却によって排気中の水分が凝縮して液体水として分離される。   Exhaust gas discharged from the air electrode in the fuel cell passes through the upstream heat exchanger and the downstream heat exchanger located on the exhaust path in this order, and is cooled by these heat exchangers. It is led out of the system from the exit. Here, in the upstream heat exchanger and the downstream heat exchanger, moisture in the exhaust is condensed and separated as liquid water by cooling by heat exchange.

上流側熱交換器及び下流側熱交換器において分離された液体水は、水回収手段によって回収され、貯水手段に戻される。それによって、第1の水供給手段によって燃料電池の空気極へ冷却水及び加湿水として供給するための液体水を、水回収手段によって該空気極から排出される排気から回収して循環する系が構成される。   The liquid water separated in the upstream heat exchanger and the downstream heat exchanger is recovered by the water recovery means and returned to the water storage means. Thereby, a system for recovering and circulating liquid water to be supplied as cooling water and humidified water to the air electrode of the fuel cell by the first water supply means from the exhaust discharged from the air electrode by the water recovery means. Composed.

ここで、請求項1記載の燃料電池システムによれば、給気経路における下流側熱交換器より空気取入口側の供給空気、即ち、下流側熱交換器に流入される前の供給空気に対して、第2の水供給手段により液体水を霧状に噴射(噴霧)することができるように構成されている。   According to the fuel cell system of the first aspect, the supply air on the air intake side from the downstream heat exchanger in the supply air path, that is, the supply air before flowing into the downstream heat exchanger Thus, the liquid water can be sprayed (sprayed) in the form of mist by the second water supply means.

かかる構成により、下流側熱交換器に流入される供給空気の温度を、噴霧された液体水の蒸発潜熱によって下げることができる。よって、液体水の噴霧された供給空気が冷却媒体として作用し、下流側熱交換器における水の凝縮能力を高めることができる。その結果、かかる下流側熱交換器における液体水の回収性を向上させることができる。   With this configuration, the temperature of the supply air flowing into the downstream heat exchanger can be lowered by the evaporation latent heat of the sprayed liquid water. Therefore, the supply air sprayed with liquid water acts as a cooling medium, and the water condensing capacity in the downstream heat exchanger can be enhanced. As a result, the recoverability of liquid water in the downstream heat exchanger can be improved.

従って、熱交換器による液体水の回収性が低くなる傾向にある高温環境下であっても、液体水を十分に回収して貯水手段に戻すことができるので、第1の水供給手段により燃料電池の空気極へ供給される液体水の量が、燃料電池の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを防止することができるという効果がある。   Therefore, even in a high temperature environment where the recoverability of liquid water by the heat exchanger tends to be low, the liquid water can be sufficiently recovered and returned to the water storage means. There is an effect that it is possible to prevent the amount of liquid water supplied to the air electrode of the battery from being insufficient to cool or humidify the fuel cell.

請求項2記載の燃料電池システムによれば、請求項1記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。第2の水供給手段は、噴射制御手段により、水回収性把握手段によって取得された水回収手段による液体水の回収性を示す指標に応じて制御されるように構成されている。   According to the fuel cell system of claim 2, in addition to the effect of the fuel cell system of claim 1, the following effect is obtained. The second water supply means is configured to be controlled by the injection control means in accordance with an index indicating the recoverability of the liquid water by the water recovery means acquired by the water recoverability grasping means.

このように、第2の水供給手段による液体水の噴射を必要に応じて行わせることにより、下流側熱交換器における液体水の回収性を必要に応じて高めることができるという効果がある。従って、例えば、水回収性把握手段により取得された指標が水回収性の低さを示す場合に、第2の水供給手段によって液体水の噴射を行わせるよう制御させることにより、下流側熱交換器における液体水の回収性を高めることができ、結果として、第1の水供給手段により燃料電池の空気極へ供給される液体水の量が、燃料電池の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを好適に防止することができる。   Thus, there is an effect that the recoverability of the liquid water in the downstream heat exchanger can be increased as necessary by causing the second water supply means to inject the liquid water as necessary. Therefore, for example, when the index acquired by the water recoverability grasping means indicates low water recoverability, the second water supply means is controlled to cause the liquid water to be ejected, whereby the downstream heat exchange is performed. As a result, the amount of liquid water supplied to the air electrode of the fuel cell by the first water supply means is insufficient to cool or humidify the fuel cell. It is possible to suitably prevent the amount from being reduced.

請求項3記載の燃料電池システムによれば、請求項2記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。貯水量検出手段により検出される貯水手段の貯水量が、水回収性把握手段により、液体水の回収性を示す指標として取得される。よって、液体水の回収性を示す指標を容易に取得することができるので、噴射制御手段による制御、即ち、液体水の回収性を向上させるための制御を容易に行うことができるという効果がある。   According to the fuel cell system of claim 3, in addition to the effect of the fuel cell system of claim 2, the following effect is obtained. The water storage amount of the water storage means detected by the water storage amount detection means is acquired as an index indicating the recoverability of the liquid water by the water recovery ability grasping means. Therefore, since an index indicating the recoverability of liquid water can be easily acquired, there is an effect that control by the injection control means, that is, control for improving the recoverability of liquid water can be easily performed. .

請求項4記載の燃料電池システムによれば、請求項2記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。系内における水分量の収支に基づいて回収量推定手段により算出された水回収手段による液体水の推定回収量が、水回収性把握手段により、液体水の回収性を示す指標として取得される。よって、液体水の回収性を示す指標が液体水の推定回収量であるので、噴射制御手段による制御、即ち、液体水の回収性を向上させるための制御を、予測制御(見込み制御)によって行うことができるという効果がある。   According to the fuel cell system of claim 4, in addition to the effect of the fuel cell system of claim 2, the following effect is obtained. The estimated recovery amount of liquid water by the water recovery means calculated by the recovery amount estimation means based on the balance of the amount of water in the system is acquired as an index indicating the recoverability of the liquid water by the water recovery ability grasping means. Therefore, since the index indicating the recoverability of the liquid water is the estimated recovery amount of the liquid water, the control by the injection control means, that is, the control for improving the recoverability of the liquid water is performed by the predictive control (prospect control). There is an effect that can be.

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の燃料電池システムである燃料電池システム100の一実施形態を示すブロック図である。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a fuel cell system 100 which is a fuel cell system of the present invention.

この燃料電池システム100は、燃料電池スタック40と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック40を構成する各単位セル10(図4など参照)の燃料極(水素極、アノード極)13(図4参照)へ供給するための水素ガス供給系50と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック40を構成する各単位セル10の空気極(酸素極、カソード極)12(図4参照)へ供給するための空気供給系60と、燃料電池スタック40を構成する各単位セル10の空気極12へ霧状の液体水を供給して単位セル10を冷却し加湿する水供給系80と、燃料電池スタック40(各単位セル10の空気極12)から排出される排気を系外へ排出する排気系110とを備えている。   This fuel cell system 100 uses a fuel cell stack 40 and hydrogen gas as a fuel gas to form a fuel electrode (hydrogen electrode, anode electrode) 13 (for each unit cell 10 (see FIG. 4 and the like)) constituting the fuel cell stack 40 ( A hydrogen gas supply system 50 for supplying to the gas cell stack 40 and air as an oxidant gas are supplied to the air electrode (oxygen electrode, cathode electrode) 12 of each unit cell 10 constituting the fuel cell stack 40 (see FIG. 4). ), And a water supply system 80 for supplying the mist liquid water to the air electrode 12 of each unit cell 10 constituting the fuel cell stack 40 to cool and humidify the unit cell 10. And an exhaust system 110 that exhausts exhaust exhausted from the fuel cell stack 40 (the air electrode 12 of each unit cell 10) to the outside of the system.

なお、図1に示す燃料電池システム100では、空気(供給空気、排気)の流通経路(空気供給路63や空気排出路111など)を最も太い実線により表しており、水素ガスの流通経路(水素ガス供給流路51aやガス導出路51dなど)を次に太い実線で表しており、水の流通経路(導水路81aや給水路81cなど)を点線で表している。また、燃料電池スタック40からの電気的な出力経路を二点鎖線で表している。   In the fuel cell system 100 shown in FIG. 1, air (supply air, exhaust) flow paths (air supply path 63, air discharge path 111, etc.) are represented by the thickest solid lines, and hydrogen gas flow paths (hydrogen The gas supply channel 51a, the gas outlet channel 51d, etc.) are next represented by the thick solid line, and the water distribution channel (the water conduit 81a, the water supply channel 81c, etc.) is represented by the dotted line. In addition, an electrical output path from the fuel cell stack 40 is indicated by a two-dot chain line.

燃料電池スタック40は、単位セル10(図4など参照)と、隣接する単位セル10の間に介装されて隣接する単位セル10を電気的に接続するセパレータ20(図4など参照)とを、単位セル10及びセパレータ20の厚み方向に積層した構成とされている。なお、燃料電池スタック40(各単位セル10)は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池に該当する。   The fuel cell stack 40 includes a unit cell 10 (see FIG. 4 and the like) and a separator 20 (see FIG. 4 and the like) that is interposed between the adjacent unit cells 10 and electrically connects the adjacent unit cells 10. The unit cell 10 and the separator 20 are stacked in the thickness direction. The fuel cell stack 40 (each unit cell 10) corresponds to a fuel cell that constitutes the fuel cell system of the present invention.

水素ガス供給系50は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料ガス供給手段に該当し、水素源となる水素ボンベである水素貯蔵タンク52と、その水素貯蔵タンク52に一端側が接続される水素ガス供給流路51aと、その水素ガス供給流路51aに一端側が接続され、他端側が燃料電池スタック40のガス取入口41に接続される水素ガス供給流路51bとを含んで構成される。   The hydrogen gas supply system 50 corresponds to a fuel gas supply means constituting the fuel cell system of the present invention, and a hydrogen storage tank 52 that is a hydrogen cylinder serving as a hydrogen source, and a hydrogen whose one end is connected to the hydrogen storage tank 52. The gas supply channel 51a includes a hydrogen gas supply channel 51b having one end connected to the hydrogen gas supply channel 51a and the other end connected to the gas inlet 41 of the fuel cell stack 40.

なお、水素ガス供給流路51aには、水素貯蔵タンク52の側から水素ガスの流通方向に向かって、水素元電磁弁(図示せず)と、一次圧センサ(図示せず)と、レギュレータ(図示せず)と、二次圧センサSE1と、並列接続される水素調圧弁53a及び水素起動電磁弁(図示せず)と、ガス供給弁53bと、三次圧センサSE2とが順に設けられている。   A hydrogen source solenoid valve (not shown), a primary pressure sensor (not shown), and a regulator (not shown) are provided in the hydrogen gas supply channel 51a from the hydrogen storage tank 52 side in the direction of hydrogen gas flow. (Not shown), a secondary pressure sensor SE1, a hydrogen pressure regulating valve 53a and a hydrogen starting solenoid valve (not shown) connected in parallel, a gas supply valve 53b, and a tertiary pressure sensor SE2 are provided in this order. .

また、水素ガス供給系50は、燃料電池スタック40のガス排出口42に一端側が接続されるガス排出流路51cと、そのガス排出流路51cの他端側に接続され、ガス排出口42から排出された水素ガスに含まれる水を回収するためのトラップ54とを含んでいる。   In addition, the hydrogen gas supply system 50 is connected to a gas discharge passage 51c having one end connected to the gas discharge port 42 of the fuel cell stack 40 and to the other end of the gas discharge passage 51c. And a trap 54 for recovering water contained in the discharged hydrogen gas.

さらに、水素ガス供給系50は、トラップ53に一端側が接続され、他端側が後述する排気流路111に接続されて、燃料電池スタック40から排出された水素ガスを系外へ導出するためのガス導出路51dを含んでいる。このガス導出路51dには、排気電磁弁53fが設けられている。   Further, the hydrogen gas supply system 50 has one end connected to the trap 53 and the other end connected to an exhaust passage 111, which will be described later, for deriving hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 40 out of the system. A lead-out path 51d is included. An exhaust solenoid valve 53f is provided in the gas lead-out path 51d.

加えて、水素ガス供給系50は、トラップ53に一端側が接続されて、燃料電池スタック40から排出された水素ガスを循環させる循環流路51eを有している。なお、この循環流路51eには、トラップ54の側からガスの流通方向に向かって、循環ポンプ55と、循環調圧弁53cとが順に設けられている。   In addition, the hydrogen gas supply system 50 is connected to the trap 53 at one end side, and has a circulation channel 51 e for circulating the hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 40. The circulation channel 51e is provided with a circulation pump 55 and a circulation pressure regulating valve 53c in this order from the trap 54 toward the gas flow direction.

また、水素ガス供給系50は、一端側が水素ガス供給流路51bに接続される外気導入路51gを有している。この外気導入路51gの他端側は外部に開口している。外気導入路51gには、開口側から順に、フィルタ56と、外気導入電磁弁53dとが設けられている。なお、循環流路51eにおけるガスの出口側の端部は、外気導入路51gにおける外気導入電磁弁53dよりも水素ガス供給流路51bの側に接続されている。   Further, the hydrogen gas supply system 50 has an outside air introduction path 51g whose one end is connected to the hydrogen gas supply path 51b. The other end side of the outside air introduction path 51g opens to the outside. In the outside air introduction path 51g, a filter 56 and an outside air introduction electromagnetic valve 53d are provided in this order from the opening side. Note that the gas outlet side end of the circulation channel 51e is connected to the hydrogen gas supply channel 51b side of the outside air introduction solenoid valve 53d in the outside air introduction channel 51g.

また、水素ガス供給系50は、減圧排出路51fを有している。この減圧排出路51fは、循環流路51eにおける循環ポンプ55と循環調圧弁53cとの間に一端側が接続され、他端側が後述する排気流路111に接続されている。この減圧排出路51fには、減圧電磁弁53eが設けられている。   Further, the hydrogen gas supply system 50 has a reduced pressure discharge path 51f. The decompression / discharge passage 51f has one end connected between the circulation pump 55 and the circulation pressure regulating valve 53c in the circulation passage 51e, and the other end connected to an exhaust passage 111 described later. The decompression discharge path 51f is provided with a decompression electromagnetic valve 53e.

空気供給系60は、給気経路である空気供給路63と、燃料電池スタック40における図示されない空気流路の上流側に設けられ、空気供給路63の出口側の端部が接続される空気マニホールド62とを含んで構成される。   The air supply system 60 is provided on the upstream side of an air supply path 63 that is an air supply path and an air flow path (not shown) in the fuel cell stack 40, and an air manifold to which an end portion on the outlet side of the air supply path 63 is connected. 62.

空気供給路63には、外気の取入口側から空気の流通方向に向かって、フィルタ64と、外気温センサSE6と、シロッコファンやターボファンなどの空気ファン61と、空気入口温度センサSE5とが順に設けられている。   The air supply path 63 includes a filter 64, an outside air temperature sensor SE6, an air fan 61 such as a sirocco fan or a turbo fan, and an air inlet temperature sensor SE5 from the outside air intake side toward the air flow direction. It is provided in order.

かかる構成を有する空気供給系60は、空気ファン61の駆動によって系外から取り入れた外気を、空気供給路63及び空気マニホールド62を介して、燃料電池スタック40の空気流路へ供給する。よって、本実施形態の燃料電池システム100は、常圧の空気(酸化剤ガス)を燃料電池スタック40に供給するシステムである。なお、この空気供給系60は、本発明の燃料電池システムを構成する酸化剤ガス供給手段に該当する。   The air supply system 60 having such a configuration supplies external air taken from outside the system by driving the air fan 61 to the air flow path of the fuel cell stack 40 via the air supply path 63 and the air manifold 62. Therefore, the fuel cell system 100 of the present embodiment is a system that supplies atmospheric pressure air (oxidant gas) to the fuel cell stack 40. The air supply system 60 corresponds to an oxidant gas supply means constituting the fuel cell system of the present invention.

また、図1に示すように、空気供給路63の経路上(具体的には、フィルタ64と空気ファン61との間)に、下流側熱交換器としての下流側凝縮器113が配設されている。   Further, as shown in FIG. 1, a downstream condenser 113 as a downstream heat exchanger is disposed on the path of the air supply path 63 (specifically, between the filter 64 and the air fan 61). ing.

排気系110は、燃料電池スタック40における空気流路の下流側に設けられた図示されない排気マニホールドに一端側が接続される排気経路として空気排出路111を含んで構成される。   The exhaust system 110 includes an air discharge path 111 as an exhaust path whose one end is connected to an exhaust manifold (not shown) provided on the downstream side of the air flow path in the fuel cell stack 40.

この空気排出路111の経路上には、燃料電池スタック40の側から空気(排気)の流通方向に向かって、排気温度センサSE9と、上流側熱交換器としての上流側凝縮器112と、下流側熱交換器としての下流側凝縮器113と、凝縮器排気温センサ(図示せず)と、フィルタ114とが順に設けられ、フィルタ114を通過した排気が系外へと排出される。   On the path of the air discharge path 111, an exhaust temperature sensor SE9, an upstream condenser 112 as an upstream heat exchanger, and a downstream side from the fuel cell stack 40 side toward the air (exhaust) flow direction. A downstream condenser 113 as a side heat exchanger, a condenser exhaust temperature sensor (not shown), and a filter 114 are provided in this order, and the exhaust gas that has passed through the filter 114 is discharged out of the system.

上流側凝縮器112及び下流側凝縮器113は、どちらも、外気温との熱交換によって排気の温度を冷却(調整)し、排気中に含まれる水分を凝縮により分離して回収するものである。   Both the upstream condenser 112 and the downstream condenser 113 cool (adjust) the temperature of the exhaust by heat exchange with the outside air temperature, and separate and recover the moisture contained in the exhaust by condensation. .

図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム100では、上流側凝縮器112の容量の方が、下流側凝縮器113の容量より大きく、それによって、上流側凝縮器112の熱交換容量の方が、下流側凝縮器113の熱交換容量より大きくなるように構成されている。よって、燃料電池スタック40から排出された高温の排気を、まず、上流側凝縮器112にて外気温程度に十分に冷却した後、下流側凝縮器113へ流入させることができる。   As shown in FIG. 1, in the fuel cell system 100 of the present embodiment, the capacity of the upstream condenser 112 is larger than the capacity of the downstream condenser 113, whereby the heat exchange capacity of the upstream condenser 112. This is configured to be larger than the heat exchange capacity of the downstream condenser 113. Therefore, the high-temperature exhaust gas discharged from the fuel cell stack 40 can first be sufficiently cooled to the ambient temperature by the upstream condenser 112 and then flowed into the downstream condenser 113.

詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム100では、下流側凝縮器113に流入される前の供給空気に対してノズル83bから液体水を霧状に噴射(噴霧)し、その水の蒸発潜熱を利用して下流側凝縮器113に流入される供給空気の温度を外気温以下に下げることによって、下流側凝縮器113における水の凝縮能力を高め、水の回収性を向上させるように構成されている。   Although details will be described later, in the fuel cell system 100 of the present embodiment, liquid water is sprayed (sprayed) from the nozzle 83b to the supply air before flowing into the downstream condenser 113, and the water By using the latent heat of evaporation to lower the temperature of the supply air flowing into the downstream condenser 113 below the outside air temperature, the water condensing capacity in the downstream condenser 113 is increased and the water recoverability is improved. It is configured.

従って、燃料電池スタック40から排出された高温の排気が上流側凝縮器112にて十分に冷却されたことによって、下流側凝縮器113の内部の温度を比較的低い温度に抑制することができる。そのため、高温の気体の高い飽和蒸気圧によって水分が系外へ持ち出されることを防ぐことができると共に、液体水の噴霧によって冷却された供給空気による排気からの水の凝縮を高効率に行うことができる。   Therefore, when the high-temperature exhaust discharged from the fuel cell stack 40 is sufficiently cooled by the upstream condenser 112, the temperature inside the downstream condenser 113 can be suppressed to a relatively low temperature. Therefore, it is possible to prevent moisture from being taken out of the system by the high saturated vapor pressure of the high-temperature gas, and to efficiently condense the water from the exhaust by the supply air cooled by the spray of liquid water. it can.

図1に示すように、上流側凝縮器112には、放熱用のファン112aが設けられている。かかるファン112aにより上流側凝縮器112からの熱の放出量を調整することができる。   As shown in FIG. 1, the upstream condenser 112 is provided with a heat dissipating fan 112a. The amount of heat released from the upstream condenser 112 can be adjusted by the fan 112a.

水供給系80は、水タンク82と、その水タンク82に一端側が接続され、水タンク82に貯留されている水を燃料電池スタック40へ供給するための給水路81cを含んで構成される。なお、この水供給系80における給水路81cは、本発明の燃料電池システムを構成する第1の水供給手段に該当する。   The water supply system 80 includes a water tank 82 and a water supply path 81 c that is connected to the water tank 82 at one end and supplies water stored in the water tank 82 to the fuel cell stack 40. In addition, the water supply path 81c in this water supply system 80 corresponds to the 1st water supply means which comprises the fuel cell system of this invention.

水タンク82は、燃料電池スタック40へ冷却水及び加湿水となる水を供給するための水を貯留するものであり、この水タンク82には、水温センサSE7と、水位センサSE8とが設けられている。   The water tank 82 stores water for supplying cooling water and humidified water to the fuel cell stack 40. The water tank 82 is provided with a water temperature sensor SE7 and a water level sensor SE8. ing.

給水路81cには、水タンク82の側から水の流通方向に向かって、フィルタ84と、給水ポンプ85と、水供給電磁弁86と、給水路81cからの水の出口となるノズル83aとが順に設けられている。   A filter 84, a water supply pump 85, a water supply electromagnetic valve 86, and a nozzle 83a serving as an outlet of water from the water supply path 81c are provided in the water supply path 81c from the water tank 82 side in the direction of water flow. It is provided in order.

ノズル83aの先端は、空気マニホールド62に向けられており、給水路81cを介して水タンク82から導かれた水は、ノズル83aの先端から噴射される。ノズル83aから空気マニホールド62へ向けて噴射された水は、空気供給系60を流通する供給空気の流れによって霧状となって燃料電池スタック40へ送り込まれる。この霧状に噴射された水は、各単位セル10(図4など参照)の空気極12へと流れ込み、燃料電池スタック40に対する冷却水及び加湿水として作用する。   The tip of the nozzle 83a is directed to the air manifold 62, and the water guided from the water tank 82 via the water supply path 81c is jetted from the tip of the nozzle 83a. The water jetted from the nozzle 83 a toward the air manifold 62 is sent to the fuel cell stack 40 in the form of a mist by the flow of supply air flowing through the air supply system 60. The water sprayed in the form of mist flows into the air electrode 12 of each unit cell 10 (see FIG. 4 and the like), and acts as cooling water and humidifying water for the fuel cell stack 40.

また、給水路81cにおける水タンク82とフィルタ84との間には、外気取入路81dが接続されており、この外気取入路81には、外気取入電磁弁87が設けられている。   An outside air intake path 81d is connected between the water tank 82 and the filter 84 in the water supply path 81c, and an outside air intake electromagnetic valve 87 is provided in the outside air intake path 81.

図1に示すように、水供給系80はまた、上流側凝縮器112により回収された水を水タンク82へ導く導水路81aと、下流側凝縮器113により回収された水を水タンク82へ導く導水路81bとを含んでいる。なお、この水供給系80における導水路81a,81bは、本発明の燃料電池システムを構成する水回収手段に該当する。   As shown in FIG. 1, the water supply system 80 also supplies the water collected by the upstream condenser 112 to the water tank 82, and the water collected by the downstream condenser 113 to the water tank 82. And a water conduit 81b for guiding. In addition, the water conduits 81a and 81b in the water supply system 80 correspond to the water recovery means constituting the fuel cell system of the present invention.

導水路81aは、その一端側が上流側凝縮器112に接続され、他端側が水タンク82に接続された経路であり、この導水路81aには、回収ポンプ88が設けられている。また、導水路81bは、その一端側が下流側凝縮器113に接続され、他端側が導水路81aにおける上流側凝縮器112と回収ポンプ88との間に接続されている。   The water conduit 81a is a path in which one end side is connected to the upstream condenser 112 and the other end side is connected to the water tank 82, and a recovery pump 88 is provided in the water conduit 81a. One end side of the water conduit 81 b is connected to the downstream condenser 113, and the other end is connected between the upstream condenser 112 and the recovery pump 88 in the water conduit 81 a.

このように、水供給系80は、水タンク82に貯留される液体水を、給水路81cを介して燃料電池スタック40の冷却水及び加湿水として供給し、燃料電池スタック40から排出される排気中に含まれる水分を凝縮器112,113によって凝縮して液体水として分離し、かかる水を導水路81a,81bを介して水タンク82に戻す循環系として構成されている。   Thus, the water supply system 80 supplies the liquid water stored in the water tank 82 as the cooling water and the humidified water of the fuel cell stack 40 via the water supply path 81c, and the exhaust discharged from the fuel cell stack 40. The water contained therein is condensed by the condensers 112 and 113 and separated as liquid water, and the water is returned to the water tank 82 via the water conduits 81a and 81b.

また、 図1に示すように、水供給系80は、給水路81cにおける給水ポンプ85より燃料電池スタック40側から分岐し、水タンク82に貯留されている水を、下流側凝縮器113へ流入する前の空気へ供給するための給水路81eを含んでいる。なお、この水供給系80における給水路81eは、本発明の燃料電池システムを構成する第2の水供給手段に該当する。   Further, as shown in FIG. 1, the water supply system 80 branches from the fuel cell stack 40 side from the water supply pump 85 in the water supply path 81 c and flows the water stored in the water tank 82 into the downstream condenser 113. The water supply path 81e for supplying to the air before performing is included. The water supply path 81e in the water supply system 80 corresponds to the second water supply means that constitutes the fuel cell system of the present invention.

給水路81eは、上述のように給水路81cにおける給水ポンプ85より燃料電池スタック40側から分岐した水の流通経路であり、他端側が、空気供給路63における下流側凝縮器113とフィルタ64との間に接続されている。この給水路81eには、水タンク82の側から水の流通方向に向かって、水供給電磁弁89と、給水路81eからの水の出口となるノズル83bとが順に設けられている。   The water supply path 81e is a water distribution path branched from the fuel cell stack 40 side from the water supply pump 85 in the water supply path 81c as described above, and the other end is the downstream condenser 113 and the filter 64 in the air supply path 63. Connected between. In this water supply path 81e, a water supply electromagnetic valve 89 and a nozzle 83b serving as an outlet of water from the water supply path 81e are sequentially provided from the water tank 82 side toward the direction of water flow.

給水路81eを流通してきた水は、ノズル83bの先端から、空気供給路63を流通する空気(供給空気)に向けて噴霧される。その結果、噴霧された水の蒸発潜熱によって供給空気が外気温以下に冷却された後、下流側凝縮器113に流入される。   The water that has flowed through the water supply path 81e is sprayed from the tip of the nozzle 83b toward the air (supply air) that flows through the air supply path 63. As a result, the supply air is cooled below the ambient temperature by the latent heat of vaporization of the sprayed water, and then flows into the downstream condenser 113.

よって、下流側凝縮器113に流入する供給空気(即ち、系外から取り入れられ、水が噴霧された供給空気)が冷却媒体として作用し、その結果、下流側凝縮器113における水の凝縮能力が高まり、下流側凝縮器113における水の回収性が向上する。   Therefore, the supply air flowing into the downstream condenser 113 (that is, the supply air taken from outside the system and sprayed with water) acts as a cooling medium, and as a result, the water condensation capacity in the downstream condenser 113 is reduced. The water recoverability in the downstream condenser 113 is improved.

なお、詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム100は、水位センサSE8によって水タンク82に貯留される貯留水の水位が所定レベル以下となった場合に、水供給電磁弁89を開放してノズル83bから水を噴霧させ、それによって、下流側凝縮器113における水の回収性を向上させるように構成されている。   Although details will be described later, the fuel cell system 100 of the present embodiment opens the water supply electromagnetic valve 89 when the water level of the stored water stored in the water tank 82 is below a predetermined level by the water level sensor SE8. Then, water is sprayed from the nozzle 83b, thereby improving the recoverability of water in the downstream condenser 113.

以上のように構成された燃料電池システム100を運転する場合には、空気ファン61を駆動させ、系外から取り入れた外気(空気)を燃料電池スタック40の空気流路内へ供給すると共に、水供給系80の給水ポンプ85を駆動させて水を供給する。一方で、水素ガス供給系50の各電磁弁(電磁弁51a〜51gなど)を調整し、水素ガスを所定の圧力として燃料電池スタック40の水素ガス流路内へ供給する。   When operating the fuel cell system 100 configured as described above, the air fan 61 is driven to supply outside air (air) taken from outside the system into the air flow path of the fuel cell stack 40, The water supply pump 85 of the supply system 80 is driven to supply water. On the other hand, each solenoid valve (such as solenoid valves 51a to 51g) of the hydrogen gas supply system 50 is adjusted to supply hydrogen gas into the hydrogen gas flow path of the fuel cell stack 40 as a predetermined pressure.

その結果、燃料電池スタック40を構成する各単位セル10にて水素と酸素とによる水生成反応(電極反応)が行われ、生じた電流が負荷系90へ流れる。かかる燃料電池システム100の運転中は、霧状となって供給される水によって各単位セル10が冷却及び加湿される。   As a result, a water generation reaction (electrode reaction) between hydrogen and oxygen is performed in each unit cell 10 constituting the fuel cell stack 40, and the generated current flows to the load system 90. During operation of the fuel cell system 100, each unit cell 10 is cooled and humidified by water supplied in the form of a mist.

上記構成を有する燃料電池システム100には、負荷系90が接続されており、燃料電池スタック40から出力される電力は、この負荷系90に供給される。燃料電池スタック40の電極は、配線91を介して、リレー92,93に接続されている。さらに、これらのリレー92,93には、インバータ94を介してモータ95に接続されている。また、インバータ94には、出力制御装置95を介して補助電源96が接続されている。この負荷系90には、燃料電池スタック40の出力電圧を検出する電圧センサSE4と、燃料電池スタック40の出力電流を検出する電流センサSE3とが設けられている。   A load system 90 is connected to the fuel cell system 100 having the above-described configuration, and power output from the fuel cell stack 40 is supplied to the load system 90. The electrodes of the fuel cell stack 40 are connected to relays 92 and 93 via wiring 91. Further, these relays 92 and 93 are connected to a motor 95 via an inverter 94. In addition, an auxiliary power source 96 is connected to the inverter 94 via an output control device 95. The load system 90 is provided with a voltage sensor SE4 for detecting the output voltage of the fuel cell stack 40 and a current sensor SE3 for detecting the output current of the fuel cell stack 40.

図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム100は、燃料電池システム100の運転を制御する制御装置70をさらに有している。この制御装置70は、中央演算処理装置であるCPU71と、CPU71により実行される制御プログラムや固定値データ等を格納した書き換え不能な不揮発性のメモリであるROM72と、制御プログラムの実行時に各種のデータを書き換え可能に記憶するRAM73と、これらのCPU71、ROM72、及びRAM73とバスライン74を介して接続される入出力ポート75とから主に構成される。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 of the present embodiment further includes a control device 70 that controls the operation of the fuel cell system 100. The control device 70 includes a CPU 71 which is a central processing unit, a ROM 72 which is a non-rewritable nonvolatile memory storing a control program executed by the CPU 71 and fixed value data, and various data when the control program is executed. Are rewritable RAM 73 and CPU 71, ROM 72, and input / output port 75 connected to RAM 73 via bus line 74.

この制御装置70の入出力ポート75には、図示されない配線によって、各センサ(センサSE1〜SE9など)、各電磁弁(電磁弁51a〜51f,86,87など)、各ポンプ85,88、空気ファン61、インバータ94、及び出力制御装置95などに接続されている。制御装置70は、各センサからの検出値の入力に基づいて、各電磁弁(電磁弁51a〜51f,86,87など)、各ポンプ85,88、空気ファン61、インバータ94、及び出力制御装置95などの制御等、燃料電池システム100を運転するための各種制御を行う。   An input / output port 75 of the control device 70 has sensors (sensors SE1 to SE9, etc.), solenoid valves (electromagnetic valves 51a to 51f, 86, 87, etc.), pumps 85, 88, and air by wiring (not shown). The fan 61, the inverter 94, and the output control device 95 are connected. Based on the input of the detection value from each sensor, the control device 70 includes each electromagnetic valve (electromagnetic valves 51a to 51f, 86, 87, etc.), each pump 85, 88, air fan 61, inverter 94, and output control device. Various controls for operating the fuel cell system 100 such as a control of 95 and the like are performed.

また、図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム100では、制御装置70の入出力ポート75が、水タンク82に貯留される貯留水の水位を検出する水位センサSE8と、給水路81e上に設けられている水供給電磁弁89とに接続されている。   Further, as shown in FIG. 1, in the fuel cell system 100 of the present embodiment, the input / output port 75 of the control device 70 includes a water level sensor SE8 that detects the level of stored water stored in the water tank 82, and a water supply channel. It is connected to a water supply electromagnetic valve 89 provided on 81e.

詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム100の制御装置70は、水位センサSE8による検出値(即ち、水タンク82に貯留される貯留水の水位)が所定レベル以下となった場合に、水の回収性が低いと判断し、下流側凝縮器113による水の回収性を上げるべく水供給電磁弁89を開放する。   Although details will be described later, the control device 70 of the fuel cell system 100 according to the present embodiment detects when the detection value by the water level sensor SE8 (that is, the water level of the stored water stored in the water tank 82) becomes a predetermined level or less. The water supply electromagnetic valve 89 is opened in order to improve the water recoverability of the downstream condenser 113 by determining that the water recoverability is low.

次に、図2〜図4を参照して、燃料電池スタック40の構成について説明する。図2(a)は、本実施形態における燃料電池スタック40を模式的に示す上面図であり、図2(b)は、燃料電池スタック40を構成するセルモジュール30を模式的に示す上面図である。なお、図2(a)では、2つのセルモジュール30を代表として図示し、その他のセルモジュール30の図示を省略している。また、図2(b)では、理解を容易にする目的で、単位セル10とセパレータ20との位置関係のみ図示し、具体的構成は省略している。   Next, the configuration of the fuel cell stack 40 will be described with reference to FIGS. FIG. 2A is a top view schematically showing the fuel cell stack 40 in the present embodiment, and FIG. 2B is a top view schematically showing the cell module 30 constituting the fuel cell stack 40. is there. In FIG. 2A, two cell modules 30 are shown as representatives, and the other cell modules 30 are not shown. Further, in FIG. 2B, only the positional relationship between the unit cell 10 and the separator 20 is illustrated for the purpose of facilitating understanding, and a specific configuration is omitted.

また、図3(a)は、セルモジュール30を空気極側から見た正面図であり、図3(b)は、セルモジュール30を燃料極側から見た正面図である。図4(a)は、図3(a)のIVa−IVa矢視要部断面図であり、図4(b)は、図3(a)の矢視要部断面図である。   FIG. 3A is a front view of the cell module 30 viewed from the air electrode side, and FIG. 3B is a front view of the cell module 30 viewed from the fuel electrode side. 4A is a cross-sectional view taken along the arrow IVa-IVa in FIG. 3A, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the arrow in FIG.

図2(a)に示すように、本実施形態における燃料電池スタック40は、セルモジュール30を複数積層して構成される。   As shown in FIG. 2A, the fuel cell stack 40 in the present embodiment is configured by stacking a plurality of cell modules 30.

セルモジュール30は、図2(b)に示すように、単位セル10と、隣接する単位セル10の間に介装されて隣接する単位セル10を電気的に接続するセパレータ20とを、単位セル10及びセパレータ20を支持するフレーム17,18を1セットとして、厚み方向に複数セット積層して構成される。なお、図2(b)に例示されるセルモジュール30は、単位セル10及びセパレータ20などを含む1セットが10セット積層されたものである。   As shown in FIG. 2B, the cell module 30 includes a unit cell 10 and a separator 20 that is interposed between the adjacent unit cells 10 and electrically connects the adjacent unit cells 10 to each other. 10 and frames 17 and 18 that support the separator 20 are set as one set, and a plurality of sets are laminated in the thickness direction. In addition, the cell module 30 illustrated in FIG. 2B is obtained by laminating 10 sets each including the unit cell 10 and the separator 20.

セルモジュール30は、隣接する単位セル10が所定の間隔に離間されて配置されるように、単位セル10とセパレータ20とが、2種類のフレーム17,18を交互にスペーサとして多段に重ねられて積層されている。   In the cell module 30, unit cells 10 and separators 20 are stacked in multiple stages using two types of frames 17 and 18 alternately as spacers so that adjacent unit cells 10 are arranged at a predetermined interval. Are stacked.

セルモジュール30における積層方向の一端(図2(a)における上端面側)は、図3(a)に示すように、セパレータ20の空気極側コレクタ22の端面とフレーム17の端面とで終端している。一方で、セルモジュール30における積層方向の他端(図2(a)における下端面側)は、図3(b)に示すように、セパレータ20の燃料極側コレクタ23の端面とフレーム18の端面とで終端している。   One end of the cell module 30 in the stacking direction (the upper end surface side in FIG. 2A) terminates at the end surface of the air electrode side collector 22 of the separator 20 and the end surface of the frame 17 as shown in FIG. ing. On the other hand, the other end of the cell module 30 in the stacking direction (the lower end face side in FIG. 2A) is the end face of the fuel electrode side collector 23 of the separator 20 and the end face of the frame 18, as shown in FIG. And terminated with.

図4(a)及び図4(b)に示すように、単位セル10は、固体高分子電解質膜11と、その固体高分子電解質膜11の一方の面に当接する空気極12と、固体高分子電解質膜11の他方の面に当接する燃料極13とから構成されている。   As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, the unit cell 10 includes a solid polymer electrolyte membrane 11, an air electrode 12 in contact with one surface of the solid polymer electrolyte membrane 11, a solid height The fuel electrode 13 is in contact with the other surface of the molecular electrolyte membrane 11.

固体高分子電解質膜11としては、例えば、Nafion(登録商標:デュポン社製)やAciplex(登録商標:旭化成(株)製)など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。   Examples of the solid polymer electrolyte membrane 11 include solid polymer electrolyte membranes applicable to solid polymer fuel cells such as Nafion (registered trademark: manufactured by DuPont) and Aciplex (registered trademark: manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.). Can be used.

空気極12は、空気(酸化剤ガス)を拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層(図示せず)と、その拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜11に当接される反応層(図示せず)とから構成されている。   The air electrode 12 is formed on a diffusion layer (not shown) made of a conductive material that permeates while diffusing air (oxidant gas), and is in contact with the solid polymer electrolyte membrane 11. And a reaction layer (not shown).

燃料極13は、水素ガス(燃料ガス)を拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層(図示せず)と、その拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜11に当接される反応層(図示せず)とから構成されている。   The fuel electrode 13 is formed on a diffusion layer (not shown) made of a conductive material that permeates while diffusing hydrogen gas (fuel gas), and is in contact with the solid polymer electrolyte membrane 11. And a reaction layer (not shown).

なお、空気極12及び燃料極13を構成する拡散層は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等から構成されるものであり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。また、空気極12及び燃料極13を構成する反応層しては、例えば、白金触媒が担持されたカーボンとPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)とを含んで構成された反応層(触媒層)を採用することができる。   The diffusion layer constituting the air electrode 12 and the fuel electrode 13 is composed of carbon woven fabric, carbon paper, etc. capable of gas diffusion, for example, carbon cloth, carbon paper, carbon fiber. The nonwoven fabric etc. which become can be used. In addition, as the reaction layer constituting the air electrode 12 and the fuel electrode 13, for example, a reaction layer (catalyst layer) configured to include carbon carrying a platinum catalyst and PTFE (polytetrafluoroethylene) is employed. can do.

単位セル10を構成する部材のうち、空気極12及び燃料極13は、それらの支持部材とされるフレーム18開口部の横方向寸法(短手方向寸法)より若干長い横方向寸法と、開口部の縦方向寸法(長手方向寸法)より若干長い縦方向寸法を有するものとされている。また、固体高分子電解質膜11は、開口部の縦横方向寸法より一回り大きな縦横方向寸法を有するものとされている。   Among the members constituting the unit cell 10, the air electrode 12 and the fuel electrode 13 have a lateral dimension slightly longer than the lateral dimension (short dimension) of the opening of the frame 18 serving as a supporting member thereof, and the opening. The vertical dimension (longitudinal dimension) is slightly longer than the vertical dimension. Further, the solid polymer electrolyte membrane 11 has a vertical and horizontal dimension that is slightly larger than the vertical and horizontal dimensions of the opening.

セパレータ20は、セパレータ本体21と、そのセパレータ本体21の一側に設けられ、単位セル10の空気極12の拡散層(図示せず)に当接される空気極側コレクタ22と、セパレータ本体21の他側に設けられ、単位セル10の燃料極13の拡散層(図示せず)に当接される燃料極側コレクタ23とから構成される。   The separator 20 is provided on one side of the separator body 21, the air electrode side collector 22 that is in contact with the diffusion layer (not shown) of the air electrode 12 of the unit cell 10, and the separator body 21. And a fuel electrode side collector 23 which is provided on the other side and abuts against a diffusion layer (not shown) of the fuel electrode 13 of the unit cell 10.

セパレータ本体21は、隣接する単位セル10間のガス遮断部材として機能する板厚の薄い金属薄板である。セパレータ本体21を構成する金属としては、導電性と耐蝕性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキなどの耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。   The separator body 21 is a thin metal plate that functions as a gas blocking member between adjacent unit cells 10. Examples of the metal constituting the separator body 21 include a metal having conductivity and corrosion resistance, for example, a stainless steel, a nickel alloy, a titanium alloy and the like subjected to a corrosion-resistant conductive treatment such as gold plating.

空気極側コレクタ22は、空気極12と接触して集電すると共に、空気極12への空気の供給と空気極12からの生成水の排出とを可能にする多数の孔を有する導電性部材である。また、空気極側コレクタ22は、放熱板としても機能し、水供給系80のノズル83(図1参照)から噴射(噴霧)される水によって冷却される。なお、この空気極側コレクタ22の詳細構成については、図5などを参照して後述する。   The air electrode side collector 22 is in contact with the air electrode 12 and collects current, and is also a conductive member having a large number of holes that enables supply of air to the air electrode 12 and discharge of generated water from the air electrode 12. It is. The air electrode side collector 22 also functions as a heat sink and is cooled by water sprayed (sprayed) from the nozzle 83 (see FIG. 1) of the water supply system 80. The detailed configuration of the air electrode side collector 22 will be described later with reference to FIG.

燃料極側コレクタ23は、燃料極13と接触して集電すると共に、燃料極13への水素ガスの供給を可能にする多数の孔を有する導電性部材である。なお、この燃料極側コレクタ23は、空気極側コレクタ22と同様に構成できるので、詳細な説明は省略する。   The fuel electrode-side collector 23 is a conductive member that contacts the fuel electrode 13 and collects current and has a large number of holes that enable supply of hydrogen gas to the fuel electrode 13. In addition, since this fuel electrode side collector 23 can be comprised similarly to the air electrode side collector 22, detailed description is abbreviate | omitted.

セパレータ20の外側には、単位セル10を含めて所定の位置関係に保持できるよう、フレーム17,18が配置される。これらのフレーム17,18は、絶縁性材料から構成される。   Frames 17 and 18 are arranged outside the separator 20 so that the unit cell 10 can be held in a predetermined positional relationship. These frames 17 and 18 are made of an insulating material.

より具体的には、空気極側コレクタ22の左右両側にフレーム17が配置され、燃料極側コレクタ23の周縁部にフレーム18が設けられている。なお、最も外端に配置されるフレーム17は、図3に示すように、その上下端が相互にバックアッププレート17a及び17bによって連結されて枠状に構成されている。   More specifically, the frames 17 are arranged on the left and right sides of the air electrode side collector 22, and the frame 18 is provided on the peripheral edge of the fuel electrode side collector 23. As shown in FIG. 3, the uppermost and lower ends of the frame 17 arranged at the outermost end are connected to each other by backup plates 17a and 17b to form a frame shape.

図4(a)及び図4(b)に示すように、空気極側コレクタ22側に配置されるフレーム17は、外端(図4(a)における最上端、図4(b)における左端)に配置されるものを除き、空気極側コレクタ22の短辺に沿う両側に配置される縦枠部171から構成されている。このフレーム17の板厚は、空気極側コレクタ22の厚みに匹敵する厚さとされている。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the frame 17 disposed on the air electrode side collector 22 side has an outer end (the uppermost end in FIG. 4A and the left end in FIG. 4B). The vertical frame portions 171 are arranged on both sides along the short side of the air electrode side collector 22 except for those arranged on the air electrode side collector 22. The thickness of the frame 17 is comparable to the thickness of the air electrode side collector 22.

縦枠部171には、板厚方向に貫通する長孔172が水素ガス流路形成のために設けられている。なお、セパレータ本体21の面における縦横方向寸法は、フレーム17の面における縦横方向寸法に匹敵する大きさとされ、フレーム17の長孔172に重なる位置に、同様の長孔212を備える構成とされている。   The vertical frame portion 171 is provided with a long hole 172 penetrating in the thickness direction for forming a hydrogen gas flow path. The vertical and horizontal dimensions on the surface of the separator body 21 are comparable to the vertical and horizontal dimensions on the surface of the frame 17, and the same long hole 212 is provided at a position overlapping the long hole 172 of the frame 17. Yes.

かかるフレーム17の配置により、左右両側の縦枠部171の間には、単位セル10の空気極12とセパレータ本体21とで囲まれた空気室が形成される。なお、詳細は後述するが、かかる空気室内には、図4(a)における紙面垂直方向に延びる線状のリブ部材222(空気極側コレクタ22の一部)が、複数本、平行に立設されており、かかるリブ部材222の設置により、一方向(図4(a)における紙面垂直方向)に全通する空気流路が形成される。   With the arrangement of the frame 17, an air chamber surrounded by the air electrode 12 of the unit cell 10 and the separator body 21 is formed between the left and right vertical frame portions 171. Although details will be described later, a plurality of linear rib members 222 (a part of the air electrode side collector 22) extending in the direction perpendicular to the paper surface in FIG. In addition, the installation of the rib member 222 forms an air flow path that passes all the way in one direction (the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 4A).

一方、図4(b)に示すように、燃料極側コレクタ23及び単位セル10を囲むフレーム18は、左右縦枠部と上下横枠部182とを有する枠状部材であり、枠状に構成されたフレーム17(図3(a))と同じ大きさに構成されている。なお、フレーム18における左右縦枠部は、図4(a)の記載範囲よりさらに右側に位置するために図示されていないが、フレーム17の両縦枠部171の左右両側端と同じ位置に両側端を有し、短手方向長さ(幅)が上下横枠部182の短手方向長さと略同じに構成されている。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, the frame 18 surrounding the fuel electrode side collector 23 and the unit cell 10 is a frame-shaped member having left and right vertical frame portions and upper and lower horizontal frame portions 182 and is configured in a frame shape. The size of the frame 17 is the same as that of the frame 17 (FIG. 3A). The left and right vertical frame portions of the frame 18 are not shown because they are located further to the right than the description range of FIG. 4A, but both sides are located at the same positions as the left and right side ends of both the vertical frame portions 171 of the frame 17. The length (width) in the short direction is substantially the same as the length in the short direction of the upper and lower horizontal frame portions 182.

図4(a)に示すように、かかるフレーム18は、外端(図2(b)における最下端、図3(b)示す面)に配置されるものを除き、左右縦枠部と平行に延び、燃料極側コレクタ23の左右端(図4(a)における左右方向の端部)に重なる薄板状のバックアッププレート18aと厚板状のバックアッププレート18bとから構成されている。なお、フレーム18の板厚は、燃料極側コレクタ23の厚みに匹敵する厚さとされている。   As shown in FIG. 4A, the frame 18 is parallel to the left and right vertical frame portions except for the frame 18 arranged at the outer end (the bottom end in FIG. 2B, the surface shown in FIG. 3B). The thin plate-like backup plate 18a and the thick plate-like backup plate 18b extend and overlap the left and right ends of the fuel electrode side collector 23 (end portions in the left and right direction in FIG. 4A). The thickness of the frame 18 is comparable to the thickness of the fuel electrode side collector 23.

バックアッププレート18aと縦枠部171とにより囲まれる空間が、上述したフレーム17を板厚方向に貫通する長孔172と共に、水素ガス流路形成のための空間を構成している。また、各フレーム18の内周側に、単位セル10の燃料極13とセパレータ本体21とで囲まれた燃料室が形成される。   A space surrounded by the backup plate 18a and the vertical frame portion 171 constitutes a space for forming a hydrogen gas flow path together with the long hole 172 penetrating the frame 17 in the plate thickness direction. A fuel chamber surrounded by the fuel electrode 13 of the unit cell 10 and the separator body 21 is formed on the inner peripheral side of each frame 18.

なお、かかる燃料室内には、リブ部材222と直交する方向(即ち、図4(b)における紙面垂直方向、図4(a)における左右方向)に延びる線状のリブ部材232(燃料極側コレクタ23の一部)が、複数本、平行に立設されている。かかるリブ部材232の設置により、上述した空気流路に直交する方向に(図4(b)における紙面垂直方向)に全通する水素ガス流路が形成される。   In this fuel chamber, a linear rib member 232 (fuel electrode side collector) extending in a direction orthogonal to the rib member 222 (that is, a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 4B and a horizontal direction in FIG. 4A). 23) are standing upright in parallel. The installation of the rib member 232 forms a hydrogen gas flow path that passes completely in the direction perpendicular to the air flow path described above (the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 4B).

次に、図5を参照して、空気極側コレクタ22の詳細構成について説明する。図5(a)は、空気極側コレクタ22をセパレータ本体21側から見た正面図であり、図5(b)は、図5(a)におけるVb方向から見た側面図である。なお、図5(a)及び図5(b)では、ベースコレクタ221に開口される孔221a,221bの図示を省略している。   Next, a detailed configuration of the air electrode side collector 22 will be described with reference to FIG. FIG. 5A is a front view of the air electrode side collector 22 viewed from the separator body 21 side, and FIG. 5B is a side view of the air electrode side collector 22 viewed from the Vb direction in FIG. 5A and 5B, illustration of the holes 221a and 221b opened in the base collector 221 is omitted.

図5(a)及び図5(b)に示すように、本実施形態の空気極側コレクタ22は、ベースコレクタ221と、複数本のリブ部材222とから構成される。   As shown in FIGS. 5A and 5B, the air electrode side collector 22 of the present embodiment includes a base collector 221 and a plurality of rib members 222.

ベースコレクタ221は、単位セル10の空気極12に当接され、空気極12から集電する導電性の板状体である。かかるベースコレクタ221は、導電性と耐蝕性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキなどの耐蝕導電処理を施したものから作製される。   The base collector 221 is a conductive plate that is brought into contact with the air electrode 12 of the unit cell 10 and collects current from the air electrode 12. The base collector 221 is manufactured from a metal having conductivity and corrosion resistance, such as stainless steel, nickel alloy, titanium alloy or the like subjected to corrosion resistance conductive treatment such as gold plating.

また、ベースコレクタ221は、多数の孔が開口された多孔体、例えば、エキスパンドメタルやパンチングメタルなどから構成される。なお、ベースコレクタ221に開口される孔の形状は、本実施形態では図示を省略するが、例えば、菱形や、正方形や、六角形や、円形等の形状を適宜採用することができる。   The base collector 221 is composed of a porous body having a large number of holes, for example, an expanded metal or a punching metal. In addition, although the shape of the hole opened to the base collector 221 is not illustrated in the present embodiment, for example, a rhombus, a square, a hexagon, a circle, or the like can be appropriately employed.

ベースコレクタ221に開口される孔は、その形状が菱形である場合には、例えば、短い方の対角寸法を約0.7mm〜約1.3mm程度に、長い方の対角寸法を約0.8mm〜約2.8mm程度に設計することができる。また、ベースコレクタ221に開口される孔の開口率は、約30〜約50%程度であることが好ましい。   When the hole opened in the base collector 221 has a rhombus shape, for example, the shorter diagonal dimension is about 0.7 mm to about 1.3 mm, and the longer diagonal dimension is about 0 mm. It can be designed to be about 8 mm to about 2.8 mm. Moreover, it is preferable that the aperture ratio of the hole opened to the base collector 221 is about 30 to about 50%.

一方、複数本のリブ部材222は、図5(a)及び図5(b)に示すように、各々、矩形状の断面を有する線状体であり、これらのリブ部材222は、ベースコレクタ221における空気極12との当接面とは反対側の面に、互いに略平行に配列された状態で立設される。リブ部材222は、例えば、拡散接合によってベースコレクタ221の表面に接合される。   On the other hand, as shown in FIGS. 5A and 5B, each of the plurality of rib members 222 is a linear body having a rectangular cross section, and these rib members 222 are formed of the base collector 221. Are arranged in a state of being arranged substantially parallel to each other on the surface opposite to the contact surface with the air electrode 12. The rib member 222 is bonded to the surface of the base collector 221 by, for example, diffusion bonding.

このように、ベースコレクタ221上に立設されたリブ部材222は、空気極側コレクタ22において、ベースコレクタ221とセパレータ本体21との間に介挿されて、空気流路(空気室)となる空間を形成する。   Thus, the rib member 222 erected on the base collector 221 is inserted between the base collector 221 and the separator body 21 in the air electrode side collector 22 to form an air flow path (air chamber). Create a space.

燃料電池における高効率発電を実現すると共に、補機の動力損失を抑えるためには、空気流路の空気流れ抵抗を極力低くすることが好ましい。よって、単位セル10に空気を供給する流路の高さ、即ち、リブ部材222の高さ寸法を適切に確保する必要がある一方で、燃料電池スタック40の小型化、即ち、セルモジュール30の小型化を図るためには、リブ部材222の高さ寸法は低ければ低いほど好ましい。従って、リブ部材222の高さ寸法は、これらの条件を両立する高さに設定され、例えば、約0.5mm〜約0.9mm程度に設定される。   In order to realize high-efficiency power generation in the fuel cell and suppress power loss of the auxiliary equipment, it is preferable to reduce the air flow resistance of the air flow path as much as possible. Therefore, it is necessary to appropriately secure the height of the flow path for supplying air to the unit cell 10, that is, the height of the rib member 222, while reducing the size of the fuel cell stack 40, that is, the cell module 30. In order to reduce the size, the height of the rib member 222 is preferably as low as possible. Therefore, the height dimension of the rib member 222 is set to a height that satisfies both of these conditions, for example, about 0.5 mm to about 0.9 mm.

このリブ部材222は、導電性と耐蝕性とを有する金属から構成されている。なお、リブ部材222を構成する材料(材質)は、上述したベースコレクタ221と同材料であっても、相違する材料であってもよい。また、リブ部材222の断面形状は、図5(b)に示した矩形状に限らず、例えば、三角形や円形など、他の形状であってもよい。   The rib member 222 is made of a metal having conductivity and corrosion resistance. In addition, the material (material) which comprises the rib member 222 may be the same material as the base collector 221 mentioned above, or a different material. Further, the cross-sectional shape of the rib member 222 is not limited to the rectangular shape illustrated in FIG. 5B, and may be other shapes such as a triangle or a circle.

なお、燃料極側コレクタ23も、空気極側コレクタ22と同様に構成することができる。即ち、燃料極側コレクタ23を、ベースコレクタ221に相当するベースコレクタ231(図4(b)参照)と、リブ部材222に相当するリブ部材232(図4(b)参照)とから構成すればよい。   The fuel electrode side collector 23 can also be configured in the same manner as the air electrode side collector 22. That is, if the fuel electrode side collector 23 is composed of a base collector 231 corresponding to the base collector 221 (see FIG. 4B) and a rib member 232 corresponding to the rib member 222 (see FIG. 4B). Good.

次に、図6を参照して、上記構成を有する燃料電池システム100において、下流側凝縮器113からの水の回収性を制御する方法について説明する。図6は、燃料電池システム100における制御装置70において実行される水供給電磁弁開閉処理を示すフローチャートである。   Next, a method for controlling the recoverability of water from the downstream condenser 113 in the fuel cell system 100 having the above configuration will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing the water supply electromagnetic valve opening / closing process executed in the control device 70 in the fuel cell system 100.

この水供給電磁弁開閉処理は、水位センサSE8による検出値に応じて水供給電磁弁89を開閉するための処理であり、制御装置70の電源が投入されている間、CPU71により定期的に(例えば、0.5s間隔で)繰り返し実行される。なお、この水供給電磁弁開閉処理を実行する制御プログラムは、ROM72内に格納されている。   This water supply electromagnetic valve opening / closing process is a process for opening / closing the water supply electromagnetic valve 89 in accordance with the value detected by the water level sensor SE8, and is periodically performed by the CPU 71 while the control device 70 is powered on ( It is executed repeatedly (for example, at intervals of 0.5 s). A control program for executing the water supply electromagnetic valve opening / closing process is stored in the ROM 72.

図7に示すように、この供給空気温度調整処理では、まず、水位センサSE8による検出値、即ち、水タンク82に貯留される貯留水の水位を示す検出値を、液体水の回収性を示す指標として取得する(S1)。S1の処理後、取得された指標、即ち、水位センサSE8による検出値が示す水位が、低い側の閾値である第1閾値未満であるか否かを確認する(S2)。   As shown in FIG. 7, in this supply air temperature adjustment process, first, the detection value by the water level sensor SE8, that is, the detection value indicating the water level of the stored water stored in the water tank 82, indicates the recoverability of the liquid water. Obtained as an index (S1). After the process of S1, it is confirmed whether or not the acquired index, that is, the water level indicated by the detection value by the water level sensor SE8 is less than the first threshold that is the lower threshold (S2).

S2の処理により確認した結果、水位が第1閾値未満である場合には(S2:Yes)、水の回収性が低いと判断して、水供給電磁弁89を開放し(S3)、この水供給電磁弁開閉処理を終了する。   If the water level is less than the first threshold (S2: Yes), the water supply solenoid valve 89 is determined to be low and the water supply solenoid valve 89 is opened (S3). The supply solenoid valve opening / closing process is terminated.

S3の処理により水供給電磁弁89が開放されると、ノズル83bから水が空気供給路63へ向けて霧状に噴射(噴霧)されて、水の蒸発潜熱によって供給空気が冷却される。その結果、そのように冷却された供給空気が下流側凝縮器113へ流入されるので、供給空気(即ち、水が噴霧された供給空気)が冷却媒体として作用して、下流側凝縮器113における液体水の回収性が向上する。   When the water supply electromagnetic valve 89 is opened by the process of S3, water is sprayed (sprayed) from the nozzle 83b toward the air supply path 63, and the supply air is cooled by the latent heat of evaporation of water. As a result, the supply air thus cooled flows into the downstream condenser 113, so that the supply air (that is, the supply air sprayed with water) acts as a cooling medium, and the downstream condenser 113 The recoverability of liquid water is improved.

一方、S2の処理により確認した結果、水位が第1閾値以上である場合には(S2:No)、S1の処理によって取得された検出値が示す温度が、高い側の閾値である第2閾値以上であるか否かを確認する(S4)。   On the other hand, when the water level is equal to or higher than the first threshold value as a result of checking in the process of S2 (S2: No), the temperature indicated by the detection value acquired by the process of S1 is the second threshold value that is the higher threshold value. It is confirmed whether or not this is the case (S4).

S4の処理により確認した結果、水位が第2閾値以上である場合には(S4:Yes)、水は十分に回収されていると判断して、水供給電磁弁89を閉鎖し(S5)、この水供給電磁弁開閉処理を終了する。S5の処理により、水供給電磁弁89が開放されると、ノズル83bからの水の噴霧が停止する。   As a result of checking by the process of S4, when the water level is equal to or higher than the second threshold (S4: Yes), it is determined that the water is sufficiently recovered, and the water supply electromagnetic valve 89 is closed (S5), This water supply electromagnetic valve opening / closing process is terminated. When the water supply electromagnetic valve 89 is opened by the process of S5, the spraying of water from the nozzle 83b is stopped.

一方、S4の処理により確認した結果、水位が第2閾値未満である場合には(S4:No)、何も行うことなく、即ち、水供給電磁弁89の開閉状態を維持したまま、この水供給電磁弁開閉処理を終了する。   On the other hand, when the water level is less than the second threshold value as a result of the confirmation in S4 (S4: No), nothing is performed, that is, the water supply electromagnetic valve 89 is maintained in the open / closed state. The supply solenoid valve opening / closing process is terminated.

この水供給電磁弁開閉処理によれば、水供給電磁弁89の開閉を、水位センサSE8による検出値に応じて制御するように構成されている。よって、下流側凝縮器113へ流入される前の供給空気に対し、水を必要に応じて噴霧することができる。   According to this water supply electromagnetic valve opening / closing process, the opening / closing of the water supply electromagnetic valve 89 is configured to be controlled in accordance with the value detected by the water level sensor SE8. Therefore, water can be sprayed as necessary to the supply air before flowing into the downstream condenser 113.

また、この水供給電磁弁開閉処理によれば、水位センサSE8による検出値に応じて、水供給電磁弁89の開閉、即ち、ノズル83bからの水の噴霧を制御するので、水の回収性を向上させるための制御を容易に行うことができる。   Further, according to the water supply electromagnetic valve opening / closing process, the water supply electromagnetic valve 89 is controlled to open / close, that is, the spray of water from the nozzle 83b is controlled according to the detection value by the water level sensor SE8. Control for improvement can be easily performed.

なお、上述した水供給電磁弁開閉処理におけるS1の処理が、本発明における水回収性把握手段に該当する一方で、S2,S3,S4,S5の処理が、本発明における噴射制御手段に該当する。   In addition, while the process of S1 in the water supply electromagnetic valve opening / closing process described above corresponds to the water recoverability grasping means in the present invention, the processes of S2, S3, S4, and S5 correspond to the injection control means in the present invention. .

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム100によれば、下流側凝縮器113へ流入される前の供給空気に対し、水を霧状に噴射(噴霧)できるように構成されているので、供給空気を水の蒸発潜熱により外気温以下に冷却させてから下流側凝縮器113へ流入させることができ、このように冷却された供給空気を冷却媒体として作用させることができる。よって、下流側凝縮器113における水の凝縮能力を高めることができ、かかる下流側凝縮器113における液体水の回収性を向上させることができる。   As described above, according to the fuel cell system 100 of the present embodiment, water is sprayed (sprayed) in the form of mist on the supply air before flowing into the downstream condenser 113. Therefore, the supply air can be cooled to the ambient temperature or less by the latent heat of water evaporation and then flowed into the downstream condenser 113, and the supply air thus cooled can act as a cooling medium. Therefore, the water condensing capacity in the downstream condenser 113 can be increased, and the recoverability of the liquid water in the downstream condenser 113 can be improved.

従って、凝縮器(熱交換器)による液体水の回収性が低くなる傾向にある高温環境下であっても、下流側凝縮器113による水の回収性を向上させることにより、燃料電池スタック40から排出される排気から水分を十分に回収し、水タンク82へ戻すことができる。   Therefore, even in a high temperature environment where the recoverability of liquid water by the condenser (heat exchanger) tends to be low, by improving the recoverability of water by the downstream condenser 113, the fuel cell stack 40 Moisture can be sufficiently recovered from the exhausted exhaust and returned to the water tank 82.

よって、水タンク82の水量が過剰に減少し、給水路81cを介してノズル83aから燃料電池スタック40へ供給される液体水の量が、燃料電池スタック40の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを防止することができる。その結果、冷却及び加湿不足による燃料電池スタック40の発電効率の低下が防止される。   Therefore, the amount of water in the water tank 82 decreases excessively, and the amount of liquid water supplied from the nozzle 83a to the fuel cell stack 40 via the water supply path 81c is insufficient to cool or humidify the fuel cell stack 40. Can be prevented. As a result, a decrease in power generation efficiency of the fuel cell stack 40 due to insufficient cooling and humidification is prevented.

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。   As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. It can be guessed.

例えば、上記実施形態では、上流側凝縮器112と下流側凝縮器113とを各々別体の凝縮器として構成した。これに換えて、1の凝縮器の内部を2区画に分離し、外気の導入部を2区画のうち、排気経路の出口側(即ち、排気経路の下流側)に位置する区画から導入するように構成してもよい。   For example, in the said embodiment, the upstream condenser 112 and the downstream condenser 113 were each comprised as a separate condenser. Instead, the inside of one condenser is separated into two sections, and the outside air introduction part is introduced from the section located on the outlet side of the exhaust path (that is, downstream of the exhaust path) among the two sections. You may comprise.

また、上記実施形態では、液体水の回収性を示す指標として水位センサSE8の検出値を使用する構成としたが、系内における水分量の収支に基づいて回収量推定手段により液体水の推定回収量を算出し、算出された推定回収量を液体水の回収性を示す指標として使用する構成としてもよい。   In the above embodiment, the detection value of the water level sensor SE8 is used as an index indicating the recoverability of the liquid water, but the estimated recovery of the liquid water is performed by the recovery amount estimation means based on the balance of the moisture amount in the system. The amount may be calculated, and the calculated estimated recovery amount may be used as an index indicating the recoverability of liquid water.

例えば、空気排出路111における下流側凝縮器113とフィルタ114との間に設けられている凝縮器排気温センサ(図示せず)により検出される排気の温度と、系外からの空気の取り入れ量(即ち、空気の供給量)とから水の推定回収量を算出し、その値を液体水の回収性を示す指標として使用することができる。   For example, the exhaust temperature detected by a condenser exhaust temperature sensor (not shown) provided between the downstream condenser 113 and the filter 114 in the air discharge path 111 and the amount of air taken from outside the system The estimated water recovery amount can be calculated from (that is, the air supply amount) and the value can be used as an index indicating the recoverability of the liquid water.

この場合には、算出された推定回収量が所定量より低い場合に、水供給電磁弁89を開放するように制御を行うようにすればよい。なお、所定量としては、ノズル83aから噴霧する水量(即ち、燃料電池スタック40への水の供給量)であったり、その水量に所定のオフセットを加えた値などを採用することができる。   In this case, when the calculated estimated recovery amount is lower than the predetermined amount, control may be performed so that the water supply electromagnetic valve 89 is opened. The predetermined amount may be the amount of water sprayed from the nozzle 83a (that is, the amount of water supplied to the fuel cell stack 40) or a value obtained by adding a predetermined offset to the amount of water.

このように、系内における水分量の収支に基づいて算出される推定回収量を液体水の回収性を示す指標として使用することにより、液体水の回収性を向上させるための制御を、予測制御(見込み制御)によって行うことができる。   In this way, the control for improving the recoverability of liquid water by using the estimated recovery amount calculated based on the balance of the amount of water in the system as an index indicating the recoverability of the liquid water is predicted control. (Prospect control).

また、水位センサSE8の検出値に換えて、水タンク82の重量など、水タンク82内の水量を表す値をを液体水の回収性を示す指標とする構成であってもよい。   Further, instead of the detection value of the water level sensor SE8, a value representing the amount of water in the water tank 82, such as the weight of the water tank 82, may be used as an index indicating the recoverability of liquid water.

また、上記実施形態では、下流側凝縮器113へ流入される前の供給空気に対して噴霧する水(即ち、ノズル83bから噴霧される水)と、燃料電池スタック40に対して冷却及び加湿のために噴霧する水(即ち、ノズル83aから噴霧される水)とが、どちらも同一の水タンク82から給水されるように構成したが、ノズル83bから噴霧される水と、ノズル83aから噴霧される水とが、各々、専用の水タンクから給水される構成としてもよい。なお、上記実施形態のように、水タンク82を給水源として共用する構成とすることによって、システムの大型化を抑制しつつ、液体水の回収性を向上させることができる。   In the above embodiment, the water sprayed on the supply air before flowing into the downstream condenser 113 (that is, the water sprayed from the nozzle 83b) and the fuel cell stack 40 are cooled and humidified. For this reason, both the water sprayed (that is, the water sprayed from the nozzle 83a) is supplied from the same water tank 82, but the water sprayed from the nozzle 83b and the water sprayed from the nozzle 83a. The water may be supplied from a dedicated water tank. In addition, by using the configuration in which the water tank 82 is shared as the water supply source as in the above embodiment, the recoverability of the liquid water can be improved while suppressing an increase in the size of the system.

また、上記実施形態では、水位センサSE8による検出値が示す水位と比較する閾値として、第1閾値と第2閾値との2つの閾値を用いる構成としたが、1つの閾値のみを用いて、その閾値以上であるか以下であるかに応じて水供給電磁弁89の開閉を制御するように構成してもよい。あるいは、2つ以上の閾値を用いて水供給電磁弁89の開閉を制御する構成であってもよい。   Moreover, in the said embodiment, although it was set as the structure using two threshold values, a 1st threshold value and a 2nd threshold value, as a threshold value compared with the water level which the detection value by water level sensor SE8 shows, You may comprise so that opening and closing of the water supply electromagnetic valve 89 may be controlled according to whether it is more than a threshold value or less. Or the structure which controls opening and closing of the water supply electromagnetic valve 89 using two or more threshold values may be sufficient.

本発明の燃料電池システムである燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram showing one embodiment of a fuel cell system which is a fuel cell system of the present invention. (a)は、燃料電池スタックを模式的に示す上面図であり、(b)は、燃料電池スタックを構成するセルモジュールを模式的に示す上面図である。(A) is a top view schematically showing the fuel cell stack, and (b) is a top view schematically showing cell modules constituting the fuel cell stack. (a)は、セルモジュールを空気極側から見た正面図であり、(b)は、セルモジュールを燃料極側から見た正面図である。(A) is the front view which looked at the cell module from the air electrode side, (b) is the front view which looked at the cell module from the fuel electrode side. (a)は、図3(a)のIVa−IVa矢視要部断面図であり、(b)は、図3(a)の矢視要部断面図である。(A) is IVa-IVa arrow principal part sectional drawing of Fig.3 (a), (b) is arrow principal part sectional drawing of Fig.3 (a). (a)は、空気極側コレクタをセパレータ本体側から見た正面図であり、(b)は、(a)におけるVb方向から見た側面図である。(A) is the front view which looked at the air electrode side collector from the separator main body side, (b) is the side view seen from the Vb direction in (a). 制御装置において実行される供給空気温度調整処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the supply air temperature adjustment process performed in a control apparatus. 従来の直噴水タイプの燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional direct fountain type fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

10 単位セル(燃料電池)
11 固体高分子電解質膜
12 空気極
13 燃料極
40 燃料電池スタック(燃料電池)
50 水素供給系(燃料ガス供給手段)
60 空気供給系(酸化剤ガス供給手段)
63 空気供給経路(給気経路)
80 水供給系(第1の水供給手段、水回収手段、第2の水供給手段)
81a 導水路(水回収手段)
81b 導水路(水回収手段)
81c 給水路(第1の水供給手段)
81e 給水路(第2の水供給手段)
82 水タンク(貯水手段)
100 燃料電池システム
111 空気排出路(排気経路)
112 上流側凝縮器(上流側熱交換器)
112a 放熱用のファン
113 下流側凝縮器(下流側熱交換器)
SE8 水位センサ(貯水量検出手段)
10 Unit cell (fuel cell)
11 solid polymer electrolyte membrane 12 air electrode 13 fuel electrode 40 fuel cell stack (fuel cell)
50 Hydrogen supply system (fuel gas supply means)
60 Air supply system (oxidant gas supply means)
63 Air supply path (air supply path)
80 Water supply system (first water supply means, water recovery means, second water supply means)
81a Water conduit (water recovery means)
81b Water conduit (water recovery means)
81c Water supply channel (first water supply means)
81e Water supply channel (second water supply means)
82 Water tank (water storage means)
100 Fuel cell system 111 Air discharge path (exhaust path)
112 Upstream condenser (upstream heat exchanger)
112a Fan 113 for heat dissipation Downstream condenser (downstream heat exchanger)
SE8 Water level sensor (water storage detection means)

Claims (4)

固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び空気極とを含んで構成される燃料電池と、
燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、
空気取入口を介して系外から取り入れた供給空気を、給気経路を介して前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、
液体水を貯留する貯水手段と、
その貯水手段に貯留されている液体水を霧状に噴射して前記空気極へ前記液体水を供給する第1の水供給手段と、
前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を系外へ導出する排気経路の前記燃料電池側に位置し、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する上流側熱交換器と、
その上流側熱交換器より前記排気経路の出口側に位置すると共に、前記給気経路上に位置し、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する下流側熱交換器と、
前記上流側熱交換器及び下流側熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す水回収手段と、
前記給気経路における前記下流側熱交換器より前記空気取入口側に液体水を霧状に噴射する第2の水供給手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an air electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane from both sides;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode;
Oxidant gas supply means for supplying supply air taken from outside the system through an air intake port to the air electrode through an air supply path at normal pressure;
Water storage means for storing liquid water;
First water supply means for spraying liquid water stored in the water storage means in a mist to supply the liquid water to the air electrode;
The fuel cell is located on the fuel cell side of the exhaust path for leading the exhaust gas discharged from the air electrode to the outside of the system, and moisture is condensed from the exhaust gas by liquid cooling by heat exchange and separated into liquid water. An upstream heat exchanger,
A downstream side that is located on the outlet side of the exhaust path from the upstream heat exchanger and that is located on the supply path, and that condenses moisture from the exhaust by cooling the exhaust by heat exchange and separates it as liquid water A heat exchanger,
Water recovery means for recovering liquid water from the upstream heat exchanger and the downstream heat exchanger and returning it to the water storage means;
And a second water supply means for injecting liquid water in the form of a mist from the downstream heat exchanger in the air supply path toward the air intake side.
前記水回収手段による液体水の回収性を示す指標を取得する水回収性把握手段と、
その水回収性把握手段により取得した指標に応じて、前記第2の水供給手段による水の噴射を制御する噴射制御手段を備えていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
Water recoverability grasping means for obtaining an index indicating the recoverability of liquid water by the water recovery means;
2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising injection control means for controlling water injection by the second water supply means in accordance with the index acquired by the water recoverability grasping means.
前記貯水手段に貯留される液体水の貯水量を検出する貯水量検出手段を備え、
前記水回収性把握手段は、前記貯水量検出手段により検出される貯水量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得することを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
A water storage amount detecting means for detecting the amount of liquid water stored in the water storage means,
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the water recoverability grasping unit acquires the water storage amount detected by the water storage amount detection unit as an index indicating the recoverability of the liquid water.
系内における水分量の収支に基づいて、前記水回収手段による液体水の推定回収量を算出する回収量推定手段と、
前記水回収性把握手段は、前記回収量推定手段により算出される液体水の推定回収量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得することを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。

A recovery amount estimation means for calculating an estimated recovery amount of liquid water by the water recovery means, based on a moisture balance in the system;
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the water recoverability grasping means obtains the estimated recovery amount of liquid water calculated by the recovery amount estimation means as an index indicating the recoverability of the liquid water. .

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