JP2009238628A - Fuel cell system - Google Patents

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和久 國武
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To warm up a fuel-cell stack by effectively use heat generated in a system. <P>SOLUTION: A heat exchanger 40 is attached to a fuel-cell stack 2, air compressed by an air compressor 10 and raised in temperature is supplied to the heat exchanger 40. The air used for heat exchange in the heat exchanger 40 is supplied to the fuel-cell stack 2 as an oxidizer gas for power generation. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関し、特に、放熱による燃料電池スタックの温度低下を防止することができる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system having a fuel cell stack, and more particularly to a fuel cell system capable of preventing a temperature drop of the fuel cell stack due to heat dissipation.

燃料電池は、電解質膜を触媒電極で挟んで構成された膜電極接合体を最小単位(以下、セルという)とし、このセルが数十〜数百枚積層された燃料電池スタックとして使用されている。各セルには酸化剤ガスと燃料ガスとが供給され、それら反応ガスが膜電極接合体を挟んで反応することによってセル電圧が生じる。このセル電圧の総和が燃料電池スタックの出力電圧となる。   A fuel cell is used as a fuel cell stack in which a membrane electrode assembly formed by sandwiching an electrolyte membrane between catalyst electrodes is a minimum unit (hereinafter referred to as a cell), and several tens to several hundreds of cells are stacked. . Each cell is supplied with an oxidant gas and a fuel gas, and the reaction gas reacts with the membrane electrode assembly interposed therebetween to generate a cell voltage. The sum of the cell voltages becomes the output voltage of the fuel cell stack.

セルに電圧を生じさせる発電反応には、それが効率的に起きるための適正な温度範囲が存在する。この適正温度範囲は常温よりも高いが、発電反応は発熱反応であるので膜電極接合体の温度は自己発熱によって上昇する。このため、発電時には、膜電極接合体の温度が適正温度範囲を超えないように冷却水による冷却が行われている。ところが、冬場のように外気温が低い状況では、外部への放熱量が内部での発熱量を上回ってしまい適正温度範囲を維持できない可能性がある。特に燃料電池スタックの両端部付近のセルは、熱容量・熱伝導率の大きな集電板に大量の熱を奪われることになるため、内側のセルに比較して外部への放熱量が多く、膜電極接合体の温度低下が生じやすい。また、燃料電池スタックの冷間始動時には膜電極接合体の温度を速やかに上昇させるための特殊な運転方法が採られるが、その場合にも外側のセルは内側のセルに比べて温度上昇が遅く、燃料電池スタック全体として十分な発電性能が得られるようになるまでに時間を要してしまう。   There is an appropriate temperature range for the power generation reaction that causes voltage to occur in the cell in order for it to occur efficiently. Although this appropriate temperature range is higher than normal temperature, since the power generation reaction is an exothermic reaction, the temperature of the membrane electrode assembly rises due to self-heating. For this reason, during power generation, cooling with cooling water is performed so that the temperature of the membrane electrode assembly does not exceed the appropriate temperature range. However, in a situation where the outside air temperature is low as in winter, the amount of heat released to the outside may exceed the amount of heat generated inside, and the appropriate temperature range may not be maintained. In particular, the cells near both ends of the fuel cell stack are deprived of large amounts of heat by current collector plates with large heat capacity and thermal conductivity. The temperature of the electrode assembly is likely to decrease. In addition, a special operation method is adopted to quickly increase the temperature of the membrane electrode assembly at the time of cold start of the fuel cell stack, but also in this case, the temperature increase of the outer cell is slower than that of the inner cell. Therefore, it takes time until the fuel cell stack as a whole has sufficient power generation performance.

このため、従来、低温環境での使用や低温状態からの始動を考慮した燃料電池システムでは、放熱による燃料電池スタックの温度低下を外部からの熱供給によって防止する手段が採られていた。その最も一般的な例が電気ヒータである。燃料電池スタックに電気ヒータを取り付け、電気ヒータを発熱させることによって燃料電池スタックの暖機が行われていた。   For this reason, conventionally, in a fuel cell system considering use in a low temperature environment or starting from a low temperature state, a means for preventing a temperature drop of the fuel cell stack due to heat radiation by external heat supply has been adopted. The most common example is an electric heater. The fuel cell stack is warmed up by attaching an electric heater to the fuel cell stack and causing the electric heater to generate heat.

しかし、電気ヒータを発熱させるためには電力が必要であり、その電力はシステムの起動時にはバッテリーから、発電時には燃料電池スタックから直接供給することになる。つまり、燃料電池スタックによって発電した電力の一部を消費せざるを得ない。このため、電気ヒータによって暖機を行うシステムでは、電気ヒータによる電力消費の分だけ燃費が悪化してしまうという問題があった。   However, electric power is required to generate heat from the electric heater, and the electric power is supplied directly from the battery when the system is started and directly from the fuel cell stack when generating power. That is, a part of the electric power generated by the fuel cell stack must be consumed. For this reason, in the system which warms up with an electric heater, there existed a problem that a fuel consumption will deteriorate by the part for the electric power consumption by an electric heater.

一方、下記に列挙した特許文献には、燃料電池スタックの発電によって発生した熱を利用する技術が開示されている。特に、特許文献2には、燃料電池スタックの熱を利用して酸化剤ガスとしての空気を温める技術が開示されている。しかし、これらの技術は、あくまでも燃料電池スタックに余分な熱があることを前提とした技術であるので、低温環境での使用や低温状態からの始動のように燃料電池スタックが熱を必要としている状況では用を成さない。
特表2002−522891号公報 特開2005−005074号公報 特開2006−252982号公報
On the other hand, the patent documents listed below disclose technologies that utilize heat generated by power generation of the fuel cell stack. In particular, Patent Document 2 discloses a technique for warming air as an oxidant gas using heat of a fuel cell stack. However, since these technologies are based on the premise that there is extra heat in the fuel cell stack, the fuel cell stack needs heat like use in a low temperature environment or starting from a low temperature state. Useless in the situation.
Japanese translation of PCT publication No. 2002-522891 JP 2005-005074 A JP 2006-252982 A

以上のように、燃料電池スタックを暖気するための熱源として電気ヒータを用いる場合には、燃費の悪化という問題は避けられない。しかし、燃料電池スタックそのものを暖機のための熱源として利用することはできない。燃費を悪化させることなく燃料電池スタックを暖機するためには、システム内に存在する燃料電池スタック以外の熱源から燃料電池スタックに熱を供給できるようにする必要がある。   As described above, when an electric heater is used as a heat source for warming up the fuel cell stack, the problem of deterioration in fuel consumption is inevitable. However, the fuel cell stack itself cannot be used as a heat source for warming up. In order to warm up the fuel cell stack without deteriorating the fuel consumption, it is necessary to supply heat to the fuel cell stack from a heat source other than the fuel cell stack existing in the system.

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、システム内で発生する熱を有効利用することによって燃料電池スタックを暖機することを可能にした燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a fuel cell system that can warm up a fuel cell stack by effectively using heat generated in the system. Objective.

上記の目的を達成するため、第1の発明の燃料電池システムは、
酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスとしての空気を供給するエアコンプレッサと、
前記燃料電池スタックに取り付けられ、前記エアコンプレッサにより圧縮されて昇温された空気が通される熱交換器と、
を備えたことを特徴としている。
In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a first invention comprises:
A fuel cell stack that generates power by receiving supply of oxidant gas and fuel gas; and
An air compressor for supplying air as an oxidant gas to the fuel cell stack;
A heat exchanger attached to the fuel cell stack, through which air heated by compression by the air compressor is passed;
It is characterized by having.

第2の発明は、第1の発明において、
前記熱交換器を通過した空気は酸化剤ガスとして前記燃料電池スタックに供給されることを特徴としている。
According to a second invention, in the first invention,
The air that has passed through the heat exchanger is supplied to the fuel cell stack as an oxidant gas.

第3の発明は、第2の発明において、
前記エアコンプレッサから前記燃料電池スタックに至る空気の供給通路は、前記エアコンプレッサと前記燃料電池とを直接接続する主通路と、前記主通路から分岐し前記熱交換器を経由してから再び前記主通路に合流する分岐通路とからなることを特徴としている。
According to a third invention, in the second invention,
An air supply passage from the air compressor to the fuel cell stack includes a main passage that directly connects the air compressor and the fuel cell, a branch from the main passage, the heat exchanger, and the main passage again. It is characterized by comprising a branch passage that joins the passage.

第4の発明は、第3の発明において、
前記主通路には前記エアコンプレッサで圧縮されて昇温された空気を冷却する冷却器が配置され、前記副通路は前記冷却器の上流で前記主通路から分岐して再び前記冷却器の上流で前記主通路に合流することを特徴としている。
According to a fourth invention, in the third invention,
The main passage is provided with a cooler that cools the air that has been compressed by the air compressor and heated, and the sub-passage is branched from the main passage upstream of the cooler and again upstream of the cooler. It is characterized by merging with the main passage.

第5の発明は、第4の発明において、
前記エアコンプレッサから前記燃料電池スタックに供給される空気のうち前記副通路を通って前記燃料電池スタックに供給される空気の流量を調整する流量調整手段を備えたことを特徴としている。
A fifth invention is the fourth invention,
A flow rate adjusting means is provided for adjusting the flow rate of the air supplied from the air compressor to the fuel cell stack through the sub-passage in the air supplied to the fuel cell stack.

第6の発明は、第5の発明において、
前記流量調整手段は前記熱交換器の入口及び出口における空気の温度に基づいて前記熱交換器に通される空気の流量を調整することを特徴としている。
According to a sixth invention, in the fifth invention,
The flow rate adjusting means adjusts the flow rate of air passed through the heat exchanger based on the temperature of air at the inlet and outlet of the heat exchanger.

第7の発明は、第1乃至第6の何れか1項に記載の発明において、
前記熱交換器は前記燃料電池スタック内に前記燃料電池スタックを構成する複数のセルと並んで配置されていることを特徴としている。
A seventh invention is the invention according to any one of the first to sixth inventions,
The heat exchanger is arranged in the fuel cell stack side by side with a plurality of cells constituting the fuel cell stack.

第8の発明は、第7の発明において、
前記熱交換器は前記燃料電池スタックの端部でエンドプレートの内側に配置されていることを特徴としている。
In an eighth aspect based on the seventh aspect,
The heat exchanger is arranged inside the end plate at the end of the fuel cell stack.

第9の発明は、第8の発明において、
前記熱交換器は前記燃料電池スタックの端部に設けられている集電板と一体化されていることを特徴としている。
In a ninth aspect based on the eighth aspect,
The heat exchanger is integrated with a current collector plate provided at an end of the fuel cell stack.

第1の発明によれば、エアコンプレッサにより圧縮されて昇温された空気を利用して燃料電池スタックを暖機することができる。   According to the first aspect of the invention, the fuel cell stack can be warmed up using the air compressed by the air compressor and heated.

第2の発明によれば、暖機に利用された空気は発電のための酸化剤ガスとして燃料電池スタックに供給されるので、エアコンプレッサがした仕事を無駄にすることがない。   According to the second aspect of the invention, since the air used for warming up is supplied to the fuel cell stack as an oxidant gas for power generation, work performed by the air compressor is not wasted.

第3の発明によれば、熱交換器に回される空気をエアコンプレッサから燃料電池スタックに供給される空気の一部であるので、熱交換器による空気の圧力損失を抑えることができる。   According to the third aspect of the invention, since the air that is turned to the heat exchanger is part of the air that is supplied from the air compressor to the fuel cell stack, the pressure loss of the air due to the heat exchanger can be suppressed.

第4の発明によれば、冷却前の高温の空気を熱交換器に通して燃料電池スタックを効果的に暖機することができるとともに、燃料電池スタック内には温度を適度に調整した空気を送ることができる。   According to the fourth aspect of the invention, the high-temperature air before cooling can be passed through the heat exchanger to effectively warm up the fuel cell stack. Can send.

第5の発明によれば、熱交換器を通る空気の流量の調整によって燃料電池スタックに供給する熱量を制御することができる。   According to the fifth aspect, the amount of heat supplied to the fuel cell stack can be controlled by adjusting the flow rate of air passing through the heat exchanger.

第6の発明によれば、熱交換器の入口の空気温度と出口の空気温度を見ることによって燃料電池スタックの温度状況を正確に把握することができる。そして、その正確な把握に基づいて熱交換器に供給する空気の流量を適正に調整することができる。   According to the sixth aspect of the invention, the temperature state of the fuel cell stack can be accurately grasped by looking at the air temperature at the inlet and the air temperature at the outlet of the heat exchanger. And based on the exact grasp, the flow volume of the air supplied to a heat exchanger can be adjusted appropriately.

第7の発明によれば、熱交換器は燃料電池スタック内にセルと並んで配置されているので、燃料電池スタックの内側から近接するセルに熱を供給することができる。   According to the seventh aspect, since the heat exchanger is arranged alongside the cells in the fuel cell stack, heat can be supplied to the adjacent cells from the inside of the fuel cell stack.

第8の発明によれば、特に冷えやすい端部のセルの温度低下を防止することができる。   According to the eighth aspect of the invention, it is possible to prevent a temperature drop of the cell at the end which is particularly easy to cool.

第9の発明によれば、集電板と熱交換器との一体化によって端部のセルに対する熱交換効率を高めることができる。   According to the ninth aspect, the heat exchange efficiency with respect to the cell at the end can be increased by integrating the current collector plate and the heat exchanger.

図1は、本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を示す図である。この燃料電池システムは、多数のセル4の積層によって構成された燃料電池スタック2を備えている。各セル4は、図示は省略するが、膜電極接合体の両側をセパレータで挟んで構成されている。積層されたセル群の両外側には、図示省略の集電板とインシュレータとが順に配置されている。本実施の形態の燃料電池システムでは、さらにその外側に後述する熱交換器40が配置され、その外側にエンドプレート6が配置されている。両側のエンドプレート6を図示省略の締結部材によって締結することで、セル4をはじめとする各積層体の位置決めと固定とが行われている。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention. This fuel cell system includes a fuel cell stack 2 configured by stacking a large number of cells 4. Although not shown, each cell 4 is configured by sandwiching both sides of a membrane electrode assembly with a separator. A current collector plate and an insulator (not shown) are sequentially arranged on both outer sides of the stacked cell group. In the fuel cell system of the present embodiment, a heat exchanger 40 to be described later is arranged on the outer side, and the end plate 6 is arranged on the outer side. The laminated bodies including the cells 4 are positioned and fixed by fastening the end plates 6 on both sides with fastening members (not shown).

燃料電池スタック2には、空気供給通路12と空気排出通路14とが接続されている。空気供給通路12は、発電反応に必要な酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック2に供給するための通路であって、エアコンプレッサ10に接続されている。エアコンプレッサ10は、吸入した空気を圧縮して空気供給通路12に送り込む。エアコンプレッサ10
の形式には特に限定はない。ルーツ式でもスクリュー式でもその他の形式でもよい。空気供給通路12には、エアコンプレッサ10で圧縮されて高温になった空気を冷却するためのインタークーラ16が配置されている。空気供給通路12から燃料電池スタック2に供給された空気は、積層された複数のセル4のそれぞれが備えるカソード側のガス流路に分配される。このようにして分配された空気は、それぞれの膜電極接合体のカソード側の面内を伝って流れた後、空気排出通路14へ排出される。
An air supply passage 12 and an air discharge passage 14 are connected to the fuel cell stack 2. The air supply passage 12 is a passage for supplying air as an oxidant gas necessary for power generation reaction to the fuel cell stack 2, and is connected to the air compressor 10. The air compressor 10 compresses the sucked air and sends it to the air supply passage 12. Air compressor 10
There is no particular limitation on the format. Roots type, screw type, or other types may be used. An intercooler 16 for cooling the air that has been compressed by the air compressor 10 and has reached a high temperature is disposed in the air supply passage 12. The air supplied from the air supply passage 12 to the fuel cell stack 2 is distributed to the cathode-side gas flow path provided in each of the stacked cells 4. The air distributed in this way flows along the cathode side surface of each membrane electrode assembly and is then discharged to the air discharge passage 14.

燃料電池スタック2は、酸素と水素を反応させて発電を行うにあたり、各セル4のカソード側において水を生成する。このため、空気排出通路14から排出されるガスには、水分が含まれている。空気供給通路12においてインタークーラ16の下流には加湿器18が配置されている。この加湿器18は、空気排出通路14に含まれる水分を利用して、空気供給通路12側の空気を加湿する機能を有している。また、空気排出通路14において加湿器18の上流には調圧バルブ20が配置されている。   The fuel cell stack 2 generates water on the cathode side of each cell 4 when generating power by reacting oxygen and hydrogen. For this reason, the gas discharged from the air discharge passage 14 contains moisture. A humidifier 18 is disposed downstream of the intercooler 16 in the air supply passage 12. The humidifier 18 has a function of humidifying the air on the air supply passage 12 side using moisture contained in the air discharge passage 14. Further, a pressure regulating valve 20 is disposed upstream of the humidifier 18 in the air discharge passage 14.

燃料電池スタック2には、水素供給通路26及び水素排出通路28とが接続されている。水素供給通路28は、発電反応に必要な燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック2に供給するための通路であって、水素タンク30に接続されている。水素供給通路26から燃料電池スタック2に供給された水素は、積層された複数のセル4のそれぞれが備えるアノード側のガス流路に分配される。アノード側に供給された水素は、それぞれの膜電極接合体の面内を伝って流れた後、水素排出通路28へ排出される。   A hydrogen supply passage 26 and a hydrogen discharge passage 28 are connected to the fuel cell stack 2. The hydrogen supply passage 28 is a passage for supplying hydrogen as a fuel gas necessary for power generation reaction to the fuel cell stack 2, and is connected to the hydrogen tank 30. Hydrogen supplied from the hydrogen supply passage 26 to the fuel cell stack 2 is distributed to the anode-side gas flow path provided in each of the stacked cells 4. The hydrogen supplied to the anode side flows through the surface of each membrane electrode assembly and then is discharged to the hydrogen discharge passage 28.

水素排出通路28は、逆支弁付の水素循環ポンプ32を介して水素供給通路26に接続されている。これにより、水素循環ポンプ32を回転させることで、燃料電池スタック2から排出された水素は水素供給通路26に送り込まれ、再び燃料電池スタック2に供給されることとなる。水素排出通路28における水素循環ポンプ32の上流には、気液分離器36が配置されている。気液分離器36には排気バルブ38が接続されている。排気バルブ38は閉状態をその基本状態とし、所定のパージ条件が成立した場合にのみ開くように制御されている。   The hydrogen discharge passage 28 is connected to the hydrogen supply passage 26 via a hydrogen circulation pump 32 with a reversely supported valve. Thus, by rotating the hydrogen circulation pump 32, the hydrogen discharged from the fuel cell stack 2 is sent to the hydrogen supply passage 26 and supplied again to the fuel cell stack 2. A gas-liquid separator 36 is disposed upstream of the hydrogen circulation pump 32 in the hydrogen discharge passage 28. An exhaust valve 38 is connected to the gas-liquid separator 36. The exhaust valve 38 is controlled to open only when a predetermined purge condition is satisfied with the closed state as its basic state.

図1に示すシステムの構成における特徴点の一つは、燃料電池スタック2内にセル4と並んで熱交換器40が配置されていることである。この熱交換器40はセル4や集電板とほぼ同じ大きさ(高さと幅)であり、外形的にセル4や集電板と一体になっている。この熱交換器40は、内部に高温のガスが導入された場合に、そのガスの熱を奪って熱交換器40の内側の側面、すなわち、セル4が配置されている側の側面から放熱する構造になっている。   One feature of the system configuration shown in FIG. 1 is that a heat exchanger 40 is arranged in the fuel cell stack 2 along with the cells 4. The heat exchanger 40 has substantially the same size (height and width) as the cell 4 and the current collector plate, and is externally integrated with the cell 4 and the current collector plate. When a high-temperature gas is introduced into the heat exchanger 40, the heat exchanger 40 takes heat of the gas and dissipates heat from the inner side surface of the heat exchanger 40, that is, the side surface on which the cell 4 is disposed. It has a structure.

熱交換器40の入口側には、空気供給通路12から分岐した熱交換器用空気の導入通路42が接続されている。熱交換器40では、導入通路42によって空気供給通路12から取り出された高温の空気が熱交換に利用される。導入通路42はインタークーラ16の上流において空気供給通路12から分岐している。一方、熱交換器40の出口側には、熱交換に使用した空気を空気供給通路12に戻すためのリターン通路44が接続されている。リターン通路44の空気供給通路12への接続点はインタークーラ16の上流であって導入通路42の分岐点の下流である。なお、空気供給通路12は本発明にかかる「主通路」に相当し、熱交換器用空気の導入通路42とリターン通路44は「副通路」に相当する。   A heat exchanger air introduction passage 42 branched from the air supply passage 12 is connected to the inlet side of the heat exchanger 40. In the heat exchanger 40, high-temperature air taken out from the air supply passage 12 by the introduction passage 42 is used for heat exchange. The introduction passage 42 is branched from the air supply passage 12 upstream of the intercooler 16. On the other hand, a return passage 44 for returning air used for heat exchange to the air supply passage 12 is connected to the outlet side of the heat exchanger 40. The connection point of the return passage 44 to the air supply passage 12 is upstream of the intercooler 16 and downstream of the branch point of the introduction passage 42. The air supply passage 12 corresponds to a “main passage” according to the present invention, and the heat exchanger air introduction passage 42 and the return passage 44 correspond to a “sub-passage”.

熱交換器用空気の導入通路42には、そこを流れる空気の流量を調整するための流量調整バルブ50が配置されている。また、導入通路42において熱交換器40の入口付近には、熱交換器40に入る空気の温度を測定するための温度センサ46が配置されている。リターン通路44において熱交換器40の出口付近には、熱交換器40から出た空気の温度を測定するための温度センサ48が配置されている。流量調整バルブ50の開度の制御は、燃料電池システムの制御装置52によって行われる。制御装置52は温度センサ46によって測定される入口空気温度と、温度センサ48によって測定される出口空気温度とから燃料電池スタック2の内部温度を推定し、推定した内部温度に応じて流量調整バルブ50の開度を制御している。流量調整バルブ50、温度センサ46,48及び制御装置52によって本発明にかかる「流量調整手段」が構成されている。   A flow rate adjusting valve 50 for adjusting the flow rate of air flowing therethrough is arranged in the heat exchanger air introduction passage 42. Further, a temperature sensor 46 for measuring the temperature of the air entering the heat exchanger 40 is disposed in the introduction passage 42 near the inlet of the heat exchanger 40. In the return passage 44, a temperature sensor 48 for measuring the temperature of the air exiting from the heat exchanger 40 is disposed near the outlet of the heat exchanger 40. The opening degree of the flow rate adjusting valve 50 is controlled by the control device 52 of the fuel cell system. The control device 52 estimates the internal temperature of the fuel cell stack 2 from the inlet air temperature measured by the temperature sensor 46 and the outlet air temperature measured by the temperature sensor 48, and the flow rate adjusting valve 50 according to the estimated internal temperature. The degree of opening is controlled. The flow rate adjusting valve 50, the temperature sensors 46 and 48, and the control device 52 constitute the “flow rate adjusting means” according to the present invention.

以上が本実施の形態の燃料電池システムの構成についての説明である。このような構成によれば、エアコンプレッサ10により圧縮されて高温になった空気を利用して燃料電池スタック2を暖機することができる。また、熱交換器40は燃料電池スタック2内にセル4と並んで配置されているので、燃料電池スタック2の内側からセル4に熱を供給することができる。また、セル4の中でも特に放熱しやすい端部のセル4の温度低下を防止することができ、積層方向におけるセル4間の温度分布を均一に近づけることができる。   The above is the description of the configuration of the fuel cell system according to the present embodiment. According to such a configuration, the fuel cell stack 2 can be warmed up using the air compressed by the air compressor 10 and heated to a high temperature. Further, since the heat exchanger 40 is arranged in the fuel cell stack 2 along with the cells 4, heat can be supplied to the cells 4 from the inside of the fuel cell stack 2. Further, it is possible to prevent a temperature drop of the cell 4 at the end portion that easily dissipates heat among the cells 4, and to make the temperature distribution between the cells 4 in the stacking direction uniform.

さらに、本実施の形態の燃料電池システムの構成によれば、熱交換器40において熱交換に利用された空気は、再び空気供給通路12に戻されて燃料電池スタック2に供給される。したがって、エアコンプレッサ10がした圧縮仕事が無駄になってしまうことはない。また、エアコンプレッサ10によって圧縮された空気は、そのまま燃料電池スタック2に供給するには高温すぎるためにインタークーラ16によって冷却される。このとき、空気が有する熱エネルギの一部は捨てられることになる。しかし、本実施の形態の燃料電池システムの構成によれば、エアコンプレッサ10によって圧縮された空気の一部はインタークーラ16による冷却前に熱交換器40に通されるので、熱エネルギの無駄を抑えることができる。つまり、本実施の形態の燃料電池システムは、放熱によるセル4の温度低下を防止できるだけでなく、燃費の観点からも利点が大きい。   Furthermore, according to the configuration of the fuel cell system of the present embodiment, the air used for heat exchange in the heat exchanger 40 is returned again to the air supply passage 12 and supplied to the fuel cell stack 2. Therefore, the compression work performed by the air compressor 10 is not wasted. Further, since the air compressed by the air compressor 10 is too hot to be supplied to the fuel cell stack 2 as it is, it is cooled by the intercooler 16. At this time, a part of the heat energy of the air is discarded. However, according to the configuration of the fuel cell system of the present embodiment, a part of the air compressed by the air compressor 10 is passed through the heat exchanger 40 before being cooled by the intercooler 16, so that waste of heat energy is eliminated. Can be suppressed. That is, the fuel cell system of the present embodiment can not only prevent a temperature drop of the cell 4 due to heat dissipation but also has a great advantage from the viewpoint of fuel consumption.

さらに、本実施の形態の燃料電池システムによれば、インタークーラ16の小型化を図ることもできる。空気が有する熱エネルギの一部が熱交換器40によって回収されるため、その分、インタークーラ16の容量を小さくすることができるからである。また、熱交換器40を通過した空気をインタークーラ16に通すことで、流量調整バルブ50によって熱交換に利用する空気の流量を変化させた場合でも、燃料電池スタック2に供給される空気の温度の変化は抑えることができる。   Furthermore, according to the fuel cell system of the present embodiment, the size of the intercooler 16 can be reduced. This is because a part of the heat energy of the air is recovered by the heat exchanger 40, so that the capacity of the intercooler 16 can be reduced accordingly. Even if the flow rate of the air used for heat exchange is changed by the flow rate adjusting valve 50 by passing the air that has passed through the heat exchanger 40 through the intercooler 16, the temperature of the air supplied to the fuel cell stack 2. The change of can be suppressed.

ところで、本発明は上記実施の形態に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で種々変形して実施することができる。例えば、熱交換器40は集電板と一体化してもよい。集電板は熱容量・熱伝導率が大きくて端部のセル4から熱を奪いやすい。この集電板に熱交換器40を一体化すれば、端部のセル4に対する熱交換効率を高めることができる。また、部品点数を削減することもできる。   By the way, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the heat exchanger 40 may be integrated with the current collector plate. The current collector plate has a large heat capacity and thermal conductivity, and is likely to take heat away from the cell 4 at the end. If the heat exchanger 40 is integrated with the current collector plate, the heat exchange efficiency for the cell 4 at the end can be increased. In addition, the number of parts can be reduced.

また、図1に示す燃料電池システムは水素を循環させながら運転するいわゆる循環型システムであるが、本発明は水素を循環させることなく燃料電池スタック内に止めた状態で運転するいわゆる循環レス型の燃料電池システムにも適用可能である。   The fuel cell system shown in FIG. 1 is a so-called circulation type system that operates while circulating hydrogen, but the present invention is a so-called circulation-less type that operates in a state where it is stopped in the fuel cell stack without circulating hydrogen. It can also be applied to a fuel cell system.

最後に、本発明の創案過程において案出された、上記実施の形態のものとは技術的特徴の異なる燃料電池システムについても説明する。図2はその燃料電池システムの構成を示す図である。図2に示すシステムの各要素のうち図1に示すシステムと共通する要素については同一の符号を付している。   Finally, a fuel cell system devised in the inventive process and having technical characteristics different from those of the above embodiment will be described. FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system. Elements common to the system shown in FIG. 1 among the elements shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.

図2に示すシステムは、燃料電池スタック2から排出された空気を利用して端部のセル4を暖機することに技術的特徴がある。つまり、温度が高い内側のセル4から放出された熱を排出空気と熱交換器40とを介して端部のセル4に供給する仕組みである。具体的には、熱交換器40の入口側には、空気排出通路14から分岐した排出空気導入通路62が接続されている。熱交換器40では、排出空気導入通路62によって空気排出通路14から取り出された高温の排出空気が熱交換に利用される。排出空気導入通路62は調圧バルブ20の上流において空気排出通路14から分岐している。一方、熱交換器40の出口側には、熱交換に使用した排出空気を空気排出通路14に戻すためのリターン通路64が接続されている。リターン通路64の空気排出通路14への接続点は加湿器18の下流である。なお、図2では省略しているが、熱交換器40に導入する排出空気の流量を調整するための流量調整バルブを排出空気導入通路62に設けるのが好ましい。流量調整バルブの開度は、熱交換器40の入口空気温度と出口空気温度とに基づいて制御する。   The system shown in FIG. 2 is technically characterized by warming up the end cell 4 using the air discharged from the fuel cell stack 2. In other words, the heat released from the inner cell 4 having a high temperature is supplied to the cell 4 at the end via the exhaust air and the heat exchanger 40. Specifically, a discharge air introduction passage 62 branched from the air discharge passage 14 is connected to the inlet side of the heat exchanger 40. In the heat exchanger 40, the high-temperature exhaust air taken out from the air exhaust passage 14 by the exhaust air introduction passage 62 is used for heat exchange. The exhaust air introduction passage 62 branches from the air exhaust passage 14 upstream of the pressure regulating valve 20. On the other hand, a return passage 64 for returning exhaust air used for heat exchange to the air discharge passage 14 is connected to the outlet side of the heat exchanger 40. The connection point of the return passage 64 to the air discharge passage 14 is downstream of the humidifier 18. Although omitted in FIG. 2, it is preferable that a flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of the exhaust air introduced into the heat exchanger 40 is provided in the exhaust air introduction passage 62. The opening degree of the flow rate adjusting valve is controlled based on the inlet air temperature and the outlet air temperature of the heat exchanger 40.

図2に示す構成の場合、冷間始動直後のように燃料電池スタック2全体の温度が低い状況では効果は低いと考えられる。しかし、始動後しばらくして内側のセル4の温度が高くなってきたときには、上記実施の形態のものと同等の効果を得ることができる。また、図2に示す構成によれば、燃料電池スタック2からの廃熱を有効に利用することができるという利点がある。   In the case of the configuration shown in FIG. 2, it is considered that the effect is low when the temperature of the entire fuel cell stack 2 is low, such as immediately after a cold start. However, when the temperature of the inner cell 4 becomes high after a while after starting, the same effect as that of the above embodiment can be obtained. Further, according to the configuration shown in FIG. 2, there is an advantage that waste heat from the fuel cell stack 2 can be effectively used.

以上説明した構成からは以下のような発明を見出すことができる。
酸化剤ガスとしての空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの端部に前記燃料電池スタックを構成する複数のセルと並んで配置された熱交換器と、
前記燃料電池スタックから排出された空気を前記熱交換器に導入する排出空気導入通路と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
The following invention can be found from the configuration described above.
A fuel cell stack that generates power by receiving supply of air and fuel gas as an oxidant gas;
A heat exchanger arranged alongside a plurality of cells constituting the fuel cell stack at an end of the fuel cell stack;
An exhaust air introduction passage for introducing air exhausted from the fuel cell stack into the heat exchanger;
A fuel cell system comprising:

本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system as embodiment of this invention. 本発明の創案過程において案出された燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system devised in the creation process of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

2 燃料電池スタック
4 セル
6 エンドプレート
10 エアコンプレッサ
12 空気供給通路
14 空気排出通路
16 インタークーラ
18 加湿器
20 調圧バルブ
26 水素供給通路
28 水素排出通路
30 水素タンク
32 水素循環ポンプ
36 気液分離器
38 排気バルブ
40 熱交換器
42 熱交換用空気の導入通路
44 リターン通路
46,48 温度センサ
50 流量調整バルブ
52 制御装置
2 Fuel cell stack 4 Cell 6 End plate 10 Air compressor 12 Air supply passage 14 Air discharge passage 16 Intercooler 18 Humidifier 20 Pressure regulating valve 26 Hydrogen supply passage 28 Hydrogen discharge passage 30 Hydrogen tank 32 Hydrogen circulation pump 36 Gas-liquid separator 38 Exhaust valve 40 Heat exchanger 42 Heat exchange air introduction passage 44 Return passages 46, 48 Temperature sensor 50 Flow rate adjustment valve 52 Control device

Claims (9)

酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスとしての空気を供給するエアコンプレッサと、
前記燃料電池スタックに取り付けられ、前記エアコンプレッサにより圧縮されて昇温された空気が通される熱交換器と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack that generates power by receiving supply of oxidant gas and fuel gas; and
An air compressor for supplying air as an oxidant gas to the fuel cell stack;
A heat exchanger attached to the fuel cell stack, through which air heated by compression by the air compressor is passed;
A fuel cell system comprising:
前記熱交換器を通過した空気は酸化剤ガスとして前記燃料電池スタックに供給されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the air that has passed through the heat exchanger is supplied to the fuel cell stack as an oxidant gas. 前記エアコンプレッサから前記燃料電池スタックに至る空気の供給通路は、前記エアコンプレッサと前記燃料電池とを直接接続する主通路と、前記主通路から分岐し前記熱交換器を経由してから再び前記主通路に合流する副通路とからなることを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。   An air supply path from the air compressor to the fuel cell stack includes a main path that directly connects the air compressor and the fuel cell, a branch from the main path, the heat exchanger, and then the main path again. The fuel cell system according to claim 2, further comprising a sub-passage that joins the passage. 前記主通路には前記エアコンプレッサで圧縮されて昇温された空気を冷却する冷却器が配置され、前記副通路は前記冷却器の上流で前記主通路から分岐して再び前記冷却器の上流で前記主通路に合流することを特徴とする請求項3記載の燃料電池システム。   The main passage is provided with a cooler that cools the air that has been compressed by the air compressor and heated, and the sub-passage is branched from the main passage upstream of the cooler and again upstream of the cooler. The fuel cell system according to claim 3, wherein the fuel cell system joins the main passage. 前記エアコンプレッサから前記燃料電池スタックに供給される空気のうち前記副通路を通って前記燃料電池スタックに供給される空気の流量を調整する流量調整手段を備えたことを特徴とする請求項4記載の燃料電池システム。   5. A flow rate adjusting means for adjusting a flow rate of air supplied from the air compressor to the fuel cell stack through the auxiliary passage among the air supplied to the fuel cell stack. Fuel cell system. 前記流量調整手段は前記熱交換器の入口及び出口における空気の温度に基づいて前記熱交換器に通される空気の流量を調整することを特徴とする請求項5記載の燃料電池システム。   6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the flow rate adjusting means adjusts the flow rate of air passed through the heat exchanger based on the temperature of air at the inlet and outlet of the heat exchanger. 前記熱交換器は前記燃料電池スタック内に前記燃料電池スタックを構成する複数のセルと並んで配置されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の燃料電池システム。   7. The fuel cell system according to claim 1, wherein the heat exchanger is arranged in the fuel cell stack side by side with a plurality of cells constituting the fuel cell stack. 前記熱交換器は前記燃料電池スタックの端部でエンドプレートの内側に配置されていることを特徴とする請求項7記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 7, wherein the heat exchanger is disposed inside the end plate at an end of the fuel cell stack. 前記熱交換器は前記燃料電池スタックの端部に設けられている集電板と一体化されていることを特徴とする請求項8記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 8, wherein the heat exchanger is integrated with a current collector plate provided at an end of the fuel cell stack.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113644295A (en) * 2021-06-28 2021-11-12 安徽明天新能源科技有限公司 Fuel cell air system
CN113775535A (en) * 2021-09-10 2021-12-10 中山大洋电机股份有限公司 Air compressor system with cooling function, fuel cell system and control method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113644295A (en) * 2021-06-28 2021-11-12 安徽明天新能源科技有限公司 Fuel cell air system
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