JP2009238669A - Fuel cell system - Google Patents

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英美 加藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact fuel cell system enabling to suppress power generation performance caused by dryness of a solid polyelectrolyte membrane under situations in which the solid polyelectrolyte membrane is apt to be dried. <P>SOLUTION: In the case the degree of the dryness of a solid polyelectrolyte membrane is estimated to go over a certain level by a membrane drying degree estimating means, a fuel cell is cooled by combination of cooling by a cooling medium circulated through a cooling medium circulation course and also by supplying liquid water to an air electrode by injecting the liquid water in the form of mist by water liquid supply means. Accordingly, in the case dryness of the solid polyelectrolyte membrane is estimated to go over a certain level by membrane dryness estimation means, by cooling with cooling medium circulated through the cooling medium circulation course and by liquid water supply means, not only the fuel cell is fully cooled but also the solid polyelectrolyte membrane is moisturized, which prevents reduction of the power generation performance caused by dryness of the solid polyelectrolyte membrane. <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燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a solid polymer 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.

このような固体高分子型燃料電池(以下、単に「燃料電池」と称する)を含む燃料電池システムは、燃料電池が発電に伴って発熱するので、燃料電池を運転に適した温度となるよう冷却する冷却機構が設けられている。冷却機構としては、例えば、特開2003−109637号公報(特許文献1)に記載されるような、冷却媒体を循環させて燃料電池を冷却する冷却機構が一般的である。
特開2003−109637号公報
In a fuel cell system including such a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as “fuel cell”), the fuel cell generates heat as power is generated, so that the fuel cell is cooled to a temperature suitable for operation. A cooling mechanism is provided. As the cooling mechanism, for example, a cooling mechanism that circulates a cooling medium and cools the fuel cell as described in JP 2003-109637 A (Patent Document 1) is generally used.
JP 2003-109637 A

しかしながら、特許文献1に記載される冷却機構は、固体高分子電解質膜が乾燥し易い状況下において、固体高分子電解質膜の乾燥を防ぐことができず、発電性能の低下を防ぐことができない問題点があった。また、その一方で、燃料電池を含む燃料電池システムを車両に搭載することを想定した場合に、燃料電池システム全体のコンパクト化に対する要求が高い。   However, the cooling mechanism described in Patent Document 1 cannot prevent the solid polymer electrolyte membrane from being dried under the circumstances where the solid polymer electrolyte membrane is easily dried, and cannot prevent the power generation performance from being lowered. There was a point. On the other hand, when it is assumed that a fuel cell system including a fuel cell is mounted on a vehicle, there is a high demand for a compact fuel cell system as a whole.

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、固体高分子電解質膜が乾燥し易い状況下において、固体高分子電解質膜の乾燥による発電性能を抑制できるコンパクトな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 view of the above-described circumstances, and provides a compact fuel cell system capable of suppressing power generation performance due to drying of the solid polymer electrolyte membrane in a situation where the solid polymer electrolyte membrane is easily dried. 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をセパレータを挟んで積層した燃料電池スタックと、燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、系外から取り入れた空気を前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、前記セパレータ内に冷媒を循環させる冷媒循環経路と、前記冷媒を冷却する冷却手段と、前記空気極へ空気と共に霧状の液体水を供給することにより前記燃料電池を冷却する液体水供給手段と、前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いを推定する膜乾燥度推定手段と、前記膜乾燥度推定手段により推定される前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベル以下である場合には、前記冷却手段により冷却された冷媒を前記冷媒循環経路を循環させることによって前記燃料電池の冷却を行い、前記膜乾燥度推定手段により推定される前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベルを超える場合には、前記冷媒循環経路を循環する冷媒による前記燃料電池の冷却と前記液体水供給手段による前記燃料電池の冷却とを併用する冷却制御手段と、を備えている。   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 cell stack laminated with a separator interposed therebetween, a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode, an oxidant gas supply means for supplying air taken from outside the system to the air electrode at normal pressure, and A refrigerant circulation path for circulating the refrigerant in the separator, a cooling means for cooling the refrigerant, a liquid water supply means for cooling the fuel cell by supplying atomized liquid water together with air to the air electrode, Membrane dryness estimating means for estimating the degree of dryness of the solid polymer electrolyte membrane, and when the degree of dryness of the solid polymer electrolyte membrane estimated by the membrane dryness estimation means is below a predetermined level The cooling of the fuel cell is performed by circulating the refrigerant cooled by the cooling means through the refrigerant circulation path, and the degree of dryness of the solid polymer electrolyte membrane estimated by the membrane dryness estimating means is predetermined. When the level is exceeded, cooling control means is provided that uses both cooling of the fuel cell by the refrigerant circulating in the refrigerant circulation path and cooling of the fuel cell by the liquid water supply means.

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、前記液体水供給手段によって前記空気極へ供給する液体水を貯留する貯水手段と、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熱交換によって冷却すると共に該排気から水分を凝縮して液体水として分離する熱交換器と、前記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、前記冷却手段により冷却された冷媒を、前記熱交換器を冷却する冷媒として循環する第2の冷媒循環経路と、を備えている。   The fuel cell system according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein water storage means for storing liquid water supplied to the air electrode by the liquid water supply means, and discharge from the air electrode in the fuel cell. A heat exchanger that cools the exhaust gas by heat exchange and condenses water from the exhaust gas to separate it as liquid water, water recovery means that recovers liquid water from the heat exchanger and returns the liquid water to the water storage means, A second refrigerant circulation path that circulates the refrigerant cooled by the cooling means as a refrigerant for cooling the heat exchanger.

請求項3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、前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を熱交換によって冷却する冷却部と、その冷却部による冷却に伴う水分の凝縮によって該排気から分離された液体水を貯留する貯水部とを有し、前記液体水供給手段によって前記空気極へ供給する液体水を貯留する貯水手段と、前記冷却手段により冷却された冷媒を、前記貯水手段の冷却部を冷却する冷媒として循環する第2の冷媒循環経路と、を備えている。   The fuel cell system according to claim 3 is the fuel cell system according to claim 1, wherein a cooling unit that cools the exhaust gas discharged from the air electrode in the fuel cell by heat exchange, and moisture accompanying cooling by the cooling unit. A water storage part for storing liquid water separated from the exhaust gas by the condensation of the water, a water storage means for storing liquid water supplied to the air electrode by the liquid water supply means, and a refrigerant cooled by the cooling means And a second refrigerant circulation path that circulates as a refrigerant for cooling the cooling section of the water storage means.

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常圧の空気が供給される。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 always supplied by the oxidant gas supply means. Pressure air is supplied. As a result, the fuel cell generates power by an electrochemical reaction between the fuel gas and air.

この請求項1記載の燃料電池システムによれば、膜乾燥度推定手段により推定される固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベル以下である場合には、冷却制御手段によって、冷却手段により冷却された冷媒を、冷媒循環経路により燃料電池スタックのセパレータ内に循環させて燃料電池を冷却する。   According to the fuel cell system of claim 1, when the degree of drying of the solid polymer electrolyte membrane estimated by the membrane dryness estimating means is below a predetermined level, it is cooled by the cooling means by the cooling control means. The refrigerant is circulated in the separator of the fuel cell stack through the refrigerant circulation path to cool the fuel cell.

一方で、膜乾燥度推定手段により推定される固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベルを超える場合には、冷却制御手段によって、冷媒循環経路によりセパレータ内を循環する冷媒による冷却と、液体水供給手段により液体水を霧状に噴射して空気極へ該液体水を供給することによる冷却とを併用し、燃料電池を冷却する。   On the other hand, when the degree of dryness of the solid polymer electrolyte membrane estimated by the membrane dryness estimating means exceeds a predetermined level, the cooling control means cools the liquid by circulating through the separator through the refrigerant circulation path, and the liquid water. The fuel cell is cooled in combination with cooling by supplying the liquid water to the air electrode by spraying the liquid water in a mist form with the supply means.

ここで、液体水供給手段による冷却は、空気極へ供給された霧状の液体水の蒸発潜熱によるものであり、空気極の表面や周囲の空気から潜熱を奪うので、固体高分子電解質膜から水分の蒸発を防止することができ、冷却作用と共に、固体高分子電解質膜を保湿する作用を有する。   Here, the cooling by the liquid water supply means is due to the latent heat of evaporation of the mist-like liquid water supplied to the air electrode, and the latent heat is taken away from the surface of the air electrode and the surrounding air. Evaporation of moisture can be prevented, and the solid polymer electrolyte membrane is moisturized together with a cooling effect.

よって、膜乾燥度推定手段により推定される固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベルを超える場合に、冷媒循環経路を循環する冷媒による冷却と、液体水供給手段による冷却を併用することによって、燃料電池を十分に冷却できるだけでなく、固体高分子電解質膜が保湿され、固体高分子電解質膜の乾燥による発電性能の低下を防止することができるという効果がある。   Therefore, when the degree of dryness of the solid polymer electrolyte membrane estimated by the membrane dryness estimation means exceeds a predetermined level, by combining cooling by the refrigerant circulating in the refrigerant circulation path and cooling by the liquid water supply means, Not only can the fuel cell be sufficiently cooled, but the solid polymer electrolyte membrane is moisturized, and it is possible to prevent a decrease in power generation performance due to drying of the solid polymer electrolyte membrane.

また、液体水供給手段により空気極へ霧状に噴射された(噴霧された)液体水が、燃料電池(空気極)の冷却作用と固体高分子電解質膜の保湿作用との両作用を呈するので、燃料電池システムの大型化を抑制することができ、コンパクトな空間内に収めることが可能であるという効果がある。   Further, the liquid water sprayed (sprayed) to the air electrode by the liquid water supply means exhibits both the cooling action of the fuel cell (air electrode) and the moisturizing action of the solid polymer electrolyte membrane. In addition, the fuel cell system can be prevented from being enlarged and can be contained in a compact space.

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。燃料電池における空気極から排出された排気は、熱交換器において、熱交換によって冷却されると共に、排気中の水分が凝縮されて液体水として分離される。熱交換器において分離された液体水は、水回収手段により、液体水供給手段によって空気極へ供給する液体水を貯留する貯水手段へ戻される。それによって、液体水供給手段によって燃料電池を冷却及び保湿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。   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. Exhaust gas discharged from the air electrode in the fuel cell is cooled by heat exchange in a heat exchanger, and moisture in the exhaust gas is condensed and separated as liquid water. The liquid water separated in the heat exchanger is returned by the water recovery means to the water storage means for storing the liquid water supplied to the air electrode by the liquid water supply means. Thus, a system is constructed in which liquid water for cooling and moisturizing the fuel cell by the liquid water supply means is recovered from the exhaust gas discharged from the air electrode by the water recovery means and circulated.

ここで、請求項2記載の燃料電池システムによれば、熱交換器を冷却する冷媒を循環する第2の冷媒循環経路が設けられているので、熱交換器における排気の冷却効率を高めることができ、それに伴って、排気からの液体水(凝縮水)の回収効率を高めることができる。よって、液体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、燃料電池の冷却や固体高分子電解質膜の保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ので、発電性能の低下をより有効に防止することができるという効果がある。   Here, according to the fuel cell system of the second aspect, since the second refrigerant circulation path for circulating the refrigerant for cooling the heat exchanger is provided, the cooling efficiency of the exhaust gas in the heat exchanger can be improved. Accordingly, the recovery efficiency of liquid water (condensed water) from the exhaust can be increased. Therefore, it is possible to prevent the amount of liquid water supplied to the air electrode of the fuel cell from the liquid water supply means from being insufficient to cool the fuel cell or to moisturize the solid polymer electrolyte membrane. As a result, it is possible to more effectively prevent a decrease in power generation performance.

また、この第2の冷媒循環経路を循環する冷媒の冷却は、燃料電池を冷却する冷媒循環経路を循環する冷媒の冷却を行う冷却手段と同じ冷却手段によって行われる。よって、熱交換器を冷却するための冷媒を冷却する専用の冷却手段を設ける必要がなく、燃料電池システムの大型化を抑制することができ、コンパクトな空間内に収めることが可能であるという効果がある。   Further, the cooling of the refrigerant circulating in the second refrigerant circulation path is performed by the same cooling means as the cooling means for cooling the refrigerant circulating in the refrigerant circulation path for cooling the fuel cell. Therefore, there is no need to provide a dedicated cooling means for cooling the refrigerant for cooling the heat exchanger, the increase in the size of the fuel cell system can be suppressed, and it is possible to fit in a compact space. There is.

請求項3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。燃料電池における空気極から排出された排気は、貯水手段の冷却部において、熱交換によって冷却され、該冷却部による冷却に伴う水分の凝縮によって排気から分離された液体水が、同じく貯水手段の貯水部に貯留される。この貯水手段の貯水部に貯留される液体水は、液体水供給手段によって空気極へ供給する液体水として使用される。   According to the fuel cell system of claim 3, in addition to the effect of the fuel cell system of claim 1, the following effect is obtained. Exhaust gas discharged from the air electrode in the fuel cell is cooled by heat exchange in the cooling unit of the water storage means, and liquid water separated from the exhaust gas by condensation of water accompanying cooling by the cooling unit is also stored in the water storage means. It is stored in the part. The liquid water stored in the water storage section of the water storage means is used as liquid water supplied to the air electrode by the liquid water supply means.

よって、貯水手段の冷却部において排気から分離された液体水を貯水手段の貯水部に貯留して回収し、液体水供給手段によって燃料電池を冷却及び保湿するために液体水として再利用する液体水の循環系が構成される。   Therefore, the liquid water separated from the exhaust in the cooling part of the water storage means is stored and recovered in the water storage part of the water storage means, and the liquid water is reused as liquid water to cool and keep the fuel cell by the liquid water supply means. A circulatory system is constructed.

ここで、請求項3記載の燃料電池システムによれば、貯水手段の冷却部を冷却する冷媒を循環する第2の冷媒循環経路が設けられているので、該冷却部における排気の冷却効率を高めることができ、それに伴って、排気からの液体水(凝縮水)の回収効率を高めることができる。よって、液体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、燃料電池の冷却や固体高分子電解質膜の保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ので、発電性能の低下をより有効に防止することができるという効果がある。   Here, according to the fuel cell system of the third aspect, since the second refrigerant circulation path for circulating the refrigerant for cooling the cooling unit of the water storage means is provided, the cooling efficiency of the exhaust gas in the cooling unit is increased. Accordingly, the recovery efficiency of liquid water (condensed water) from the exhaust can be increased. Therefore, it is possible to prevent the amount of liquid water supplied to the air electrode of the fuel cell from the liquid water supply means from being insufficient to cool the fuel cell or to moisturize the solid polymer electrolyte membrane. As a result, it is possible to more effectively prevent a decrease in power generation performance.

また、この第2の冷媒循環経路を循環する冷媒の冷却は、燃料電池を冷却する冷媒循環経路を循環する冷媒の冷却を行う冷却手段と同じ冷却手段によって行われる。よって、熱交換器を冷却するための冷媒を冷却する専用の冷却手段を設ける必要がなく、燃料電池システムの大型化を抑制することができ、コンパクトな空間内に収めることが可能であるという効果がある。   Further, the cooling of the refrigerant circulating in the second refrigerant circulation path is performed by the same cooling means as the cooling means for cooling the refrigerant circulating in the refrigerant circulation path for cooling the fuel cell. Therefore, there is no need to provide a dedicated cooling means for cooling the refrigerant for cooling the heat exchanger, the increase in the size of the fuel cell system can be suppressed, and it is possible to fit in a compact space. There is.

さらに、貯水手段は、空気極から排出される排気から液体水を分離する機能(冷却部)と、分離された液体水を貯留する機能(貯水部)とを合わせ持つので、空気極から排出される排気から液体水を分離するための装置と、分離された液体水を貯留するための装置を別々に設ける必要がない。よって、燃料電池システムのコンパクト化に有用であるという効果がある。   Furthermore, the water storage means has both a function of separating liquid water from the exhaust discharged from the air electrode (cooling unit) and a function of storing the separated liquid water (water storage unit), so that the water is discharged from the air electrode. It is not necessary to separately provide a device for separating liquid water from the exhaust gas and a device for storing the separated liquid water. Therefore, there is an effect that it is useful for making the fuel cell system compact.

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(第1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 (first 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2参照)の燃料極(水素極、アノード極)13(図2参照)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2参照)へ供給するための空気供給系60と、水冷式の冷却機構である水冷系120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(保湿)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。   In this fuel cell system 100, a fuel cell stack 40 and hydrogen gas as a fuel gas are supplied to a fuel electrode (hydrogen electrode, anode electrode) 13 (see FIG. 2) of each unit cell 10 (see FIG. 2) constituting the fuel cell stack 40. 2) and the air electrode (oxygen electrode, cathode electrode) 12 of each unit cell 10 constituting the fuel cell stack 40 (see FIG. 2). A unit cell by supplying atomized liquid water to the air electrode 12 of each unit cell 10 constituting the fuel cell stack 40, an air supply system 60 for supplying to the water cell, a water cooling system 120 that is a water cooling type cooling mechanism A water supply system 80 that cools and humidifies (humidifies) 10 and an exhaust system 110 that exhausts exhaust discharged from the fuel cell stack 40 (the air electrode 12 of each unit cell 10) to the outside of the system are provided.

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、空気排出路111)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51)を次に太い実線で表しており、水の流通経路(導水路81a、給水路81b)を点線で表しており、水冷系120を構成する経路(冷却水循環路121a、冷却水循環路121b)を太い点線で表している。   In the fuel cell system 100 shown in FIG. 1, the flow paths (air supply path 63, air discharge path 111) of air (supply air, exhaust) are represented by the thickest solid lines, and the hydrogen gas flow path (hydrogen gas) The supply flow path 51) is next represented by a thick solid line, the water flow path (water guide path 81a, water supply path 81b) is represented by a dotted line, and the path constituting the water cooling system 120 (cooling water circulation path 121a, cooling water circulation). The path 121b) is represented by a thick dotted line.

燃料電池スタック40は、単位セル10(図2参照)の複数個を、導電性のセパレータ20を介して厚み方向に積層し、隣接する単位セル間を電気的に直列接続した構成とされている。   The fuel cell stack 40 has a configuration in which a plurality of unit cells 10 (see FIG. 2) are stacked in the thickness direction via a conductive separator 20, and adjacent unit cells are electrically connected in series. .

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(図示せず)から供給される水素ガスの流量を調整する電磁弁(図示せず)を含む水素ガス供給流路51を介して、燃料電池スタック40のガス取入口41から図示されない水素ガス流路に接続されて、かかる水素ガス流路に水素ガスを供給する。なお、この水素ガス供給系50は、燃料電池スタック40から排出された未反応水素ガスを、図示されない経路を介して水素ガス供給流路に戻して循環できるように構成されている。   The hydrogen gas supply system 50 corresponds to a fuel gas supply means constituting the fuel cell system of the present invention, and is an electromagnetic valve (see FIG. 5) for adjusting the flow rate of hydrogen gas supplied from a hydrogen cylinder (not shown) serving as a hydrogen source. (Not shown) is connected to a hydrogen gas flow path (not shown) from a gas intake port 41 of the fuel cell stack 40 through a hydrogen gas supply flow path 51 including a hydrogen gas flow path. The hydrogen gas supply system 50 is configured so that unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 40 can be circulated back to the hydrogen gas supply flow path via a path (not shown).

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。空気供給路63には、系外から空気(外気)を取り入れる側から、空気の流通する方向に向かって順に、外気温センサSE1と、フィルタ64と、シロッコファンやターボファンなどの空気ファン61とが設けられている。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 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. In the air supply path 63, an outside air temperature sensor SE <b> 1, a filter 64, and an air fan 61 such as a sirocco fan or a turbo fan, in order from the side taking in air (outside air) from outside the system, in the direction in which the air flows. Is provided. The air supply system 60 corresponds to an oxidant gas supply means constituting the fuel cell system of the present invention.

かかる空気供給系60は、空気ファン61を駆動させることにより、系外から取り入れた空気を、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。   The air supply system 60 drives the air fan 61 to supply air taken from outside the system to the air flow path of the fuel cell stack 40 via the air supply path 63 and the air manifold 62.

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 having one end 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、熱交換器としての凝縮器112と、フィルタ113とが順に設けられ、フィルタ113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, a condenser 112 as a heat exchanger and a filter 113 are provided in this order from the fuel cell stack 40 side toward the air (exhaust) flow direction. Exhaust gas that has passed is discharged outside the system.

凝縮器112は、後述する冷却水循環路121bを循環する冷却水との熱交換によって排気を冷却し、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。燃料電池スタック40から排出された排気は、この凝縮器112へと流入し、該排気中に含まれる水分が液体水として分離され、後述する水供給系80により回収されて水タンク82へと戻される。   The condenser 112 cools the exhaust gas by heat exchange with cooling water circulating through a cooling water circulation path 121b described later, and separates and collects moisture contained in the exhaust gas by condensation. Exhaust gas discharged from the fuel cell stack 40 flows into the condenser 112, and water contained in the exhaust gas is separated as liquid water, collected by a water supply system 80 described later, and returned to the water tank 82. It is.

水冷系120は、燃料電池スタック40を冷却する冷媒としての冷却水を循環させる冷媒循環経路としての冷却水循環路121aを含んで構成される。冷却水循環路121aは、燃料電池スタック40におけるセパレータ20(図2参照)内に冷却水を導き、燃料電池スタック40を冷却する。この冷却水循環路121aには、冷却水を燃料電池スタック40へ圧送する循環ポンプ123が設けられている。また、冷却水循環路121aには、燃料電池スタック40から下流側(冷却水の流通方向側)に向かって順に、冷却水を冷却する冷却手段としてのラジエータ122と、循環電磁弁124とが順に設けられている。   The water cooling system 120 includes a cooling water circulation path 121a as a refrigerant circulation path for circulating cooling water as a refrigerant for cooling the fuel cell stack 40. The cooling water circulation path 121a guides cooling water into the separator 20 (see FIG. 2) in the fuel cell stack 40 and cools the fuel cell stack 40. The cooling water circulation path 121 a is provided with a circulation pump 123 that pumps the cooling water to the fuel cell stack 40. Further, in the cooling water circulation path 121a, a radiator 122 as a cooling means for cooling the cooling water and a circulation electromagnetic valve 124 are provided in order from the fuel cell stack 40 toward the downstream side (the direction in which the cooling water flows). It has been.

また、水冷系120は、凝縮器112を冷却する冷媒としての冷却水を循環させる第2の冷媒循環経路としての冷却水循環路121bとを含んで構成される。この冷却水循環路121bは、ラジエータ122の下流側にて冷却水循環路121aから分岐し、凝縮器112を経由し、循環ポンプ123の上流側にて冷却水循環路121aと合流するように設けられている。この冷却循環路121bは、循環電磁弁125が設けられている。   Further, the water cooling system 120 includes a cooling water circulation path 121b as a second refrigerant circulation path for circulating cooling water as a refrigerant for cooling the condenser 112. This cooling water circulation path 121 b is provided so as to branch from the cooling water circulation path 121 a on the downstream side of the radiator 122, and to merge with the cooling water circulation path 121 a on the upstream side of the circulation pump 123 via the condenser 112. . The cooling circulation path 121b is provided with a circulation electromagnetic valve 125.

ラジエータ122により冷却された冷却水は、循環ポンプ123による圧送により、冷却水循環路121aと冷却水循環路121bとの両方を流通し、それぞれ、燃料電池スタック40と凝縮器112とを冷却(水冷)する。なお、冷媒としては、冷却水に限定されず、種々の冷媒となり得る流体(液体、気体)を使用できる。   The cooling water cooled by the radiator 122 is circulated through both the cooling water circulation path 121a and the cooling water circulation path 121b by pumping by the circulation pump 123, and cools (water-cools) the fuel cell stack 40 and the condenser 112, respectively. . In addition, as a refrigerant | coolant, it is not limited to a cooling water, The fluid (liquid, gas) which can become a various refrigerant | coolant can be used.

このように、本実施形態の燃料電池システム100は、燃料電池スタック40を水冷式の冷却機構によって冷却できるように構成されている。詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム100は、燃料電池スタック40がドライとなる状況(即ち、固体高分子電解質膜11が乾燥し易い状況)が生じるまでは、加湿を行うことなく、冷却水循環路121aを循環する冷却水により冷却を行って運転(水冷無加湿運転)される。   As described above, the fuel cell system 100 of the present embodiment is configured so that the fuel cell stack 40 can be cooled by the water-cooling type cooling mechanism. Although details will be described later, the fuel cell system 100 of the present embodiment does not perform humidification until the situation where the fuel cell stack 40 becomes dry (that is, the situation where the solid polymer electrolyte membrane 11 is easily dried) occurs. The operation is performed by cooling with the cooling water circulating through the cooling water circulation path 121a (water-cooled non-humidifying operation).

また、本実施形態の燃料電池システム100は、冷却水循環路121bを循環する冷却水によって凝縮器112を冷却するので、排気の冷却効率が高く、排気からの水分の回収効率も高い。   Moreover, since the fuel cell system 100 of this embodiment cools the condenser 112 with the cooling water which circulates through the cooling water circulation path 121b, the cooling efficiency of exhaust gas is high, and the recovery efficiency of moisture from the exhaust gas is also high.

水供給系80は、貯水手段としての水タンク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81b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81bは、本発明の燃料電池システムを構成する液体水供給手段に該当する。   The water supply system 80 includes a water tank 82 as a water storage means, and a water supply path 81 b that is connected to the water tank 82 at one end side and supplies water stored in the water tank 82 to the fuel cell stack 40. Composed. The water supply path 81b in the water supply system 80 corresponds to the liquid water supply means constituting the fuel cell system of the present 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(保湿水)となる水を供給するための水を貯留するものである。なお、この水タンク82には、水位センサSE4(図3参照)と水温センサ(図示せず)とが設けられている。   The water tank 82 stores water for supplying water serving as cooling water and humidification water (humidity retention water) to the fuel cell stack 40. The water tank 82 is provided with a water level sensor SE4 (see FIG. 3) and a water temperature sensor (not shown).

給水路81bには、水タンク81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81bからの水の出口となるノズル83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 83 serving as an outlet of water from the water supply path 81b are provided in the water supply path 81b from the water tank 81 side toward the water flow direction. It is provided in order.

ノズル83の先端は、空気マニホールド62に向けられており、給水路81bを介して水タンク82から導かれた水は、ノズル83の先端から噴射される。ノズル83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。   The tip of the nozzle 83 is directed to the air manifold 62, and the water guided from the water tank 82 via the water supply path 81b is jetted from the tip of the nozzle 83. The water jetted from the nozzle 83 toward the air manifold 62 is sent into the fuel cell stack 40 in the form of a mist by the flow of supply air flowing through the air supply system 60.

この霧状に噴射された水は、各単位セル10(図2参照)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(保湿水)として作用する。即ち、本実施形態の燃料電池システム100は、液体水を噴霧することによって、燃料電池スタック40(空気極12)を冷却すると共に、固体個分子電解質膜11(図2参照)を保湿できる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る。   The water sprayed in the form of mist flows into the air electrode 12 of each unit cell 10 (see FIG. 2), and acts as cooling water and humidification water (humidity retention water) for the fuel cell stack 40. That is, the fuel cell system 100 according to the present embodiment cools the fuel cell stack 40 (air electrode 12) by spraying liquid water, and can directly moisturize the solid molecular electrolyte membrane 11 (see FIG. 2). It is configured as a type of fuel cell system.

このように、本実施形態の燃料電池システム100は、上述した水冷系120によって燃料電池スタック40を冷却できるだけでなく、水供給系80によって燃料電池スタック40を冷却することもできる。   As described above, the fuel cell system 100 according to the present embodiment can not only cool the fuel cell stack 40 by the water cooling system 120 described above but also can cool the fuel cell stack 40 by the water supply system 80.

詳細は後述するが、本実施形態では、水冷系120による燃料電池スタック40の冷却を基本とし、燃料電池スタック40がドライとなる状況(即ち、固体高分子電解質膜11が乾燥し易い状況)が生じた場合に、水冷系120による冷却と水供給系80による冷却とを併用する構成とされている。かかる構成により、固体高分子電解質膜11の乾燥による発電性能の低下を有効に防止することができる。   Although details will be described later, in the present embodiment, the cooling of the fuel cell stack 40 by the water cooling system 120 is basically used, and the fuel cell stack 40 is dry (that is, the solid polymer electrolyte membrane 11 is easily dried). When it occurs, the cooling by the water cooling system 120 and the cooling by the water supply system 80 are used in combination. With this configuration, it is possible to effectively prevent a decrease in power generation performance due to drying of the solid polymer electrolyte membrane 11.

また、図1に示すように、水供給系80は、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を含んでいる。導水路81aは、その一端側が凝縮器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。なお、この水供給系80における導水路81a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。   Further, as shown in FIG. 1, the water supply system 80 includes a water conduit 81 a that guides the water collected by the condenser 112 to the water tank 82. The water conduit 81a is a route in which one end side is connected to the 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. In addition, the water conduit 81a in this water supply system 80 corresponds to the water collection | recovery means which comprises the fuel cell system of this invention.

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81b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。   As described above, the water supply system 80 supplies liquid water stored in the water tank 82 as cooling water and humidified water of the fuel cell stack 40 via the water supply path 81b, and exhaust gas discharged from the fuel cell stack 40. The water contained therein is condensed by the condenser 112 and separated as liquid water, and the water is returned to the water tank 82 through the water conduit 81a.

また、水供給系80は、給水路81bから分岐し、給水路81内の水を抜くための排水路81cを有している。この排水路81cには、水抜きの際に開放される水抜き用電磁弁87が設けられている。   Further, the water supply system 80 has a drainage channel 81 c that branches from the water supply channel 81 b and drains the water in the water supply channel 81. The drainage channel 81c is provided with a draining electromagnetic valve 87 that is opened when draining.

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における図示されない電磁弁を調整し、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, a solenoid valve (not shown) in 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電気化学的な水生成反応(電極反応)が行われ、生じた電流が図示されない負荷系(モータなど)へ流れる。   As a result, an electrochemical water generation reaction (electrode reaction) with hydrogen and oxygen is performed in each unit cell 10 constituting the fuel cell stack 40, and the generated current flows to a load system (such as a motor) not shown. .

かかる燃料電池システム100の運転中は、水冷系120の冷却水循環路121aを循環する冷却水によって燃料電池スタック40が冷却される。また、水供給系80により霧状の液体水を燃料電池スタック40に供給することにより、各単位セル10を冷却及び加湿(保湿)することができる。   During operation of the fuel cell system 100, the fuel cell stack 40 is cooled by the cooling water circulating in the cooling water circulation path 121a of the water cooling system 120. Further, each unit cell 10 can be cooled and humidified (humidified) by supplying mist liquid water to the fuel cell stack 40 by the water supply system 80.

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。なお、この制御装置70の詳細な構成については、図3を参照して後述する。   Further, 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 detailed configuration of the control device 70 will be described later with reference to FIG.

次に、図2を参照して、燃料電池スタック40を構成する単位セル10について説明する。図2は、単位セル10を模式的に示す断面図である。図2に示すように、単位セル10は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)15と、その膜電極接合体15における空気極12側に設けられた空気流路16と、膜電極接合体15における燃料極13側に設けられた水素ガス流路17と、空気流路16及び水素ガス流路17の外面側に配された導電性のセパレータ20と、シール材21とから構成される。   Next, with reference to FIG. 2, the unit cell 10 which comprises the fuel cell stack 40 is demonstrated. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the unit cell 10. As shown in FIG. 2, the unit cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA) 15, an air flow path 16 provided on the air electrode 12 side of the membrane electrode assembly 15, and a membrane electrode joint. A hydrogen gas passage 17 provided on the fuel electrode 13 side in the body 15, an air passage 16, a conductive separator 20 disposed on the outer surface side of the hydrogen gas passage 17, and a sealing material 21. .

膜電極接合体15は、固体高分子電解質膜11と、その固体高分子電解質11の両面を挟持する空気極12及び燃料極13とから構成される積層体である。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。   The membrane electrode assembly 15 is a laminate composed of a solid polymer electrolyte membrane 11 and an air electrode 12 and a fuel electrode 13 that sandwich both surfaces of the solid polymer electrolyte 11. 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、固体高分子電解質膜11に当接する触媒層12aと、その触媒層12aにおける固体高分子電解質膜11とは反対側の面に当接する拡散層12bとから構成される。   The air electrode 12 is composed of a catalyst layer 12a in contact with the solid polymer electrolyte membrane 11, and a diffusion layer 12b in contact with the surface of the catalyst layer 12a opposite to the solid polymer electrolyte membrane 11.

また、燃料極13は、固体高分子電解質膜11に当接する触媒層13aと、その触媒層13aにおける固体高分子電解質膜11とは反対側の面に当接する拡散層13bとから構成される。   The fuel electrode 13 includes a catalyst layer 13a that contacts the solid polymer electrolyte membrane 11, and a diffusion layer 13b that contacts the surface of the catalyst layer 13a opposite to the solid polymer electrolyte membrane 11.

触媒層12aは、固体高分子電解質膜11に当接されて空気極12における電極反応を促進するための層であり、固体高分子電解質膜11における他方の面に当接する燃料極13の触媒層13aと共に、酸素と水素との水生成反応を促進する。触媒層12a,13aとしては、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された触媒層を採用することができる。   The catalyst layer 12 a is a layer that is in contact with the solid polymer electrolyte membrane 11 to promote an electrode reaction in the air electrode 12, and the catalyst layer of the fuel electrode 13 that is in contact with the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 11. Together with 13a, the water generation reaction of oxygen and hydrogen is promoted. As the catalyst layers 12a and 13a, for example, a catalyst layer including a catalyst-supporting carbon in which a catalyst such as platinum is supported on carbon particles and an electrolyte can be employed.

拡散層12b,13b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の多孔質基材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。   The diffusion layers 12b and 13b are composed of a porous base material such as carbon woven fabric or carbon paper capable of gas diffusion. For example, carbon cloth, carbon paper, non-woven fabric made of carbon fiber, etc. Can be used.

空気流路16は、空気供給系60(図1参照)により供給された空気を流通させる流路であり、空気は紙面上側から下側方向(矢印A方向)に流通し、排出される。一方、水素ガス流路17は、水素供給系50により供給された水素ガスを流通させる流路である。水素ガスは、図示されない供給口から水素ガス流路17へ供給され、例えば、紙面手前側から奥側(紙面垂直方向)に流通して、図示されない排出口から排出される。   The air flow path 16 is a flow path through which the air supplied by the air supply system 60 (see FIG. 1) flows, and the air flows from the upper side to the lower side (arrow A direction) and is discharged. On the other hand, the hydrogen gas channel 17 is a channel through which the hydrogen gas supplied by the hydrogen supply system 50 flows. Hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas flow path 17 from a supply port (not shown), and circulates from the front side to the back side (perpendicular to the page), for example, and is discharged from a discharge port (not shown).

空気流路16に空気を供給し、水素ガス流路17に水素ガスを供給することにより、膜電極接合体15において酸素と水素との電気化学的反応が生じる。なお、空気流路16及び水素ガス流路17の具体的な構成は省略するが、これらの流路16,17は、導電性材料により構成されており、膜電極接合体15(空気極12、燃料極13)とセパレータ20とは電気的に接続されている。   By supplying air to the air channel 16 and supplying hydrogen gas to the hydrogen gas channel 17, an electrochemical reaction between oxygen and hydrogen occurs in the membrane electrode assembly 15. Although specific configurations of the air flow path 16 and the hydrogen gas flow path 17 are omitted, the flow paths 16 and 17 are made of a conductive material, and the membrane electrode assembly 15 (air electrode 12, The fuel electrode 13) and the separator 20 are electrically connected.

次に、図3を参照して、本実施形態の燃料電池システム100に搭載され、この燃料電池システム100の運転を制御する制御装置70について説明する。図3は、制御装置70の電気的構成を示すブロック図である。   Next, a control device 70 that is mounted on the fuel cell system 100 of the present embodiment and controls the operation of the fuel cell system 100 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the control device 70.

図3に示すように、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. 3, 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, fixed value data, and the like, and a control program The CPU 73, the ROM 72, and the input / output port 75 connected to the RAM 73 via the bus line 74 are mainly configured.

図3に示すように、入出力ポート75には、系外から取り入れた外気の温度を検出する外気温センサSE1と、燃料電池スタック40の出力電圧を検出する電圧センサSE2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、水位センサSE4とが接続されている。   As shown in FIG. 3, the input / output port 75 includes an outside air temperature sensor SE 1 that detects the temperature of outside air taken from outside the system, a voltage sensor SE 2 that detects the output voltage of the fuel cell stack 40, and the fuel cell stack 40. A current sensor SE3 for detecting the output current and a water level sensor SE4 are connected.

また、入出力ポート75には、水タンク82に貯留される液体水を、給水路81bを介してノズル83へ送り込む給水ポンプ85と、給水路81bの開度を調整する水供給電磁弁86と、空気ファン61とが接続されている。   Also, the input / output port 75 includes a water supply pump 85 that supplies liquid water stored in the water tank 82 to the nozzle 83 via the water supply path 81b, and a water supply electromagnetic valve 86 that adjusts the opening of the water supply path 81b. The air fan 61 is connected.

制御装置70のCPU71は、入出力ポート75を介して各センサSE1〜SE3の検出値が入力されると、その検出値に基づく電圧制御値を制御対象(給水ポンプ85、水供給電磁弁86、空気ファン61)へ出力して各制御対象の動作を制御する。   When the detection values of the sensors SE1 to SE3 are input via the input / output port 75, the CPU 71 of the control device 70 sets the voltage control values based on the detection values to be controlled (water supply pump 85, water supply electromagnetic valve 86, It outputs to the air fan 61) and controls the operation of each control object.

なお、この制御装置70には、図示されない配線によって、燃料電池システム100に含まれるその他のセンサや、燃料電池システム100に含まれるその他電磁弁(例えば、水抜き用電磁弁87など)や、燃料電池システム100に含まれるその他のポンプや、図示されない負荷系に含まれるインバータなどにも接続されており、CPU71は、各センサからの検出値の入力に基づいて、制御対象(電磁弁やポンプなど)に対し、燃料電池システム100を運転するための各種制御を行う。   The control device 70 includes other sensors included in the fuel cell system 100, other electromagnetic valves included in the fuel cell system 100 (for example, a water draining electromagnetic valve 87), fuel, and the like by wiring not shown. The CPU 71 is also connected to other pumps included in the battery system 100, an inverter included in a load system (not shown), and the like. The CPU 71 controls a control target (solenoid valve, pump, etc.) based on the input of detection values from each sensor. ), Various controls for operating the fuel cell system 100 are performed.

次に、図4(a)及び(b)を参照して、上記構成を有する燃料電池システム100対する運転制御について説明する。   Next, with reference to FIGS. 4A and 4B, operation control for the fuel cell system 100 having the above-described configuration will be described.

図4(a)は、制御装置70において実行される運転制御処理を示すフローチャートである。この運転制御処理は、燃料電池システム100の運転を制御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により定期的に繰り返し実行される。なお、この運転制御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。   FIG. 4A is a flowchart showing an operation control process executed in the control device 70. This operation control process is a process for controlling the operation of the fuel cell system 100, and is repeatedly executed periodically by the CPU 71 while the power of the control device 70 is turned on. A control program for executing this operation control process is stored in the ROM 72.

図4(a)に示すように、この運転制御処理では、まず、各センサ(センサSE1〜SE3など)の検出値を取得する(S1)。S1の処理後、空気極12への空気供給に関する制御(例えば、空気ファン61の回転数の制御など)を行う空気供給制御処理を実行し(S2)、燃料極13への水素ガス供給に関する制御(例えば、図示されない供給量調整電磁弁の制御など)を行う水素ガス供給制御処理を実行する(S3)。   As shown in FIG. 4A, in this operation control process, first, detection values of the sensors (sensors SE1 to SE3, etc.) are acquired (S1). After the process of S1, an air supply control process for performing control related to air supply to the air electrode 12 (for example, control of the rotational speed of the air fan 61) is executed (S2), and control related to hydrogen gas supply to the fuel electrode 13 is performed. A hydrogen gas supply control process for performing (for example, control of a supply amount adjusting electromagnetic valve not shown) is executed (S3).

S3の処理後、ノズル83からの液体水の噴射を制御する直噴水制御処理を実行する(S4)。なお、この直噴水制御処理(S4)における具体的な制御については、図4(b)を参照して後述する。   After the process of S3, a direct fountain control process for controlling the jet of liquid water from the nozzle 83 is executed (S4). The specific control in the direct fountain control process (S4) will be described later with reference to FIG.

直噴水制御処理(S4)の実行後、燃料電池システム100の運転を制御するその他の制御処理を実行し(S5)、この運転制御処理を終了する。なお、その他の制御処理(S21)では、例えば、外気温センサSE1の検出値が、外気温度が低いことを示す場合に、水抜き用電磁弁87を開放して、給水路81内の水を排水路81cから抜く処理である凍結防止処理などが含まれる。   After execution of the direct fountain control process (S4), other control processes for controlling the operation of the fuel cell system 100 are executed (S5), and the operation control process is terminated. In the other control process (S21), for example, when the detected value of the outside air temperature sensor SE1 indicates that the outside air temperature is low, the water draining electromagnetic valve 87 is opened and water in the water supply channel 81 is drained. A freeze prevention process that is a process of pulling out from the drainage channel 81c is included.

図4(b)は、上述した運転制御処理(図4(a))の中で実行される直噴水制御処理(S4)を示すフローチャートである。この直噴水制御処理(S4)では、まず、燃料電池スタック40がドライとなる状況であるか否かを判定するドライ判定を行う(S41)。   FIG.4 (b) is a flowchart which shows the direct fountain control process (S4) performed in the operation control process (FIG.4 (a)) mentioned above. In this direct fountain control process (S4), first, dry determination is performed to determine whether or not the fuel cell stack 40 is in a dry state (S41).

このS41の処理にて行うドライ判定の1つとして、外気温センサSE1の検出値が示す外気温度と、電圧センサSE2の検出値及び電流センサSE3の検出値により得られる燃料電池スタック40の出力とに基づく判定が用いられる。   As one of the dry determinations performed in the processing of S41, the outside air temperature indicated by the detection value of the outside air temperature sensor SE1, the output of the fuel cell stack 40 obtained from the detection value of the voltage sensor SE2 and the detection value of the current sensor SE3, and A decision based on is used.

ここで、図5は、外気温度と、燃料電池スタック40の出力と、燃料電池スタック40がドライとなる状況の発生との相関を模式的に示す相関図である。この図5に示す相関図において、縦軸は、外気温度を示す軸であり、上側に向かう程、外気温度が高いことを示す。一方で、横軸は、燃料電池スタック40の出力を示す軸であり、向かって右側に向かう程、高出力であることを示す。   Here, FIG. 5 is a correlation diagram schematically showing the correlation between the outside air temperature, the output of the fuel cell stack 40, and the occurrence of a situation where the fuel cell stack 40 becomes dry. In the correlation diagram shown in FIG. 5, the vertical axis is an axis indicating the outside air temperature, and indicates that the outside air temperature is higher toward the upper side. On the other hand, the horizontal axis is an axis indicating the output of the fuel cell stack 40, and indicates that the output is higher toward the right side.

この図5において、外気温度が高く、燃料電池スタック40が高出力である側に位置する斜線のハッチング領域が、燃料電池スタック40がドライとなる状況を示す領域(ドライ領域)である。つまり、燃料電池スタック40は、外気温度が高く、燃料電池スタック40が高出力である場合に、燃料電池スタック40がドライとなる状況が生じる。   In FIG. 5, the hatched area where the outside air temperature is high and the fuel cell stack 40 is on the high output side is an area (dry area) showing a situation where the fuel cell stack 40 is dry. That is, the fuel cell stack 40 is in a dry state when the outside air temperature is high and the fuel cell stack 40 has a high output.

S41の処理では、外気温センサSE1、電圧センサSE2、及び電流センサSE3の検出値に基づき、現状がドライ領域にある場合に、燃料電池スタック40がドライとなる状況(即ち、固体高分子電解質膜11が乾燥し易い状況)であると判定される。   In the process of S41, based on the detected values of the outside air temperature sensor SE1, the voltage sensor SE2, and the current sensor SE3, when the current state is in the dry region, the fuel cell stack 40 becomes dry (that is, the solid polymer electrolyte membrane) 11 is determined to be easily dried).

また、このドライ判定には、外気温、及び、電流、電圧の代わりに、例えば、中央部に位置する単位セル10の抵抗値を用いてもよい。なお、例えば、燃料電池システム100の起動時や、燃料電池スタック40が低負荷と無負荷とを繰り返した場合などに燃料電池の単位セルの抵抗が閾値を上回る場合があるため、これらもドライ判定とすることがある。   Further, for the dry determination, for example, the resistance value of the unit cell 10 located in the center may be used instead of the outside air temperature, current, and voltage. Note that, for example, when the fuel cell system 100 is started up or when the fuel cell stack 40 repeats a low load and no load, the resistance of the unit cell of the fuel cell may exceed the threshold value. It may be.

図4(b)に戻って説明する。S41の処理後、燃料電池スタック40がドライとなる状況であるか否かを確認する(S42)。S42の処理により確認した結果、燃料電池スタック40がドライとなる状況である場合には(S42:Yes)、直噴水の供給、即ち、水供給電磁弁86の開放及び給水ポンプ85の駆動によるノズル83からの液体水の噴霧を行い(S43)、この直噴水制御処理(S4)を終了する。   Returning to FIG. After the process of S41, it is confirmed whether or not the fuel cell stack 40 is in a dry state (S42). When the fuel cell stack 40 is in a dry state as a result of the confirmation in the process of S42 (S42: Yes), supply of direct jet water, that is, the nozzle by opening the water supply electromagnetic valve 86 and driving the water supply pump 85 The liquid water is sprayed from 83 (S43), and this direct fountain control process (S4) is terminated.

一方で、S42の処理により確認した結果、燃料電池スタック40がドライとなる状況でない場合には(S42:No)、直噴水の供給をせず(S44)、この直噴水制御処理(S4)を終了する。なお、直噴水の供給を停止する場合には、水供給電磁弁86の閉鎖と給水ポンプ85の停止とを行う。   On the other hand, if the fuel cell stack 40 is not in a dry state as a result of the confirmation in S42 (S42: No), the direct fountain is not supplied (S44) and the direct fountain control process (S4) is performed. finish. In addition, when stopping the supply of direct jet water, the water supply electromagnetic valve 86 is closed and the water supply pump 85 is stopped.

よって、この直噴水制御処理(S4)によれば、燃料電池スタック40がドライとなる状況が生じていなければ、直噴水の供給をせず、この場合には、水冷系120(冷却水循環路121a)を循環する冷却水によってのみ冷却する水冷無加湿運転が行われる。   Therefore, according to this direct fountain control process (S4), if the situation where the fuel cell stack 40 becomes dry does not occur, the direct fountain is not supplied. In this case, the water cooling system 120 (cooling water circulation path 121a) The water-cooled and non-humidified operation is performed by cooling only with the cooling water circulating.

その一方で、燃料電池スタック40がドライとなる状況が生じると、その場合には、ノズル83からの液体水の噴霧(直噴水の供給)が行われ、水冷系120による冷却と水供給系80による冷却とを併用する運転が行われる。なお、この直噴水制御処理(S4)におけるS41の処理は、本発明における膜乾燥度推定手段に該当し、S42〜S44の処理は、本発明における冷却制御手段に該当する。   On the other hand, when a situation occurs in which the fuel cell stack 40 becomes dry, in that case, liquid water is sprayed from the nozzle 83 (direct jet water supply), and cooling by the water cooling system 120 and the water supply system 80 are performed. The operation is used in combination with cooling by. In addition, the process of S41 in this direct fountain control process (S4) corresponds to the film | membrane dryness estimation means in this invention, and the process of S42-S44 corresponds to the cooling control means in this 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、燃料電池スタック40がドライとなる状況(即ち、固体高分子電解質膜11が乾燥し易い状況)が生じた場合には、水冷系120による冷却と水供給系80による冷却とを併用する運転が行われる。   As described above, according to the fuel cell system 100 of the present embodiment, when the situation where the fuel cell stack 40 becomes dry (that is, the situation where the solid polymer electrolyte membrane 11 is easily dried) occurs, An operation using both cooling by the system 120 and cooling by the water supply system 80 is performed.

ここで、水供給系80による冷却は、空気極12へ供給された霧状の液体水の蒸発潜熱に起因する。即ち、空気極12へ供給された霧状の液体水は、空気極12の表面や周囲の空気から潜熱を奪うことによって空気極12を冷却するので、固体高分子電解質膜11からの水分の蒸発を防止することができる。よって、この水供給系80による冷却は、冷却作用だけでなく、固体高分子電解質膜を保湿する作用を有する。   Here, the cooling by the water supply system 80 is caused by the latent heat of vaporization of the mist-like liquid water supplied to the air electrode 12. That is, the mist-like liquid water supplied to the air electrode 12 cools the air electrode 12 by removing latent heat from the surface of the air electrode 12 and the surrounding air, and thus evaporation of moisture from the solid polymer electrolyte membrane 11 is performed. Can be prevented. Therefore, the cooling by the water supply system 80 has not only a cooling function but also a function of retaining the solid polymer electrolyte membrane.

従って、 燃料電池スタック40がドライとなる状況において、水冷系120による冷却と水供給系80による冷却とを併用する運転を行うことにより、燃料電池スタック40を十分に冷却できるだけでなく、固体高分子電解質膜11が保湿され、固体高分子電解質膜11の乾燥による発電性能の低下を防止することができる。   Therefore, in a situation where the fuel cell stack 40 is dry, not only can the fuel cell stack 40 be sufficiently cooled by performing an operation in which the cooling by the water cooling system 120 and the cooling by the water supply system 80 are combined, but also the solid polymer The electrolyte membrane 11 is moisturized, and a decrease in power generation performance due to drying of the solid polymer electrolyte membrane 11 can be prevented.

また、本実施形態の燃料電池システム100によれば、冷却水循環路121bを循環する冷却水によって凝縮器112が冷却されるので、排気の冷却効率が高く、排気からの水分の回収効率が高い。よって、水タンク82に貯留される液体水の量を十分に確保することができ、水供給系80により供給される直噴水(ノズル83から噴霧される液体水)の量が、燃料電池スタック40の冷却や、固体高分子電解質膜11の保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。そのため、発電性能の低下がより有効に防止される。   Further, according to the fuel cell system 100 of the present embodiment, the condenser 112 is cooled by the cooling water circulating in the cooling water circulation path 121b, so that the exhaust cooling efficiency is high and the moisture recovery efficiency from the exhaust is high. Therefore, a sufficient amount of liquid water stored in the water tank 82 can be secured, and the amount of direct jet water (liquid water sprayed from the nozzle 83) supplied by the water supply system 80 is the fuel cell stack 40. It is possible to prevent the amount from becoming insufficient for cooling the substrate or moisturizing the solid polymer electrolyte membrane 11. As a result, a decrease in power generation performance is more effectively prevented.

また、本実施形態の燃料電池システム100によれば、水供給手段80による空気極12へ噴霧された直噴水が、燃料電池スタック40(空気極12)の冷却作用と、固体高分子電解質膜11の保湿作用との両作用を呈する。よって、高温の環境下で効果的に燃料電池スタック40の高出力を引き出すことができる。また、冷却水循環路121bを循環する冷却水(即ち、凝縮器112を冷却する冷却水)は、冷却水循環路121bを循環する冷却水(即ち、燃料電池スタック40を冷却する冷却水)と共に、ラジエータ122によって冷却されるので、冷却水循環路121bを循環する冷却水を冷却する専用の冷却装置を設ける必要がない。従って、燃料電池システム100の大型化が抑制され、燃料電池システム100をコンパクトな空間内に収めることが可能となる。   Further, according to the fuel cell system 100 of the present embodiment, the direct fountain sprayed on the air electrode 12 by the water supply means 80 causes the cooling action of the fuel cell stack 40 (air electrode 12) and the solid polymer electrolyte membrane 11. It exhibits both the moisturizing action and the action. Therefore, the high output of the fuel cell stack 40 can be effectively extracted under a high temperature environment. Further, the cooling water circulating in the cooling water circulation path 121b (that is, cooling water for cooling the condenser 112) is combined with the cooling water circulating in the cooling water circulation path 121b (that is, cooling water for cooling the fuel cell stack 40) and the radiator. Since it is cooled by 122, there is no need to provide a dedicated cooling device for cooling the cooling water circulating in the cooling water circulation path 121b. Accordingly, an increase in size of the fuel cell system 100 is suppressed, and the fuel cell system 100 can be accommodated in a compact space.

次に、図6及び図7を参照して、第2実施形態について説明する。上記した第1実施形態では、凝縮器112により排気から水分を凝縮し、分離された液体水を水タンク82に貯留する構成であったのに対し、この第2実施形態では、排気から水分を凝縮し液体水として分離する機能と、分離された液体水を貯留する機能との両方を合わせ持つ水トラップタンク89を用いる。なお、上記した第1実施形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。   Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. In the first embodiment described above, moisture is condensed from the exhaust by the condenser 112 and the separated liquid water is stored in the water tank 82, whereas in the second embodiment, moisture is removed from the exhaust. A water trap tank 89 having both a function of condensing and separating as liquid water and a function of storing the separated liquid water are used. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as above-described 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

図6は、第2実施形態の燃料電池システム200を示すブロック図である。図6に示すように、第2実施形態の燃料電池システム200は、燃料電池スタック40と空気排出路111との間に、水供給系80の一部である貯水手段としての水トラップタンク89が設けられている。なお、水トラップタンク89の具体的な構成については、図7を参照して後述する。   FIG. 6 is a block diagram showing the fuel cell system 200 of the second embodiment. As shown in FIG. 6, in the fuel cell system 200 of the second embodiment, a water trap tank 89 as a water storage means that is a part of the water supply system 80 is provided between the fuel cell stack 40 and the air discharge path 111. Is provided. The specific configuration of the water trap tank 89 will be described later with reference to FIG.

この第2実施形態では、上記第1実施形態では凝縮器111を冷却するために使用された冷却水循環路121bを、水トラップタンク89を冷却するために使用する。よって、図6に示すように、冷却水循環路121bは、ラジエータ122の下流側にて冷却水循環路121aから分岐し、水トラップタンク89を経由し、循環ポンプ123の上流側にて冷却水循環路121aと合流するように設けられている。なお、この第2実施形態においても、冷却水循環路121bは、本発明の燃料電池システムを構成する第2の冷媒循環経路に該当する。   In the second embodiment, the cooling water circulation path 121 b used for cooling the condenser 111 in the first embodiment is used for cooling the water trap tank 89. Therefore, as shown in FIG. 6, the cooling water circulation path 121 b branches from the cooling water circulation path 121 a on the downstream side of the radiator 122, passes through the water trap tank 89, and on the upstream side of the circulation pump 123, the cooling water circulation path 121 a. It is provided to merge with. In the second embodiment as well, the cooling water circulation path 121b corresponds to the second refrigerant circulation path constituting the fuel cell system of the present invention.

なお、第2実施形態の燃料電池システム200の運転を制御する制御装置70は、上記した第1実施形態と同様に、直噴水制御処理(図4(b)参照)を実行し、燃料電池スタック40がドライとなる状況が生じていない場合には、水冷無加湿運転を行い、燃料電池スタック40がドライとなる状況が生じた場合には、水冷系120による冷却と水供給系80による冷却とを併用する運転を行うように燃料電池システム200を制御する。   Note that the control device 70 that controls the operation of the fuel cell system 200 of the second embodiment executes a direct fountain control process (see FIG. 4B) as in the first embodiment described above, and performs a fuel cell stack. When the situation in which the fuel cell stack 40 becomes dry is not generated, the cooling by the water cooling system 120 and the cooling by the water supply system 80 are performed. The fuel cell system 200 is controlled so as to perform the operation using the fuel cell.

図7は、水トラップタンク89を模式的に示す断面図である。図7に示すように、水トラップタンク89は、燃料電池スタック40の下方に、各単位セル10が積層された発電部40aの下方が少なくとも開放され、発電部40a(より具体的には、各単位セル10の空気極12)から排出された排気を受けるトレイ形状のタンクである。   FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the water trap tank 89. As shown in FIG. 7, the water trap tank 89 has at least a power generation unit 40a (more specifically, each power cell 40a (more specifically, each unit cell 10 stacked below the fuel cell stack 40). It is a tray-shaped tank that receives the exhaust discharged from the air electrode 12) of the unit cell 10.

図7に示すように、水トラップタンク89の外周には、冷却部としての中空部89aが設けられている。この中空部89aには、冷却水循環路121bに連通する連通部89a1,89a2が設けられており、連通部89a1には、冷却水循環路121bにおけるラジエータ122側に接続され、連通部89a2には、冷却水循環路121bにおける循環ポンプ123側に接続されている。即ち、水トラップタンク89の中空部89aは、冷却水循環路121bの一部となって、ラジエータ122により冷却された冷却水が流通される。   As shown in FIG. 7, a hollow part 89 a as a cooling part is provided on the outer periphery of the water trap tank 89. The hollow portion 89a is provided with communication portions 89a1 and 89a2 communicating with the cooling water circulation path 121b. The communication portion 89a1 is connected to the radiator 122 side of the cooling water circulation path 121b, and the communication portion 89a2 includes a cooling portion. It is connected to the circulation pump 123 side in the water circulation path 121b. That is, the hollow part 89a of the water trap tank 89 becomes a part of the cooling water circulation path 121b and the cooling water cooled by the radiator 122 is circulated.

このように、水トラップタンク89の外周に設けられた中空部89aを冷却水が流通することにより、燃料電池スタック40から排出された排気が水トラップタンク89の内部で冷却される。その結果、排気の水分が凝縮されて、水トラップタンク89の内壁側に形成された貯留部としての空間89bに液体水Wとして貯留される。   Thus, the cooling water flows through the hollow portion 89 a provided on the outer periphery of the water trap tank 89, whereby the exhaust discharged from the fuel cell stack 40 is cooled inside the water trap tank 89. As a result, the moisture of the exhaust gas is condensed and stored as liquid water W in a space 89 b as a storage portion formed on the inner wall side of the water trap tank 89.

水トラップタンク89における空間89bの底側には、給水路81bに連通する排水口89cが形成されている。よって、給水ポンプ85を駆動させると、空間89bに貯留される液体水W(即ち、排気から凝縮された液体水)は、排水口89cから流出し、ノズル83へと圧送されて、ノズル83から空気マニホールド62に向けて霧状に噴射される。   On the bottom side of the space 89b in the water trap tank 89, a drain port 89c communicating with the water supply path 81b is formed. Therefore, when the water supply pump 85 is driven, the liquid water W stored in the space 89 b (that is, liquid water condensed from the exhaust gas) flows out from the drain port 89 c and is pumped to the nozzle 83 from the nozzle 83. The mist is injected toward the air manifold 62.

水トラップタンク89には、空気排出路111に連通する開口部89dが形成されており、燃料電池スタック40から排出された排気は、最終的に、この開口部89dを経て、空気排出路111へと排出される。   The water trap tank 89 is formed with an opening 89 d communicating with the air discharge path 111, and the exhaust discharged from the fuel cell stack 40 finally passes through the opening 89 d to the air discharge path 111. And discharged.

なお、水トラップタンク89における開口部89d側には、空間89bの底側が開口された隔壁89eが設けられている。この隔壁89eには、開口部89dに対応する位置にバタフライバルブ89fが設けられている。   Note that a partition wall 89e having an opening on the bottom side of the space 89b is provided on the opening 89d side of the water trap tank 89. The partition wall 89e is provided with a butterfly valve 89f at a position corresponding to the opening 89d.

バタフライバルブ89fは、空間89bに貯留される液体水Wが満水でない場合には閉鎖されているように制御手段70によって制御される。よって、水トラップタンク89が満水でない場合には、燃料電池スタック40から排出される排気は、隔壁89eと空間89bの底側との間の開口を経て、開口部89dへと流れる。   The butterfly valve 89f is controlled by the control means 70 so as to be closed when the liquid water W stored in the space 89b is not full. Therefore, when the water trap tank 89 is not full, the exhaust discharged from the fuel cell stack 40 flows to the opening 89d through the opening between the partition wall 89e and the bottom of the space 89b.

従って、バタフライバルブ89fを閉じた状態では、排気が中空部89aを流通する冷却水によって冷却され易く、排気からの水分の凝縮が促進され、貯水量の増加に貢献する。   Therefore, when the butterfly valve 89f is closed, the exhaust is easily cooled by the cooling water flowing through the hollow portion 89a, and the condensation of moisture from the exhaust is promoted, contributing to an increase in the amount of stored water.

一方で、バタフライバルブ89fは、空間89bに貯留される液体水Wが満水である場合に制御手段70の制御によって開放され、燃料電池スタック40から排出される排気は、主に、バタフライバルブ89fを経て、開口部89dへと流れる。よって、トラップタンク89が満水の場合には、燃料電池スタック40からの排気を主にバタフライバルブ89fから排出することにより、水トラップタンク89から液体水がオーバーフローすることを防止する。   On the other hand, the butterfly valve 89f is opened by the control of the control means 70 when the liquid water W stored in the space 89b is full, and the exhaust discharged from the fuel cell stack 40 mainly passes through the butterfly valve 89f. Then, it flows to the opening 89d. Therefore, when the trap tank 89 is full, the exhaust from the fuel cell stack 40 is mainly discharged from the butterfly valve 89f, thereby preventing the liquid water from overflowing from the water trap tank 89.

また、水トラップタンク89には、空間89bに貯留された液体水Wの水位を検出する水位センサSE4や、液体水Wの温度を検出する直噴水温センサ(図示せず)や、中空部89aを流通する冷却水の温度を検出する冷却水温センサ(図示せず)などのセンサが設けられている。   The water trap tank 89 includes a water level sensor SE4 that detects the level of the liquid water W stored in the space 89b, a direct jet water temperature sensor (not shown) that detects the temperature of the liquid water W, and a hollow portion 89a. A sensor such as a cooling water temperature sensor (not shown) for detecting the temperature of the cooling water flowing through the pipe is provided.

以上説明したように、第2実施形態の燃料電池システム200によれば、排気から水分を凝縮し液体水Wとして分離する機能(中空部89a)と、分離された液体水Wを貯留する機能(空間89b)との両方を合わせ持つ水トラップタンク89を使用するので、凝縮器と水タンクとを別々に設ける必要がない。よって、固体高分子電解質膜11の乾燥を防いで発電性能の低下を防止できる燃料電池システムを、よりコンパクトに構成することができる。   As described above, according to the fuel cell system 200 of the second embodiment, the function of condensing moisture from the exhaust gas and separating it as the liquid water W (hollow part 89a) and the function of storing the separated liquid water W ( Since the water trap tank 89 having both the space 89b) is used, it is not necessary to provide a condenser and a water tank separately. Therefore, the fuel cell system capable of preventing the solid polymer electrolyte membrane 11 from being dried and preventing the power generation performance from being lowered can be configured more compactly.

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、上記第1実施形態では、凝縮器112により排気から凝縮した液体水を水タンク82に貯留し、ノズル83へ供給する水として利用する構成としたが、これに換えて、又は、これに加えて、車載エアコンの凝縮水をタンクに貯留し、この貯留水をノズル83へ供給する水として利用する構成としてもよい。   For example, in the first embodiment, the liquid water condensed from the exhaust by the condenser 112 is stored in the water tank 82 and used as the water to be supplied to the nozzle 83, but instead of this, or In addition, it is good also as a structure which stores the condensed water of a vehicle-mounted air conditioner in a tank, and utilizes this stored water as the water supplied to the nozzle 83. FIG.

また、上記第2実施形態では、水トラップタンク89の外周に中空部89aを設け、この中空部89aに冷却水を流通させることにより、排気中の水分を凝縮させる構成としたが、これに換えて、又は、これに加えて、水トラップタンク89の内周側に冷却水循環路121bを通し、排気中の水分を凝縮する構成としてもよい。   Further, in the second embodiment, the hollow portion 89a is provided on the outer periphery of the water trap tank 89, and the cooling water is circulated through the hollow portion 89a to condense the moisture in the exhaust gas. Alternatively, or in addition to this, the cooling water circulation path 121b may be passed through the inner peripheral side of the water trap tank 89 to condense the moisture in the exhaust.

また、上記各実施形態において、水タンク82又は水トラップタンク89に貯留される液体水の量が少ない場合には、循環電磁弁125の開度を上げて冷却水循環路121bを流通する冷却水の量を増大させたり、空気ファン61の回転数を下げて燃料電池スタック40へ供給する空気の量を低減させたりする制御を行う構成としてもよい。   Moreover, in each said embodiment, when the quantity of the liquid water stored in the water tank 82 or the water trap tank 89 is small, the opening degree of the circulation electromagnetic valve 125 is raised and the cooling water which distribute | circulates the cooling water circulation path 121b. A configuration may be adopted in which the amount is increased or the amount of air supplied to the fuel cell stack 40 is reduced by lowering the rotational speed of the air fan 61.

また、上記各実施形態では、外気温度や燃料電池スタックの出力などのパラメータに基づき、間接的に固体高分子電解質膜11の乾燥度合い(即ち、ドライな状況であるか否か)を推定する構成としたが、固体高分子電解質膜11の含水量又は抵抗値を直接測定することによって固体高分子電解質膜11の乾燥度合いを推定する構成としてもよい。   Further, in each of the above embodiments, the degree of drying of the solid polymer electrolyte membrane 11 (that is, whether or not it is in a dry state) is indirectly estimated based on parameters such as the outside air temperature and the output of the fuel cell stack. However, the degree of drying of the solid polymer electrolyte membrane 11 may be estimated by directly measuring the water content or resistance value of the solid polymer electrolyte membrane 11.

本発明の燃料電池システムである燃料電池システムの第1実施形態を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a first embodiment of a fuel cell system which is a fuel cell system of the present invention. FIG. 単位セルを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows a unit cell typically. 制御装置の電気的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the electric constitution of a control apparatus. (a)は、制御装置において実行される運転制御処理を示すフローチャートであり、(b)は、(a)の運転制御処理の中で実行される直噴水制御処理を示すフローチャートである。(A) is a flowchart which shows the operation control process performed in a control apparatus, (b) is a flowchart which shows the direct fountain control process performed in the operation control process of (a). 外気温度と、燃料電池スタックの出力と、燃料電池スタックがドライとなる状況の発生との相関を模式的に示す相関図である。FIG. 5 is a correlation diagram schematically showing the correlation between the outside air temperature, the output of the fuel cell stack, and the occurrence of a situation where the fuel cell stack becomes dry. 第2実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system of 2nd Embodiment. 水トラップタンクを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows a water trap tank typically.

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
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)
81a 導水路(水回収手段)
81b 給水路(液体水供給手段)
82 水タンク(貯水手段)
89 水トラップタンク(貯水手段)
89a 中空部(貯水手段の一部,冷却部)
89b 空間(貯水手段の一部,貯水部)
100 燃料電池システム
112 凝縮器(熱交換器)
121a 冷却水循環路(冷媒循環経路)
121b 冷却水循環路(第2の冷媒循環経路)
122 ラジエータ(冷却手段)
S41 膜乾燥度推定手段
S42〜S44 冷却制御手段
10 Unit cell (fuel cell)
11 Solid polymer electrolyte membrane 12 Air electrode 13 Fuel electrode 40 Fuel cell stack 50 Hydrogen supply system (fuel gas supply means)
60 Air supply system (oxidant gas supply means)
81a Water conduit (water recovery means)
81b Water supply channel (liquid water supply means)
82 Water tank (water storage means)
89 Water trap tank (water storage means)
89a Hollow part (part of water storage means, cooling part)
89b Space (part of water storage means, water storage part)
100 Fuel cell system 112 Condenser (heat exchanger)
121a Cooling water circulation path (refrigerant circulation path)
121b Cooling water circulation path (second refrigerant circulation path)
122 Radiator (cooling means)
S41 Film dryness estimation means S42 to S44 Cooling control means

Claims (3)

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をセパレータを挟んで積層した燃料電池スタックと、
燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、
系外から取り入れた空気を前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記セパレータ内に冷媒を循環させる冷媒循環経路と、
前記冷媒を冷却する冷却手段と、
前記空気極へ空気と共に霧状の液体水を供給することにより前記燃料電池を冷却する液体水供給手段と、
前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いを推定する膜乾燥度推定手段と、
前記膜乾燥度推定手段により推定される前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベル以下である場合には、前記冷却手段により冷却された冷媒を前記冷媒循環経路を循環させることによって前記燃料電池の冷却を行い、前記膜乾燥度推定手段により推定される前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベルを超える場合には、前記冷媒循環経路を循環する冷媒による前記燃料電池の冷却と前記液体水供給手段による前記燃料電池の冷却とを併用する冷却制御手段と、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 stack in which a fuel cell configured to include a solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an air electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane from both sides with a separator interposed therebetween;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode;
Oxidant gas supply means for supplying air taken from outside the system to the air electrode at normal pressure;
A refrigerant circulation path for circulating the refrigerant in the separator;
Cooling means for cooling the refrigerant;
Liquid water supply means for cooling the fuel cell by supplying atomized liquid water together with air to the air electrode;
A membrane dryness estimating means for estimating the dryness of the solid polymer electrolyte membrane;
When the degree of dryness of the solid polymer electrolyte membrane estimated by the membrane dryness estimating means is below a predetermined level, the fuel cell is circulated by circulating the refrigerant cooled by the cooling means through the refrigerant circulation path. When the degree of drying of the solid polymer electrolyte membrane estimated by the membrane dryness estimating means exceeds a predetermined level, the cooling of the fuel cell by the refrigerant circulating in the refrigerant circulation path and the liquid And a cooling control unit that uses both the cooling of the fuel cell by the water supply unit.
前記液体水供給手段によって前記空気極へ供給する液体水を貯留する貯水手段と、
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熱交換によって冷却すると共に該排気から水分を凝縮して液体水として分離する熱交換器と、
前記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、
前記冷却手段により冷却された冷媒を、前記熱交換器を冷却する冷媒として循環する第2の冷媒循環経路と、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 storage means for storing liquid water to be supplied to the air electrode by the liquid water supply means;
A heat exchanger for cooling the exhaust discharged from the air electrode in the fuel cell by heat exchange and condensing moisture from the exhaust to separate it as liquid water;
Water recovery means for recovering liquid water from the heat exchanger and returning it to the water storage means;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising a second refrigerant circulation path that circulates the refrigerant cooled by the cooling means as a refrigerant for cooling the heat exchanger.
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熱交換によって冷却する冷却部と、その冷却部による冷却に伴う水分の凝縮によって該排気から分離された液体水を貯留する貯水部とを有し、前記液体水供給手段によって前記空気極へ供給する液体水を貯留する貯水手段と、
前記冷却手段により冷却された冷媒を、前記貯水手段の冷却部を冷却する冷媒として循環する第2の冷媒循環経路と、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。



A cooling unit that cools the exhaust gas discharged from the air electrode in the fuel cell by heat exchange; and a water storage unit that stores liquid water separated from the exhaust gas due to condensation of water accompanying cooling by the cooling unit. Water storage means for storing liquid water to be supplied to the air electrode by the liquid water supply means;
2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising: a second refrigerant circulation path that circulates the refrigerant cooled by the cooling unit as a refrigerant that cools a cooling unit of the water storage unit.



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KR101838509B1 (en) 2016-03-09 2018-03-14 현대자동차주식회사 Detecting Method Of Water Shortage Related To Cooling Water In Fuel Cell Stack and System Using The Method
JP2018181688A (en) * 2017-04-18 2018-11-15 株式会社デンソー Fuel cell system
EP4002527A1 (en) * 2020-11-19 2022-05-25 Airbus Operations GmbH Electrical generating system for an aircraft comprising a fuel cell

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