JP2012151062A - Fuel cell device - Google Patents

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敏勝 片桐
Takumoto Ikada
拓素 井加田
Nobutaka Nakajima
伸高 中島
Hiroshi Matsumoto
広嗣 松本
Yohei Hidaka
洋平 日高
Shigehiro Takagi
成裕 高木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell device which prevents humidification performance of a membrane-type humidifier from being damaged and furthermore prevents a layout from being largely restricted.SOLUTION: The fuel cell device includes: a fuel cell 10; a humidifier 32 which obtains moisture from cathode off-gas exhausted from the fuel cell 10 and gives the obtained moisture to supply gas supplied to the fuel cell 10; a cooler 33 which is disposed between the fuel cell 10 and the humidifier 32, has a steam permeable membrane in the inside thereof, and lowers the temperature of the cathode off-gas by bringing the cathode off-gas into contact with one of one surface and the other surface of the steam permeable membrane and liquid water into contact with the other, and then by taking heat from the cathode off-gas; a recovery unit 35 which is disposed on an off-gas flow passage through which the cathode off-gas flows; and a recovered water introduction piping b9 which supplies the recovered water recovered by the recovery unit 35 to the cooler 33 as the liquid water.

Description

本発明は、膜式加湿器を備えた燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device provided with a membrane humidifier.

固体高分子膜型の燃料電池では、燃料電池の膜(電解質膜)が乾燥し過ぎると発電性能が低下することから、膜を適度に加湿するため供給ガスに水分を与える膜式の加湿器を備えたものが種々提案されている。この種の加湿器は、例えば、燃料電池から排出されるオフガスを利用して、燃料電池に供給される供給ガスとオフガスとの間で水分交換させている。しかし、燃料電池の運転温度が高温になると、燃料電池から排出されるオフガスの相対湿度が100%を下回るため、加湿器の加湿性能が十分に発揮されなくなるおそれがある。そこで、燃料電池と加湿器との間のオフガス流路上に空冷式や水冷式の熱交換器を有する冷却器を備えて、オフガスの温度を下げて湿度を上げる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In solid polymer membrane type fuel cells, if the membrane (electrolyte membrane) of the fuel cell is too dry, the power generation performance will deteriorate. Therefore, a membrane-type humidifier that provides moisture to the supply gas will be provided to moderately humidify the membrane. Various provisions have been proposed. This type of humidifier uses, for example, off gas discharged from the fuel cell to exchange moisture between the supply gas supplied to the fuel cell and the off gas. However, when the operating temperature of the fuel cell becomes high, the relative humidity of the off gas discharged from the fuel cell is less than 100%, so that the humidifying performance of the humidifier may not be fully exhibited. Thus, a technology has been proposed in which a cooler having an air-cooled or water-cooled heat exchanger is provided on an off-gas flow path between a fuel cell and a humidifier, and the humidity is increased by lowering the temperature of the off-gas (for example, Patent Document 1).

特開2009−152013号公報(図1)Japanese Patent Laying-Open No. 2009-152013 (FIG. 1)

しかしながら、特許文献1に記載の空冷式の冷却器を車両に搭載した場合、バンパ開口部等に設置する必要があり、レイアウトが制約されるという問題がある。また、水冷式の冷却器を搭載した場合においても、ラジエータの追加によってレイアウトが制約されるという問題がある。   However, when the air-cooled cooler described in Patent Document 1 is mounted on a vehicle, it needs to be installed in a bumper opening or the like, and there is a problem that the layout is restricted. Even when a water-cooled cooler is mounted, there is a problem that the layout is restricted by the addition of a radiator.

本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、膜式加湿器の加湿性能を損なうことなく、しかもレイアウトが大きく制約されることのない燃料電池装置を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to provide a fuel cell device that does not impair the humidification performance of the membrane humidifier and that does not greatly restrict the layout.

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスから水分を得て当該燃料電池に供給される供給ガスに水分を与える膜式加湿器と、前記燃料電池と前記膜式加湿器との間に配置され、内部に水蒸気透過膜を備え、当該水蒸気透過膜の一面および他面のうちの一方に前記オフガスを、他方に液水をそれぞれ接触させることにより、前記オフガスから熱を奪うことで当該オフガスの温度を下げる冷却器と、を備えることを特徴とする。   The present invention relates to a fuel cell, a membrane humidifier that obtains moisture from off-gas discharged from the fuel cell and supplies moisture to a supply gas supplied to the fuel cell, the fuel cell, and the membrane humidifier. Between which the off-gas is brought into contact with one of the one surface and the other surface of the water-vapor permeable membrane, and liquid water is brought into contact with the other, thereby removing heat from the off-gas. And a cooler for lowering the temperature of the off gas.

これによれば、水蒸気透過膜の一面にオフガス、他面に液水を接触させることにより、液水が蒸発する際の潜熱(気化熱)を利用してオフガスの温度を下げることが可能になる。その結果、膜式加湿器に供給されるオフガスの温度を適正化することができる。   According to this, it is possible to reduce the temperature of the offgas by utilizing the latent heat (vaporization heat) when the liquid water evaporates by bringing the water vapor into contact with one surface of the water vapor permeable membrane. . As a result, the temperature of the off gas supplied to the membrane humidifier can be optimized.

つまり、燃料電池の運転温度が高温になると、オフガスの相対湿度が100%を下回り、膜式加湿器がドライアップ(膜式加湿器において加湿効率が過度に低下する状態)してしまい、十分な加湿性能を発揮できなくなるおそれがある。そこで、水蒸気透過膜による冷却器を燃料電池と膜式加湿器との間に配置することによって、オフガスを冷却することでオフガスの相対湿度を上げることができる。このようにしてオフガスの相対湿度が100%を下回らないようにすることができ、膜式加湿器のドライアップを防止することが可能になる。   That is, when the operating temperature of the fuel cell becomes high, the relative humidity of the off gas falls below 100%, and the membrane humidifier dries up (the humidification efficiency is excessively lowered in the membrane humidifier). There is a possibility that the humidification performance cannot be exhibited. Therefore, by disposing a cooler using a water vapor permeable membrane between the fuel cell and the membrane humidifier, the relative humidity of the off gas can be increased by cooling the off gas. In this way, the relative humidity of the off gas can be prevented from falling below 100%, and the membrane humidifier can be prevented from drying up.

また、冷却器として水蒸気透過膜を含む構成とすることにより、水冷式や空冷式の熱交換器を備えた冷却器と比べて、冷却器自体のサイズを小型化することが可能になり、レイアウトが大きく制約されるのを防止することができる。また、冷却器を車両に搭載した場合、バンパ開口部等に配置したり、ラジエータなどの大型の熱交換器を追加したりする必要がないので、レイアウトが大きく制約されるのを防止できる。しかも、オフガスの湿度が100%以上のときには、水蒸気透過膜を透過した水分が蒸発することが無いため冷却機能が働かず、余計な冷却による加湿性能低下を招くおそれがない。これに対し空冷式等の熱交換器を備えた冷却器とした場合には、熱交換器をバイパスする構成が必要になるが、こうした構成部の追加を避けることができる。   In addition, by including a water vapor permeable membrane as a cooler, it is possible to reduce the size of the cooler itself compared to a cooler equipped with a water-cooled or air-cooled heat exchanger, and the layout Can be prevented from being greatly restricted. In addition, when the cooler is mounted on a vehicle, it is not necessary to arrange it in a bumper opening or the like or to add a large heat exchanger such as a radiator, so that it is possible to prevent the layout from being greatly restricted. In addition, when the off-gas humidity is 100% or more, the moisture that has permeated through the water vapor permeable membrane does not evaporate, so the cooling function does not work, and there is no possibility of reducing the humidification performance due to extra cooling. On the other hand, when it is set as the cooler provided with heat exchangers, such as an air cooling type, although the structure which bypasses a heat exchanger is needed, the addition of such a structure part can be avoided.

また、前記オフガスが通流するオフガス流路上に配置される凝縮水回収器と、前記凝縮水回収器によって回収された回収水を前記液水として前記冷却器に供給する回収水供給流路と、を備えることを特徴とする。   A condensed water recovery unit disposed on an off-gas channel through which the off-gas flows; a recovered water supply channel for supplying the recovered water recovered by the condensed water recovery unit to the cooler as the liquid water; It is characterized by providing.

これによれば、燃料電池から排出される液水(凝縮水、生成水)を凝縮水回収器で貯留することで、燃料電池から排出される液水を有効に利用してオフガスを冷却することができる。また、冷却器に液水を供給するための装置を別個に設ける必要がない。   According to this, the liquid water discharged from the fuel cell (condensed water, generated water) is stored in the condensed water recovery device, so that the liquid water discharged from the fuel cell is effectively used to cool off-gas. Can do. Further, it is not necessary to separately provide a device for supplying liquid water to the cooler.

また、前記冷却器は、鉛直上下方向に延在する複数の中空糸状の水蒸気透過膜を備えることを特徴とする。   The cooler includes a plurality of hollow fiber-shaped water vapor permeable membranes extending vertically in the vertical direction.

これによれば、冷却器内の液水(水位)が上下に変動したとしても、それぞれの水蒸気透過膜に対して、液水を均等に接触させることができるので、冷却器に導入されたオフガスの熱が均等に奪われて、冷却効果を高めることができる。   According to this, even if the liquid water (water level) in the cooler fluctuates up and down, the liquid water can be brought into uniform contact with the respective water vapor permeable membranes, so that the off-gas introduced into the cooler The heat of the heat is evenly deprived and the cooling effect can be enhanced.

また、前記膜式加湿器に導入されるオフガスの温度を決定する温度センサと、予め設定された発電電力と前記膜式加湿器に導入されるオフガスの許容温度値との関係を用いて、前記発電電力から前記許容温度値を求め、前記許容温度値と前記温度センサの温度値との比較により発電電力を調整する制御部と、を備えることを特徴とする。   Further, the temperature sensor for determining the temperature of the off gas introduced into the membrane humidifier, and the relationship between the preset generated power and the allowable temperature value of the off gas introduced into the membrane humidifier, A control unit that obtains the allowable temperature value from the generated electric power and adjusts the generated electric power by comparing the allowable temperature value and a temperature value of the temperature sensor.

これによれば、発電電力が高くて、温度センサの温度値(実際の温度)が許容温度値よりも高い場合には、発電電力が低下するように制御する。このように発電電力を低下させることで、許容温度値が上昇するので発電電力の制限(抑制制御)が緩和される。一方、発電電力が低くて、温度センサの温度値(実際の温度)が許容温度値よりも高い場合には、発電電力が上昇するように制御する。このように発電電力を上昇させることで、許容温度値が上昇するので、発電電力の制限(上昇制御)が緩和される。   According to this, when the generated power is high and the temperature value (actual temperature) of the temperature sensor is higher than the allowable temperature value, the generated power is controlled to decrease. By reducing the generated power in this way, the allowable temperature value increases, so that the limit (suppression control) of the generated power is relaxed. On the other hand, when the generated power is low and the temperature value (actual temperature) of the temperature sensor is higher than the allowable temperature value, the generated power is controlled to increase. Since the allowable temperature value is increased by increasing the generated power in this way, the limit (increased control) of the generated power is relaxed.

また、前記冷却器は、回収水の水位を検出する水位センサと、回収水を排出する排出弁とを備えることを特徴とする。   In addition, the cooler includes a water level sensor that detects a water level of the recovered water and a discharge valve that discharges the recovered water.

これによれば、冷却器内の液水の水位を管理することで、冷却器としての能力を適正に保つことができる。   According to this, the capability as a cooler can be appropriately maintained by managing the water level of the liquid water in the cooler.

また、予め設定された前記冷却器の水位と発電電力との関係を用いて、前記水位センサの水位に基づいて前記発電電力を制限する制御部を備えることを特徴とする。   Moreover, the control part which restrict | limits the said generated electric power based on the water level of the said water level sensor using the relationship between the preset water level of the said cooler and generated electric power is provided.

これによれば、冷却器の水位が低い場合には、発電電力を制限して(抑えて)、燃料電池を過飽和になり易くして、液水(凝縮水)をできるだけ確保することで、液水が不足するのを防止できる。   According to this, when the water level of the cooler is low, the generated power is limited (suppressed), the fuel cell is easily oversaturated, and liquid water (condensed water) is secured as much as possible. It can prevent water shortage.

また、前記燃料電池装置の運転を停止する際、前記冷却器の温度を検出する第2温度センサ、前記燃料電池装置の運転停止からの経過時間を計測するタイマの少なくともひとつの出力値を用いて、当該出力値が所定条件を満たした場合に前記排出弁を開成する制御部を備えることを特徴とする。   Further, when stopping the operation of the fuel cell device, at least one output value of a second temperature sensor that detects the temperature of the cooler and a timer that measures an elapsed time from the stop of the operation of the fuel cell device is used. And a control unit that opens the discharge valve when the output value satisfies a predetermined condition.

これによれば、凍結による水蒸気透過膜の破損、または燃料電池装置の起動時において膜式加湿器に低い温度のオフガスが供給されることによる起動性の低下を防止することができる。なお、所定条件とは、第2温度センサにより検出される温度が所定温度を下回ったとき、またタイマにより計測される燃料電池装置の運転停止時からの経過時間が所定時間を経過したときなどである。   According to this, it is possible to prevent the startability from being deteriorated due to the breakage of the water vapor permeable membrane due to freezing or the supply of the low-temperature off-gas to the membrane humidifier when the fuel cell device is started. The predetermined condition is when the temperature detected by the second temperature sensor is lower than the predetermined temperature, or when the elapsed time from the stop of the operation of the fuel cell device measured by the timer has passed a predetermined time. is there.

本発明によれば、膜式の加湿器の加湿性能を損なうことなく、しかもレイアウトが大きく制約されることのない燃料電池装置を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell device without impairing the humidification performance of the membrane humidifier and without greatly restricting the layout.

本実施形態に係る燃料電池装置を示す全体構成図である。It is a whole lineblock diagram showing the fuel cell device concerning this embodiment. (a)は冷却器の構造を示す概略図、(b)は冷却器のオフガスと液水の流路を説明する断面図である。(A) is schematic which shows the structure of a cooler, (b) is sectional drawing explaining the flow path of the offgas and liquid water of a cooler. 発電電力の制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows control of generated electric power. 冷却器出口のオフガスの許容温度と発電電力との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between the allowable temperature of the offgas of a cooler exit, and generated electric power. 発電電力の別の制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows another control of generated electric power. 冷却器の水位と発電電力の制限割合との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between the water level of a cooler, and the restriction | limiting ratio of generated electric power. 運転停止時の排出弁の制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows control of the discharge valve at the time of an operation stop. 運転停止時の排出弁の別の制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows another control of the discharge valve at the time of an operation stop. 本実施形態に係る燃料電池装置の変形例を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the modification of the fuel cell apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池装置の他の変形例を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the other modification of the fuel cell apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池装置のさらに他の変形例を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the other modification of the fuel cell apparatus which concerns on this embodiment.

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池装置について図面を参照して説明する。なお、本実施形態の燃料電池装置1A〜1Dは、四輪や二輪などの燃料電池車、船舶、航空機など移動式のもの、あるいは家庭用や業務用で定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。なお、以下では、燃料電池車を例に挙げて説明する。   Hereinafter, a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The fuel cell devices 1A to 1D of the present embodiment require electricity such as fuel cell vehicles such as four-wheels and two-wheels, mobile devices such as ships and airplanes, or stationary devices for home use and business use. Applicable to everything. Hereinafter, a fuel cell vehicle will be described as an example.

図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池装置1Aは、燃料電池10、アノード系20、カソード系30、冷却系40、制御系50を含んで構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell device 1A according to the present embodiment includes a fuel cell 10, an anode system 20, a cathode system 30, a cooling system 40, and a control system 50.

燃料電池10は、例えば、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:
PEFC)であり、MEA(Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体)を一対のセ
パレータ(図示せず)で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した燃料電池スタックである。
The fuel cell 10 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Fuel Cell).
PEFC), stacking multiple unit cells in the thickness direction with MEA (Membrane Electrode Assembly) sandwiched between a pair of separators (not shown), and connecting each unit cell electrically in series The fuel cell stack.

MEAは、陽イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜(以下、電解質膜と略記する)をアノードとカソードとで挟んで構成されている。アノードおよびカソードは、例えば、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に塗布されて形成された電極触媒層とで構成される。   The MEA is configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter abbreviated as an electrolyte membrane) made of a cation exchange membrane between an anode and a cathode. The anode and the cathode are composed of, for example, a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer formed by applying porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface to the surface of the gas diffusion layer. The

セパレータは、カーボンなどの導電性の金属材料で形成され、水素(燃料ガス)が通流するアノード流路11、空気(酸化剤)が通流するカソード流路12、燃料電池10を冷却する冷媒が通流する冷媒流路13がそれぞれ形成されている。   The separator is made of a conductive metal material such as carbon, and has an anode channel 11 through which hydrogen (fuel gas) flows, a cathode channel 12 through which air (oxidant) flows, and a refrigerant that cools the fuel cell 10. Refrigerant flow paths 13 through which are circulated are respectively formed.

このように構成された燃料電池10では、アノードに水素が供給され、カソードに空気中の酸素が供給されることにより、アノードおよびカソードに含まれる触媒の作用により、燃料電池10が発電可能な状態となる。また、燃料電池10が発電することにより、カソード側で水が生成され、凝縮水や水蒸気としてこの生成水がカソード流路12の出口から排出され、また電解質膜を透過してアノード流路11の出口から排出される。   In the fuel cell 10 configured as described above, hydrogen is supplied to the anode and oxygen in the air is supplied to the cathode, so that the fuel cell 10 can generate power by the action of the catalyst contained in the anode and the cathode. It becomes. Further, when the fuel cell 10 generates electric power, water is generated on the cathode side, and this generated water is discharged from the outlet of the cathode channel 12 as condensed water or water vapor, and passes through the electrolyte membrane and passes through the electrolyte channel. It is discharged from the exit.

また、燃料電池10は、外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池10が発電するようになっている。なお、外部負荷とは、後記するエアポンプ31、冷媒ポンプ43、高圧バッテリ(不図示)、走行モータ(不図示)などである。   The fuel cell 10 is electrically connected to an external load, and the fuel cell 10 generates power when a current is taken out by the external load. The external load includes an air pump 31, a refrigerant pump 43, a high-voltage battery (not shown), a travel motor (not shown), and the like which will be described later.

アノード系20は、燃料電池10のアノードに対して水素を給排するものであり、気液分離器21、ドレン弁22、パージ弁23を含んで構成されている。また、アノード系20は、図示しない高圧水素タンクから遮断弁および減圧弁を介して供給された水素が、アノード流路11の入口に対して配管a1を介して供給されるようになっている。アノード流路11の出口から排出された未反応の水素は、配管a2,気液分離器21、配管a3を介して配管a1に戻るようにして循環するように構成されている。図示していないが、水素を循環させる手段としては、エゼクタや回転式ポンプなどである。   The anode system 20 supplies and discharges hydrogen to and from the anode of the fuel cell 10 and includes a gas-liquid separator 21, a drain valve 22, and a purge valve 23. The anode system 20 is configured such that hydrogen supplied from a high-pressure hydrogen tank (not shown) via a shutoff valve and a pressure reducing valve is supplied to the inlet of the anode flow path 11 via a pipe a1. The unreacted hydrogen discharged from the outlet of the anode channel 11 is circulated so as to return to the pipe a1 through the pipe a2, the gas-liquid separator 21, and the pipe a3. Although not shown, means for circulating hydrogen include an ejector and a rotary pump.

気液分離器21は、アノード流路11の出口から排出されたアノードオフガスに含まれる水分と未反応の水素とを分離する機能を有して、水分(液水)を貯留する貯留部(不図示)を備えている。   The gas-liquid separator 21 has a function of separating moisture and unreacted hydrogen contained in the anode off-gas discharged from the outlet of the anode flow path 11, and stores a moisture (liquid water) (non-reacting water). (Shown).

気液分離器21は、例えば、アノードオフガスが気液分離器21内の壁面に衝突することで、そこに含まれる水分を重力の作用によって空間内で落下させ底部に貯留させるように構成している。なお、ここでの水分は、アノード流路11の出口から排出される凝縮水だけではなく、アノード流路11の出口から排出された水蒸気が、気液分離器21内の壁面などに当たることによって結露したものが含まれる。   The gas-liquid separator 21 is configured so that, for example, when the anode off gas collides with the wall surface in the gas-liquid separator 21, the moisture contained therein is dropped in the space by the action of gravity and stored in the bottom. Yes. The moisture here is not only condensed water discharged from the outlet of the anode channel 11 but also water vapor discharged from the outlet of the anode channel 11 hits the wall surface in the gas-liquid separator 21 and the like. Is included.

ドレン弁22は、例えば、常閉型のものであり、気液分離器21の貯留部と配管a4を介して接続され、後記する希釈器36と配管a5を介して接続されるように構成されている。また、ドレン弁22は、後記する制御部51によって開弁されることにより、貯留部に貯留された液水(凝縮水、結露水)が、配管a4,a5を介して希釈器36に排出される。なお、ドレン弁22を開弁するタイミングは、気液分離器21内の水位を検出する水位センサ(不図示)によって判断してもよく、または定期的に開弁するようにしてもよく、または発電量による生成水量を積算して、該積算値が所定値に到達することで開弁するようにしてもよい。   The drain valve 22 is, for example, a normally closed type, and is configured to be connected to the storage portion of the gas-liquid separator 21 via a pipe a4 and to be connected to a diluter 36, which will be described later, and a pipe a5. ing. Further, the drain valve 22 is opened by the control unit 51 described later, so that the liquid water (condensed water and condensed water) stored in the storage unit is discharged to the diluter 36 through the pipes a4 and a5. The The timing for opening the drain valve 22 may be determined by a water level sensor (not shown) that detects the water level in the gas-liquid separator 21, or may be opened periodically, or The amount of water generated by the amount of power generation may be integrated, and the valve may be opened when the integrated value reaches a predetermined value.

パージ弁23は、例えば、常閉型のものであり、開弁することで発電時において水素循環流路(アノード流路11および配管a1〜a3の流路)に蓄積した不純物を車外(燃料電池装置1Aの外部)に排出する。また、パージ弁23は、配管a6を介して配管a3と接続され、配管a7を介して配管a5と接続されている。なお、パージ弁23は、制御部51によって、水素循環流路内の水素濃度の低下(発電性能の低下)に応じて、および/または定期的に開閉制御される。   The purge valve 23 is, for example, a normally closed type, and the impurities accumulated in the hydrogen circulation flow path (the anode flow path 11 and the flow paths of the pipes a1 to a3) during power generation by opening the valve are outside the vehicle (fuel cell). Discharged to the outside of the apparatus 1A). The purge valve 23 is connected to the pipe a3 through the pipe a6 and is connected to the pipe a5 through the pipe a7. Note that the purge valve 23 is controlled to be opened and closed by the control unit 51 according to a decrease in the hydrogen concentration in the hydrogen circulation passage (a decrease in power generation performance) and / or periodically.

カソード系30は、燃料電池10のカソードに対して空気(酸素)を給排するものであり、エアポンプ(酸化剤ポンプ)31、加湿器(膜式加湿器)32、冷却器33、背圧弁34、回収器(凝縮水回収器)35、希釈器36を含んで構成されている。エアポンプ31は、配管b1、加湿器32、配管b2を介してカソード流路12の入口と接続されている。カソード流路12の出口は、配管b3、冷却器33、配管b4、加湿器32、配管b5、背圧弁34、配管b6、回収器35、配管b7、希釈器36、配管b8を介して車外と連通している。なお、本実施形態において、配管b3〜b8がオフガス流路に相当する。   The cathode system 30 supplies and discharges air (oxygen) to and from the cathode of the fuel cell 10, and includes an air pump (oxidant pump) 31, a humidifier (membrane humidifier) 32, a cooler 33, and a back pressure valve 34. , A recovery unit (condensate recovery unit) 35 and a diluter 36 are included. The air pump 31 is connected to the inlet of the cathode channel 12 via the pipe b1, the humidifier 32, and the pipe b2. The outlet of the cathode channel 12 is connected to the outside of the vehicle via a pipe b3, a cooler 33, a pipe b4, a humidifier 32, a pipe b5, a back pressure valve 34, a pipe b6, a recovery unit 35, a pipe b7, a diluter 36, and a pipe b8. Communicate. In the present embodiment, the pipes b3 to b8 correspond to off gas passages.

エアポンプ31は、例えば、モータ(不図示)で駆動される機械式の過給器(スーパーチャージャなど)であり、車外から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池10のカソードに供給する。   The air pump 31 is, for example, a mechanical supercharger (such as a supercharger) driven by a motor (not shown), and compresses air taken from the outside of the vehicle and supplies the compressed air to the cathode of the fuel cell 10.

加湿器32は、エアポンプ31から供給される乾燥空気(供給ガス、酸化剤ガス)を加湿する膜式のものであり、例えば、水分交換膜である複数の中空糸膜が束ねられた中空糸膜束が収容されたケース(不図示)を有し、エアポンプ31からの乾燥空気の入口32aおよび出口32b、カソードオフガス(オフガス)の入口32cおよび出口32dがそれぞれ形成されているものである。   The humidifier 32 is of a membrane type that humidifies dry air (supply gas, oxidant gas) supplied from the air pump 31. For example, a hollow fiber membrane in which a plurality of hollow fiber membranes that are moisture exchange membranes are bundled It has a case (not shown) in which a bundle is accommodated, and is formed with an inlet 32a and an outlet 32b for dry air from the air pump 31, and an inlet 32c and an outlet 32d for cathode offgas (offgas), respectively.

このような加湿器32では、例えば、ケース内の中空糸膜の内側をエアポンプ31からの乾燥空気が通り、中空糸膜の外側を湿潤な空気を含むカソードオフガスが通ることで、中空糸膜に形成された細孔内にカソードオフガスに含まれる水蒸気が入り込み、中空糸膜の細孔内を水蒸気が膜の外側から内側に移動することで、水蒸気が乾燥空気(供給ガス)に渡されて乾燥空気が加湿される。なお、乾燥空気が中空糸膜の外側、カソードオフガスが中空糸膜の内側を通るようにしてもよい。また、加湿器32は、中空糸膜に限定されるものではなく、平膜などの他の種類の水分透過膜で形成されていてもよい。   In such a humidifier 32, for example, the dry air from the air pump 31 passes through the inside of the hollow fiber membrane in the case, and the cathode off gas containing moist air passes through the outside of the hollow fiber membrane. The water vapor contained in the cathode off-gas enters into the formed pores, and the water vapor moves from the outside of the membrane to the inside through the pores of the hollow fiber membrane, so that the water vapor is passed to the dry air (supply gas) and dried. Air is humidified. The dry air may pass outside the hollow fiber membrane and the cathode offgas may pass inside the hollow fiber membrane. The humidifier 32 is not limited to a hollow fiber membrane, and may be formed of other types of moisture permeable membranes such as a flat membrane.

冷却器33は、燃料電池10のカソード流路12の出口から排出されたカソードオフガス(オフガス)を冷却する機能を有し、燃料電池10と加湿器32との間のオフガス流路(配管b3,b4)に設けられている。   The cooler 33 has a function of cooling the cathode offgas (offgas) discharged from the outlet of the cathode channel 12 of the fuel cell 10, and the offgas channel (pipe b3, pipe 3) between the fuel cell 10 and the humidifier 32. b4).

また、冷却器33には、カソードオフガスが導入される入口33aおよびカソードオフガスが導出される出口33bが形成されるとともに、カソードオフガスを冷却する冷媒としての液水(回収水、凝縮水)が導入される入口33cおよび液水が導出される出口33dが形成されている。冷却器33の入口33cは、回収水導入配管(回収水供給流路)b9を介して後記する回収器35と接続され、冷却器33の出口33dは、回収水導出配管b10を介して後記する希釈器36と接続されている。また、冷却器33には、この冷却器33に貯留された液水を排出する配管33eが接続され、配管33e上に常閉型の排出弁33fが設けられている。なお、冷却器33の具体的な構成については後記する。   The cooler 33 is formed with an inlet 33a through which the cathode offgas is introduced and an outlet 33b through which the cathode offgas is led out, and liquid water (recovered water, condensed water) is introduced as a coolant for cooling the cathode offgas. An inlet 33c to be discharged and an outlet 33d to which liquid water is led out are formed. The inlet 33c of the cooler 33 is connected to a recovery unit 35 which will be described later via a recovered water introduction pipe (recovered water supply flow path) b9, and the outlet 33d of the cooler 33 will be described later via a recovered water outlet pipe b10. A diluter 36 is connected. The cooler 33 is connected to a pipe 33e for discharging liquid water stored in the cooler 33, and a normally closed discharge valve 33f is provided on the pipe 33e. The specific configuration of the cooler 33 will be described later.

背圧弁34は、例えばバタフライ弁などの開度調節可能な弁で構成され、燃料電池10のカソードに供給される空気の圧力(カソード圧)を調節する機能を有する。   The back pressure valve 34 is configured by a valve whose opening degree can be adjusted, such as a butterfly valve, and has a function of adjusting the pressure of the air (cathode pressure) supplied to the cathode of the fuel cell 10.

回収器(凝縮水回収器)35は、カソード流路12の出口から冷却器33、加湿器32および背圧弁34を通って排出された液水(凝縮水)を回収する回収空間(貯留空間)を有している。また、回収空間の底部は、回収水導入配管b9の上流端と接続されている。なお、回収器35によって回収された液水は、カソード流路12の出口から凝縮水となって排出される水分だけではなく、カソード流路12から回収器35に至るまでの間に水蒸気が放熱され、カソードオフガスの温度が低下することで、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮(結露)してなる水分、また回収器35内の壁面に衝突、接触することによって放熱され、カソードオフガスの温度が低下することで、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮(結露)してなる水分も含まれる。   The recovery device (condensate water recovery device) 35 is a recovery space (storage space) for recovering liquid water (condensate water) discharged from the outlet of the cathode channel 12 through the cooler 33, the humidifier 32 and the back pressure valve 34. have. The bottom of the recovery space is connected to the upstream end of the recovered water introduction pipe b9. The liquid water recovered by the recovery device 35 is not only the water discharged as condensed water from the outlet of the cathode flow channel 12 but also the water vapor radiates heat from the cathode flow channel 12 to the recovery device 35. As the cathode offgas temperature decreases, the water contained in the cathode offgas is condensed (condensed), and heat is dissipated by colliding with and contacting the wall surface in the collector 35, and the cathode offgas temperature is reduced. By being reduced, moisture formed by condensation (condensation) of water vapor contained in the cathode off-gas is also included.

また、回収器35と冷却器33とを接続する回収水導入配管b9には、オリフィス35aが設けられている。このオリフィス35aは、回収器35から冷却器33に供給される液水の流量を一定にすることができ、また冷却器33の水蒸気透過膜33j(図2(a)参照)を介してカソードオフガスが回収器35に逆流するのを防止するようになっている。回収器35によって回収された(貯留された)液水は、回収器35に導入されるカソードオフガスの圧力によって回収水導入配管b9に押し出されることで、冷却器33に向けて圧送される。なお、液水を、回収水導入配管b9を介して回収器35から冷却器33に供給する際の圧力が不足する場合には、圧送用のポンプを回収水導入配管b9上に配置してもよい。   In addition, an orifice 35 a is provided in the recovered water introduction pipe b <b> 9 that connects the recoverer 35 and the cooler 33. The orifice 35a can make the flow rate of the liquid water supplied from the recovery device 35 to the cooler 33 constant, and the cathode off-gas via the water vapor permeable membrane 33j (see FIG. 2A) of the cooler 33. Is prevented from flowing back into the recovery device 35. The liquid water recovered (stored) by the recovery device 35 is pushed out toward the cooler 33 by being pushed out to the recovery water introduction pipe b <b> 9 by the pressure of the cathode off gas introduced into the recovery device 35. If the pressure when supplying liquid water from the collector 35 to the cooler 33 via the recovered water introduction pipe b9 is insufficient, a pump for pumping may be arranged on the recovered water introduction pipe b9. Good.

希釈器36は、アノード流路11の出口から排出されたアノードオフガスに含まれる水素とカソード流路12の出口から排出されるカソードオフガス(主に空気)とを混合し、規定の水素濃度を下回るように希釈する機能を有している。希釈後のガスは配管b8、図示しない消音器等を介して車外に排出される。   The diluter 36 mixes the hydrogen contained in the anode off-gas discharged from the outlet of the anode flow path 11 and the cathode off-gas (mainly air) discharged from the outlet of the cathode flow path 12, and falls below a prescribed hydrogen concentration. It has a function of diluting. The diluted gas is discharged outside the vehicle through the pipe b8, a silencer (not shown), and the like.

冷却系40は、燃料電池10に冷媒を循環させて燃料電池10を冷却する機能を有し、冷媒流路13の出口が配管c1を介してラジエータ41の入口と接続され、ラジエータ41の出口が配管c2、サーモスタット弁42、配管c3、冷媒ポンプ43、配管c4を介して冷媒流路13の入口と接続されている。また、冷却系40は、ラジエータ41をバイパスするバイパス配管c5を有し、バイパス配管c5の上流側の一端が配管c1に接続され、下流側の他端がサーモスタット弁42と接続されている。   The cooling system 40 has a function of circulating the refrigerant in the fuel cell 10 to cool the fuel cell 10. The outlet of the refrigerant flow path 13 is connected to the inlet of the radiator 41 through the pipe c 1, and the outlet of the radiator 41 is It is connected to the inlet of the refrigerant flow path 13 via a pipe c2, a thermostat valve 42, a pipe c3, a refrigerant pump 43, and a pipe c4. The cooling system 40 has a bypass pipe c5 that bypasses the radiator 41, and one end on the upstream side of the bypass pipe c5 is connected to the pipe c1, and the other end on the downstream side is connected to the thermostat valve 42.

このような冷却系40では、燃料電池装置1Aの起動時にはサーモスタット弁42がバイパス配管c5側に切り替えられて燃料電池10の暖機が促進され、燃料電池10の運転温度が所定温度を超えたときに、ラジエータ41を通る流路が拡大するようにサーモスタット弁42が切り替えられる。   In such a cooling system 40, when the fuel cell device 1A is started, the thermostat valve 42 is switched to the bypass pipe c5 side to promote warming up of the fuel cell 10, and when the operating temperature of the fuel cell 10 exceeds a predetermined temperature. In addition, the thermostat valve 42 is switched so that the flow path passing through the radiator 41 is enlarged.

制御系50は、制御部51、IG52、タイマ53、電圧制御器54、冷却器入口温度センサS1、冷却器出口温度センサS2、冷媒温度センサS3、冷却器内温度センサS4、水位センサS5などで構成されている。   The control system 50 includes a control unit 51, an IG 52, a timer 53, a voltage controller 54, a cooler inlet temperature sensor S1, a cooler outlet temperature sensor S2, a refrigerant temperature sensor S3, a cooler temperature sensor S4, a water level sensor S5, and the like. It is configured.

制御部51は、CPU(Central Processing Unit)、プログラムが記録されたROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、エアポンプ31および冷媒ポンプ43の各モータ(不図示)の回転速度を制御し、IG52からの起動信号、タイマ53によって計測される時間(出力値)、冷却器入口温度センサS1、冷却器出口温度センサS2、冷媒温度センサS3からの温度値、冷却器内温度センサS4からの温度(出力値)、水位センサS5からの水位をそれぞれ取得し、ドレン弁22、パージ弁23、排出弁33fを開閉制御する。   The control unit 51 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory) in which a program is recorded, a RAM (Random Access Memory), various interfaces, an electronic circuit, and the like, and includes an air pump 31 and a refrigerant pump 43. The rotation speed of each motor (not shown) is controlled, the start signal from the IG 52, the time (output value) measured by the timer 53, the cooler inlet temperature sensor S1, the cooler outlet temperature sensor S2, and the refrigerant temperature sensor S3. , The temperature (output value) from the cooler temperature sensor S4, and the water level from the water level sensor S5 are acquired, and the drain valve 22, purge valve 23, and discharge valve 33f are controlled to open and close.

また、制御部51は、冷却器33の出口33bにおけるカソードオフガスの許容温度(加湿器32に導入されるカソードオフガスの許容温度)に応じて燃料電池10の発電電力を制限(抑制、上昇)する。また、制御部51は、水位センサS5による水位に応じて発電電力を制御、つまり水位が低くなるにつれて発電電力の制限割合を高くして、発電電力を小さくする。   Further, the control unit 51 limits (suppresses or increases) the generated power of the fuel cell 10 according to the allowable temperature of the cathode offgas at the outlet 33b of the cooler 33 (allowable temperature of the cathode offgas introduced into the humidifier 32). . Moreover, the control part 51 controls generated electric power according to the water level by water level sensor S5, ie, raises the restriction | limiting ratio of generated electric power as water level becomes low, and makes generated electric power small.

ところで、冷却器33内に水が残留していると凍結によって水蒸気透過膜33jが破損したり、また燃料電池装置1Aの次回起動時(IG−ON時)において、冷却器33によって冷やされたカソードオフガス(オフガス)が加湿器32に供給される。このため、エアポンプ31から燃料電池10に供給される供給ガス(乾燥空気)が冷やされてしまい、燃料電池装置1Aの暖機が損なわれることになる。   By the way, if water remains in the cooler 33, the water vapor permeable membrane 33j is damaged due to freezing, or the cathode cooled by the cooler 33 when the fuel cell device 1A is started next time (IG-ON). Off-gas (off-gas) is supplied to the humidifier 32. For this reason, the supply gas (dry air) supplied from the air pump 31 to the fuel cell 10 is cooled, and the warm-up of the fuel cell device 1A is impaired.

そこで、制御部51は、燃料電池装置1Aの運転停止時に(IG−OFF)、冷却器内温度センサS4により検出される冷却器33内の温度に応じて排出弁33fを開成するか否かを判断して、必要に応じて冷却器33内に貯留された液水を排出するようにしてもよい。   Therefore, when the operation of the fuel cell device 1A is stopped (IG-OFF), the control unit 51 determines whether or not to open the discharge valve 33f according to the temperature in the cooler 33 detected by the cooler temperature sensor S4. The liquid water stored in the cooler 33 may be discharged as necessary.

また、制御部51は、燃料電池装置1Aの運転停止時(IG−OFF)、運転停止から所定時間経過後に冷却器33内に貯留された液水を排出するか否かを判断するようにしてもよい。ここでの所定時間は、例えば、冷却器内温度センサS4により検出される温度値に基づいて変更することができる。つまり、冷却器内温度が低い場合には所定時間(排出弁33fを開成するまでの時間)を短く設定し、冷却器内温度が高い場合には所定時間(排出弁33fを開成するまでの時間)を長く設定する。   In addition, when the operation of the fuel cell device 1A is stopped (IG-OFF), the control unit 51 determines whether or not to discharge the liquid water stored in the cooler 33 after a predetermined time has elapsed since the operation stop. Also good. The predetermined time here can be changed based on the temperature value detected by the cooler temperature sensor S4, for example. That is, when the cooler temperature is low, the predetermined time (time until the discharge valve 33f is opened) is set short, and when the cooler temperature is high, the predetermined time (time until the discharge valve 33f is opened). ) Is set longer.

電圧制御器54は、昇降圧コンバータなどを備えて構成され、制御部51から出力される電圧(電流)指令値つまり燃料電池10に対する発電指令に基づいて、燃料電池10から出力される発電電力を制御する機能を有する。この電圧制御器54が制御部51によって制御されることにより、燃料電池10から取り出される発電電力を上下させることができる。なお、本実施形態では、電圧制御部54と制御部51とで特許請求の範囲に記載の制御部が構成されている。   The voltage controller 54 includes a buck-boost converter and the like, and generates power output from the fuel cell 10 based on a voltage (current) command value output from the control unit 51, that is, a power generation command for the fuel cell 10. It has a function to control. When the voltage controller 54 is controlled by the control unit 51, the generated power taken out from the fuel cell 10 can be raised or lowered. In the present embodiment, the voltage control unit 54 and the control unit 51 constitute the control unit described in the claims.

図2に示すように、冷却器33は、例えば、円筒形状のケース33gを有し、このケース33gの鉛直上下方向の下部にカソードオフガス(オフガス)が導入される空間を有する下カバー33hが形成され、鉛直上下方向の上部にカソードオフガスが導出される空間を有する上カバー33iが形成されている。また、ケース33g内には、ポリイミド等から形成された中空糸状の水蒸気透過膜33jが複数本束ねられ中空糸膜束33kとされて収容されている。中空糸膜束33kは、鉛直上下方向に延在するように配置され、その鉛直上下方向の両端部がエポキシ樹脂等で形成されたポッティング部材33l,33m(封止部)を介して、ケース33gの内壁に固着されている。これにより、各水蒸気透過膜33jの外周面間、水蒸気透過膜33jの外周面とケース33gの内壁面との間が、それぞれ閉塞されるようになっている。   As shown in FIG. 2, the cooler 33 includes, for example, a cylindrical case 33g, and a lower cover 33h having a space into which cathode offgas (offgas) is introduced is formed in the lower part of the case 33g in the vertical vertical direction. An upper cover 33i having a space from which the cathode off gas is led out is formed in the upper part in the vertical vertical direction. Further, in the case 33g, a plurality of hollow fiber-shaped water vapor permeable membranes 33j made of polyimide or the like are bundled and accommodated as a hollow fiber membrane bundle 33k. The hollow fiber membrane bundle 33k is arranged so as to extend in the vertical vertical direction, and the case 33g is inserted through potting members 33l and 33m (sealing portions) whose both ends in the vertical vertical direction are formed of epoxy resin or the like. It is fixed to the inner wall. As a result, the space between the outer peripheral surfaces of the respective water vapor permeable membranes 33j and the space between the outer peripheral surface of the water vapor permeable membrane 33j and the inner wall surface of the case 33g are blocked.

ちなみに、冷却器33内に中空糸膜束33kが水平方向に延在するよう配置した場合、冷却器33内の液水の水位(水面)が上下に変動した場合には、水面よりも上側に配置される水蒸気透過膜33jでは液水と接する部分がなくなってしまい、各水蒸気透過膜33jに対して液水を均等に接触させることができなくなる。しかし、本実施形態では、中空糸膜束33kが鉛直上下方向に延在するように配置されることで、図2においてドットで示すように、冷却器33に回収された液水(回収水)の水面が上下に変動したとしても、それぞれの水蒸気透過膜33jに対して液水を均等に接触させることができる。   By the way, when the hollow fiber membrane bundle 33k is arranged so as to extend in the horizontal direction in the cooler 33, when the liquid water level (water surface) in the cooler 33 fluctuates up and down, it is above the water surface. In the disposed water vapor permeable membrane 33j, there is no portion in contact with the liquid water, and the liquid water cannot be uniformly contacted with each water vapor permeable membrane 33j. However, in this embodiment, the hollow fiber membrane bundle 33k is arranged so as to extend in the vertical vertical direction, so that the liquid water recovered in the cooler 33 (recovered water) as indicated by dots in FIG. Even when the water level fluctuates up and down, liquid water can be evenly contacted with the respective water vapor permeable membranes 33j.

また、冷却器33は、下カバー33hに配管b3が接続され、上カバー33iに配管b4が接続されている。これにより、配管b3を介して下カバー33に導入されたカソードオフガスは、水蒸気透過膜33jの内側を上方に向かって流れ、そして上カバー33i、配管b4を介して冷却器33の外部に排出される。   In the cooler 33, the pipe b3 is connected to the lower cover 33h, and the pipe b4 is connected to the upper cover 33i. Thereby, the cathode off gas introduced into the lower cover 33 through the pipe b3 flows upward inside the water vapor permeable membrane 33j, and is discharged to the outside of the cooler 33 through the upper cover 33i and the pipe b4. The

また、冷却器33は、ケース33gの周面に、液水(回収水)が導入される回収水導入配管b9と、液水(回収水)が導出される回収水導出配管b10とが接続されている。回収水導入配管b9および回収水導出配管b10は、ケース33gのポッティング部材33l,33mの間の回収空間P(図2(b)参照)と連通し、かつ、該回収空間Pの上部に位置するように接続されている。これにより、回収水導入配管b9から導入された液水は、回収空間Pに溜まり、また回収空間Pが満水になったときに回収水導出配管b10を介して希釈器36に排出されるように構成されている。   The cooler 33 is connected to the peripheral surface of the case 33g with a recovered water introduction pipe b9 into which liquid water (recovered water) is introduced and a recovered water outlet pipe b10 from which liquid water (recovered water) is derived. ing. The recovered water introduction pipe b9 and the recovered water outlet pipe b10 communicate with the recovery space P (see FIG. 2B) between the potting members 33l and 33m of the case 33g and are positioned above the recovery space P. So connected. Thereby, the liquid water introduced from the recovered water introduction pipe b9 is accumulated in the recovery space P, and is discharged to the diluter 36 through the recovered water outlet pipe b10 when the recovery space P becomes full. It is configured.

このように構成された冷却器33では、水蒸気透過膜33jの中空糸の内側(一面)にカソードオフガスが接触し、水蒸気透過膜33jの中空糸の外側(他面)に液水が接触することにより、液水が蒸発する際の潜熱を利用して、液水によってカソードオフガスから熱を奪うことでカソードオフガスが冷却される。   In the cooler 33 configured as described above, the cathode off-gas contacts the inside (one surface) of the hollow fiber of the water vapor permeable membrane 33j, and the liquid water contacts the outside (other surface) of the hollow fiber of the water vapor permeable membrane 33j. Thus, the cathode offgas is cooled by taking the heat from the cathode offgas by the liquid water using the latent heat when the liquid water evaporates.

次に、本実施形態に係る燃料電池装置1Aにおける発電制御について図3および図4を参照して説明する。図3は発電電力の制御を示すフローチャート、図4は冷却器出口のオフガスの許容温度と発電電力との関係を示すマップである。   Next, power generation control in the fuel cell apparatus 1A according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a flowchart showing the control of the generated power, and FIG. 4 is a map showing the relationship between the allowable off-gas temperature at the cooler outlet and the generated power.

図3に示すように、制御部51は、燃料電池10の起動時、ステップS101において、図4に示すマップに基づいて燃料電池10の発電電力から求まる冷却器33の出口のカソードオフガスの許容温度が、実際(現在)の冷却器33の出口33bにおけるカソードオフガスの温度未満であるか否かを判断する。なお、実際の冷却器33の出口33bにおけるカソードオフガスの温度は、冷却器出口温度センサS2によって検出される。   As shown in FIG. 3, when the fuel cell 10 is started, the control unit 51 determines the allowable cathode off-gas temperature at the outlet of the cooler 33, which is obtained from the generated power of the fuel cell 10 based on the map shown in FIG. It is determined whether or not the temperature is lower than the cathode off-gas temperature at the outlet 33b of the actual (current) cooler 33. The actual cathode off-gas temperature at the outlet 33b of the cooler 33 is detected by the cooler outlet temperature sensor S2.

また、図4に示すマップは、発電電力と、冷却器33の出口33bにおける許容温度との関係を示し、実験やシミュレーションなどによって予め決定されたものである。すなわち、ある発電電力よりも低い領域R1では、発電電力が低くなるにつれて許容温度が低下する領域を有し、燃料電池10の状態を優先する領域であり、一方、ある発電電力よりも高い領域R2では、発電電力が高くなるにつれて許容温度が低下する領域を有し、加湿器32の状態を優先する領域である。なお、領域R1において発電電力が上昇するにつれて許容温度が高くなるのは、燃料電池10の発電電力が高くなるにつれて液水が多く生成されるようになるので、燃料電池10内の液水が過剰になってフラッディングが発生するのを防止するためである。また、領域R2において発電電力が上昇するにつれて許容温度が低くなるのは、燃料電池の温度が高くなり過ぎて、カソードオフガスの相対湿度が100%を下回ってしまい、加湿器32がドライアップするのを防止するためである。   The map shown in FIG. 4 shows the relationship between the generated power and the allowable temperature at the outlet 33b of the cooler 33, and is determined in advance by experiments, simulations, and the like. That is, the region R1 lower than a certain generated power has a region where the allowable temperature decreases as the generated power decreases, and the region R2 prioritizes the state of the fuel cell 10, while the region R2 higher than the certain generated power. Then, it has an area | region where allowable temperature falls as generated electric power becomes high, and is an area | region which gives priority to the state of the humidifier 32. FIG. Note that the allowable temperature increases as the generated power increases in the region R1 because more liquid water is generated as the generated power of the fuel cell 10 increases, so that the liquid water in the fuel cell 10 is excessive. This is to prevent flooding from occurring. In addition, the allowable temperature decreases as the generated power increases in the region R2, because the temperature of the fuel cell becomes too high and the relative humidity of the cathode offgas falls below 100%, and the humidifier 32 is dried up. It is for preventing.

ステップS101において、制御部51は、許容温度が実際の冷却器33の出口のカソードオフガスの温度未満ではないと判断した場合には(No)、実際のカソードオフガスの温度が図4に示すマップの許容温度を超えていないので、ステップS101の処理を繰り返す。また、制御部51は、許容温度が実際のカソードオフガスの温度未満と判断した場合には(Yes)、ステップS102に進み、図4のマップにしたがって、電圧制御器54を制御して、燃料電池10から取り出す発電電力を上昇または低下するように制御する。   In step S101, when the control unit 51 determines that the allowable temperature is not lower than the actual cathode offgas temperature of the outlet of the cooler 33 (No), the actual cathode offgas temperature is shown in the map of FIG. Since the allowable temperature is not exceeded, the process of step S101 is repeated. If the control unit 51 determines that the allowable temperature is lower than the actual cathode off gas temperature (Yes), the control unit 51 proceeds to step S102 and controls the voltage controller 54 according to the map of FIG. Control is performed so as to increase or decrease the generated electric power extracted from 10.

例えば、図4の領域R2において符号Q1で示すように、発電電力が高く、発電電力W1における実際のカソードオフガスの温度Tsが、このマップに基づく許容温度Taを超えている場合には、発電電力をW1からW2まで低下させる。このように発電電力を低下させることにより、燃料電池10の温度が低下し、カソードオフガスの温度が下がるので、燃料電池10から排出されるカソードオフガスの湿度が高まり、相対湿度100%のカソードオフガスが生成されるようになる。許容温度Taは、発電電力の制限(低下)により上昇するので、実際のカソードオフガスの温度Tsが許容温度の範囲内となり(S101、No)、発電電力の制限(抑制制御)が解消される。   For example, as indicated by reference numeral Q1 in the region R2 in FIG. 4, when the generated power is high and the actual cathode offgas temperature Ts in the generated power W1 exceeds the allowable temperature Ta based on this map, the generated power Is reduced from W1 to W2. By reducing the generated power in this way, the temperature of the fuel cell 10 is lowered and the temperature of the cathode offgas is lowered, so that the humidity of the cathode offgas discharged from the fuel cell 10 is increased, and the cathode offgas having a relative humidity of 100% is produced. Will be generated. Since the allowable temperature Ta increases due to the limitation (decrease) of the generated power, the actual cathode offgas temperature Ts falls within the allowable temperature range (No in S101), and the limitation (suppression control) of the generated power is eliminated.

また、図4の領域R1において符号Q2で示すように、発電電力が低く、発電電力W3における実際のカソードオフガスの温度Tsが、マップに基づく許容温度Tbを超えている場合には、発電電力をW3からW4まで上昇させる。このように発電電力を上昇させることにより、燃料電池10の温度が高くなり、過飽和でフラッディング気味だったカソードオフガスの湿度が低下し、相対湿度100%の安定した冷却器33の出口ガス(カソードオフガス)が生成される。許容温度Tbは、発電電力の上昇により上昇するので、実際のカソードオフガスの温度Tsが許容温度の範囲内となり(S101、No)、発電電力の制限(上昇制御)が解消される。   In addition, as indicated by reference numeral Q2 in the region R1 of FIG. 4, when the generated power is low and the actual cathode offgas temperature Ts in the generated power W3 exceeds the allowable temperature Tb based on the map, the generated power is reduced. Raise from W3 to W4. By increasing the generated power in this way, the temperature of the fuel cell 10 is increased, the humidity of the cathode offgas that was flooded due to oversaturation is reduced, and the outlet gas (cathode offgas) of the stable cooler 33 with a relative humidity of 100% is reduced. ) Is generated. Since the allowable temperature Tb increases as the generated power increases, the actual cathode offgas temperature Ts falls within the allowable temperature range (No in S101), and the generated power limit (rising control) is removed.

なお、前記したステップS101では、温度センサとして、冷却器出口温度センサS2の場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、冷却器入口温度センサS1、冷媒温度センサS3を用いて判断してもよい。あるいは、図示していないが、アノード流路11の出口における配管a2のアノードオフガス(オフガス)の温度、燃料電池10の温度を直接に検出する温度に基づいて判断してもよい。なお、冷却器入口温度センサS1、冷媒温度センサS3等による温度については、検出された温度を補正して、補正後の温度値と、許容温度値とを比較するようにしてもよい。   In step S101 described above, the case of the cooler outlet temperature sensor S2 has been described as an example of the temperature sensor. However, the present invention is not limited to this, and the cooler inlet temperature sensor S1 and the refrigerant temperature sensor S3 are not limited thereto. You may judge using. Alternatively, although not shown, the determination may be made based on the temperature at which the anode offgas (offgas) of the pipe a2 at the outlet of the anode channel 11 and the temperature of the fuel cell 10 are directly detected. In addition, about the temperature by cooler inlet temperature sensor S1, refrigerant | coolant temperature sensor S3, etc., the detected temperature may be correct | amended and you may make it compare the corrected temperature value and allowable temperature value.

また、本実施形態に係る燃料電池装置1Aにおける他の発電制御について図5および図6を参照して説明する。図5は他の発電電力の制御を示すフローチャート、図6は冷却器の水位と発電電力の制限割合との関係を示すマップである。   Further, another power generation control in the fuel cell device 1A according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a flowchart showing another control of generated power, and FIG. 6 is a map showing the relationship between the water level of the cooler and the limit ratio of generated power.

図5に示すように、ステップS201において、制御部51は、冷却器33の水位を水位センサS5によって検出する。   As shown in FIG. 5, in step S201, the control unit 51 detects the water level of the cooler 33 by the water level sensor S5.

そして、ステップS202に進み、制御部51は、検出された水位に基づいて、燃料電池10の発電電力を制限する必要があるか否かを判断する。制御部51は、発電電力の制限が必要ないと判断した場合には(S202、No)、ステップS201に戻り、発電電力の制限が必要あると判断した場合には(S202、Yes)、ステップS203に進む。   And it progresses to step S202 and the control part 51 judges whether the electric power generation of the fuel cell 10 needs to be restrict | limited based on the detected water level. When the control unit 51 determines that the generated power limit is not necessary (S202, No), the process returns to step S201. When the control unit 51 determines that the generated power limit is required (S202, Yes), the step S203 is performed. Proceed to

ステップS203において、制御部51は、図6に示すマップに基づいて発電電力を制限する。なお、図6に示すマップは、冷却器33の水位と発電電力の制限割合との関係を示したものであり、冷却器33の水位が所定の水位L1より低い場合に発電電力の制限を開始し、冷却器33の水位が低くなるにつれて、発電電力の制限割合を高くする。つまり、発電電力を抑制することにより、燃料電池の温度が低下し、カソードオフガスの温度が低下して、カソードオフガスの湿度が高まることで凝縮し易くなり、冷却器33に液水(凝縮水)が溜まるようになる。なお、所定の水位L1は、例えば、必要なときに冷却性能を発揮することができ、かつ、無駄に発電電力を制限することのない水位に設定される。   In step S203, the control unit 51 limits the generated power based on the map shown in FIG. The map shown in FIG. 6 shows the relationship between the water level of the cooler 33 and the generated power limit ratio, and starts limiting the generated power when the water level of the cooler 33 is lower than the predetermined water level L1. Then, as the water level of the cooler 33 is lowered, the limit ratio of the generated power is increased. That is, by suppressing the generated power, the temperature of the fuel cell decreases, the temperature of the cathode offgas decreases, and the humidity of the cathode offgas increases, so that condensation easily occurs, and liquid water (condensed water) is supplied to the cooler 33. Will begin to accumulate. For example, the predetermined water level L1 is set to a water level that can exhibit cooling performance when necessary and does not limit the generated power wastefully.

次に、本実施形態に係る燃料電池装置1Aの運転停止時の制御について図7および図8を参照して説明する。図7は冷却器の温度に基づく排出弁の制御を示すフローチャート、図8はタイマに基づく排出弁の制御を示すフローチャートである。なお、図8に示すステップS401およびS403における処理は、図7に示すステップS301およびS303と同様であるので説明を省略する。   Next, control when the operation of the fuel cell device 1A according to the present embodiment is stopped will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a flowchart showing control of the discharge valve based on the temperature of the cooler, and FIG. 8 is a flowchart showing control of the discharge valve based on the timer. Note that the processing in steps S401 and S403 shown in FIG. 8 is the same as steps S301 and S303 shown in FIG.

図7に示すように、ステップS301において、制御部51は、イグニッションのオフ信号(IG−OFF信号)、つまり燃料電池装置1Aの運転を停止する信号を取得したか否かを判断し、IG−OFF信号を取得していない場合には(No)、ステップS301の処理に戻り、IG−OFF信号を取得した場合には(Yes)、ステップS302に進む。   As shown in FIG. 7, in step S301, the control unit 51 determines whether or not an ignition off signal (IG-OFF signal), that is, a signal for stopping the operation of the fuel cell device 1A has been acquired, and IG− When the OFF signal is not acquired (No), the process returns to Step S301, and when the IG-OFF signal is acquired (Yes), the process proceeds to Step S302.

ステップS302において、制御部51は、冷却器内温度センサS4により冷却器33内部の温度(冷却器内温度)を検出し、冷却器内温度が所定温度未満であるか否かを判断する。なお、所定温度とは、冷却器33内の回収水(貯留水)が凍結するおそれがあると判断される温度であり、例えば3℃に設定される。   In step S302, the control unit 51 detects the temperature inside the cooler 33 (cooler internal temperature) by the cooler internal temperature sensor S4, and determines whether or not the cooler internal temperature is less than a predetermined temperature. The predetermined temperature is a temperature at which the recovered water (reserved water) in the cooler 33 is determined to be frozen, and is set to 3 ° C., for example.

ステップS302において、制御部51は、冷却器内温度が所定温度未満ではないと判断した場合には(No)、ステップS302の処理を繰り返し、冷却器内温度が所定温度未満であると判断した場合(出力値が所定条件を満たした場合)には(Yes)、ステップS303に進む。   In step S302, when the control unit 51 determines that the cooler internal temperature is not lower than the predetermined temperature (No), it repeats the process of step S302 and determines that the cooler internal temperature is lower than the predetermined temperature. If the output value satisfies the predetermined condition (Yes), the process proceeds to step S303.

ステップS303において、制御部51は、排出弁33fを開弁(開成)する。これにより、冷却器33内に貯留された液水が配管33eを介して外部(車外)に排出される。   In step S303, the control unit 51 opens (opens) the discharge valve 33f. Thereby, the liquid water stored in the cooler 33 is discharged to the outside (outside the vehicle) through the pipe 33e.

また、図8に示すように、ステップS402において、制御部51は、IG−OFF時にタイマ53の作動を開始して、所定時間が経過したか否かを判断する。なお、所定時間は、冷却器内温度センサS4による温度に応じて設定することができ、例えば、冷却器内温度センサS4による温度が低ければ低いほど所定時間が短くなるように設定される。   Further, as shown in FIG. 8, in step S402, the control unit 51 starts the operation of the timer 53 at the time of IG-OFF, and determines whether or not a predetermined time has elapsed. The predetermined time can be set according to the temperature by the cooler temperature sensor S4. For example, the lower the temperature by the cooler temperature sensor S4, the shorter the predetermined time.

ステップS402において、制御部51は、所定時間が経過していないと判断した場合には(No)、ステップS402の処理を繰り返し、所定時間が経過したと判断した場合(出力値が所定条件を満たした場合)には(Yes)、排出弁33fを開弁(開成)する(S403)。なお、冷却器内温度センサS4に替えて、燃料電池装置1Aの周囲の外気温度を検出する外気温度センサに基づいて判断してもよい。   In step S402, when it is determined that the predetermined time has not elapsed (No), the control unit 51 repeats the process of step S402, and when it is determined that the predetermined time has elapsed (the output value satisfies the predetermined condition). If yes) (Yes), the discharge valve 33f is opened (opened) (S403). Instead of the cooler temperature sensor S4, determination may be made based on an outside temperature sensor that detects the outside temperature around the fuel cell device 1A.

以上説明したように、第1実施形態に係る燃料電池装置1Aは、燃料電池10と、燃料電池10から排出されるカソードオフガス(オフガス)から当該燃料電池10に供給される供給ガス(空気)に水分を与える加湿器32と、燃料電池10と加湿器32との間に配置され、内部に水蒸気透過膜33jを備えて当該水蒸気透過膜33jの内側(一面)にカソードオフガスを、外側(他面)に液水(回収水)をそれぞれ接触させることにより、カソードオフガスから熱を奪うことで当該カソードオフガスの温度を下げる冷却器33と、を備えている。これによれば、液水が蒸発する際の潜熱(気化熱)を利用してカソードオフガスの温度を下げることができ、その結果加湿器32に供給されるカソードオフガスの相対湿度を上げることが可能になる。   As described above, the fuel cell device 1 </ b> A according to the first embodiment converts the fuel cell 10 and the supply gas (air) supplied to the fuel cell 10 from the cathode offgas (offgas) discharged from the fuel cell 10. A humidifier 32 that provides moisture, and is disposed between the fuel cell 10 and the humidifier 32, and includes a water vapor permeable membrane 33j inside, and the cathode off-gas is disposed inside (one surface) of the water vapor permeable membrane 33j, and the outer (other surface). ) And a cooler 33 that lowers the temperature of the cathode offgas by removing heat from the cathode offgas by bringing liquid water (recovered water) into contact with each other. According to this, the temperature of the cathode offgas can be lowered using latent heat (vaporization heat) when the liquid water evaporates, and as a result, the relative humidity of the cathode offgas supplied to the humidifier 32 can be raised. become.

つまり、燃料電池10の運転温度が高温になると、カソードオフガスの相対湿度が100%未満となって、中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が蒸発して細孔内において水蒸気の受け渡しが損なわれる。これにより、加湿器32がドライアップし、十分な加湿性能を発揮できなくなるおそれがある。そこで、水蒸気透過膜33jを備えた冷却器33を、燃料電池10と加湿器32との間のオフガス流路上に配置することによって、カソードオフガスを冷却して相対湿度を上げることにより、加湿器32に供給されるカソードオフガスの相対湿度を100%未満とならないようにすることができ、加湿器32のドライアップを防止することが可能になる。   That is, when the operating temperature of the fuel cell 10 becomes high, the relative humidity of the cathode offgas becomes less than 100%, the water vapor in the pores formed in the hollow fiber membrane evaporates, and the water vapor is transferred in the pores. Damaged. As a result, the humidifier 32 may dry up and may not be able to exhibit sufficient humidification performance. Accordingly, the cooler 33 provided with the water vapor permeable membrane 33j is disposed on the off gas flow path between the fuel cell 10 and the humidifier 32, thereby cooling the cathode off gas and increasing the relative humidity, thereby increasing the humidifier 32. It is possible to prevent the relative humidity of the cathode off gas supplied to 1 from being less than 100%, and to prevent the humidifier 32 from drying up.

ちなみに、本実施形態に係る冷却器33では、相対湿度100%未満のカソードオフガスに対しては水分が水蒸気透過膜33jを透過してカソードオフガスと接触し蒸発するので、相対湿度が100%に上昇するように冷却機能が発揮され、しかも相対湿度がすでに100%となっている場合には、水蒸気が水蒸気透過膜33jを透過してカソードオフガスと接触し蒸発することがないので、潜熱(気化熱)が生じることはなく、冷却機能が発揮されることがない。   By the way, in the cooler 33 according to the present embodiment, for the cathode offgas having a relative humidity of less than 100%, the moisture passes through the water vapor permeable membrane 33j and comes into contact with the cathode offgas to evaporate, so that the relative humidity increases to 100%. Thus, when the cooling function is exhibited and the relative humidity is already 100%, the water vapor does not pass through the water vapor permeable membrane 33j and contact the cathode offgas to evaporate. ) Does not occur, and the cooling function is not exhibited.

このようにして加湿器32のドライアップを防止することができるので、加湿器32の長期の稼動を確保することができる。また、加湿器32のドライアップを防止できるので、燃料電池に対する加湿不足を防止し、燃料電池装置1A〜1Dにおいて最適な系内湿度を保って燃料電池10の長期の稼動も確保することができる。   Since the humidifier 32 can be prevented from drying up in this manner, the humidifier 32 can be operated for a long time. Further, since the humidifier 32 can be prevented from being dried up, the fuel cell is prevented from being insufficiently humidified, and the fuel cell apparatus 1A to 1D can maintain the optimum system humidity and ensure the long-term operation of the fuel cell 10. .

また、第1実施形態によれば、冷却器33として水蒸気透過膜33jを採用することにより冷却器33自体を小さくすることができ、水冷式や空冷式の熱交換器を備えた冷却器と比べて、レイアウトが大きく制約されるのを防止できる。また、冷却器33を車両に搭載した場合、バンパ開口部等に配置したり、ラジエータのような熱交換器を追加したりする必要がないので、レイアウトが大きく制約されるのを防止できる。   Further, according to the first embodiment, by adopting the water vapor permeable membrane 33j as the cooler 33, the cooler 33 itself can be made smaller, compared with a cooler having a water-cooled or air-cooled heat exchanger. Thus, the layout can be prevented from being greatly restricted. Further, when the cooler 33 is mounted on a vehicle, it is not necessary to dispose the cooler 33 in a bumper opening or the like, or to add a heat exchanger such as a radiator.

また、第1実施形態によれば、カソードオフガスが通流するオフガス流路上に配置される回収器35と、回収器35によって回収された回収水を液水として冷却器33に供給する回収水導入配管b9と、を備えることにより、燃料電池10から排出される液水(凝縮水、生成水)を回収器35で回収することで、燃料電池10から排出される液水を利用してカソードオフガスを冷却することができる。その結果、液水を有効に利用することができ、また冷却器33に液水を供給するための装置を別個に設ける必要がない。   Further, according to the first embodiment, the recovery unit 35 disposed on the off-gas flow path through which the cathode off-gas flows, and the recovery water introduction for supplying the recovery water recovered by the recovery unit 35 to the cooler 33 as liquid water By providing the pipe b9, the liquid water (condensed water, generated water) discharged from the fuel cell 10 is recovered by the recovery device 35, whereby the cathode offgas is obtained using the liquid water discharged from the fuel cell 10. Can be cooled. As a result, liquid water can be used effectively, and it is not necessary to provide a separate device for supplying liquid water to the cooler 33.

また、第1実施形態によれば、中空糸状の水蒸気透過膜33jが鉛直上下方向に延在する冷却器33を備えることにより、それぞれの中空糸状の水蒸気透過膜33jに対して、液水を均等に接触させることができる。よって、冷却器33に導入されるカソードオフガスの熱が均等に奪われることになり、冷却効果を高めることができる。   Further, according to the first embodiment, by providing the cooler 33 in which the hollow fiber-shaped water vapor permeable membrane 33j extends in the vertical vertical direction, liquid water is evenly distributed to the respective hollow fiber water vapor permeable membranes 33j. Can be contacted. Therefore, the heat of the cathode off gas introduced into the cooler 33 is evenly deprived, and the cooling effect can be enhanced.

また、第1実施形態によれば、回収水の水位を検出する水位センサS5と、回収水を排出する排出弁33fとを備えることにより、冷却器33内の液水の水位を管理することができ、冷却機能を適正に保つことができる。   Moreover, according to 1st Embodiment, the water level sensor S5 which detects the water level of recovered water, and the discharge valve 33f which discharges | emits recovered water are provided, and the water level of the liquid water in the cooler 33 can be managed. And the cooling function can be maintained properly.

また、第1実施形態では、冷却器33から導出されるカソードオフガスの温度を検出する冷却器出口温度センサS2が備えられ、図4のマップに示すように、予め設定された発電電力と冷却器33の出口におけるカソードオフガスの許容温度値との関係を用いて、発電電力から許容温度値を求め、許容温度値と冷却器出口温度センサS2の温度値との大小を比較により発電電力を制限(抑制、上昇)するかどうかを判断する。   Further, in the first embodiment, a cooler outlet temperature sensor S2 for detecting the temperature of the cathode off gas derived from the cooler 33 is provided, and as shown in the map of FIG. The allowable temperature value is obtained from the generated power using the relationship with the allowable temperature value of the cathode off-gas at the outlet of 33, and the generated power is limited by comparing the allowable temperature value and the temperature value of the cooler outlet temperature sensor S2 ( Judgment whether to suppress or increase).

これによれば、発電電力が高く、冷却器出口温度センサS2の温度(実際の温度)が許容温度値よりも高い場合には、発電電力を抑制するように制御することで、許容温度値の範囲内に調整することができ、加湿器32がドライアップするのを防止することができる。また、発電電力が低く、冷却器出口温度センサS2の温度(実際の温度)が許容温度値よりも高い場合には、発電電力を上昇するように制御することで、燃料電池10の低温状態が緩和され、フラッディングを抑制して相対湿度100%の安定したカソードオフガスを生成できる。   According to this, when the generated power is high and the temperature (actual temperature) of the cooler outlet temperature sensor S2 is higher than the allowable temperature value, the control is performed so as to suppress the generated power. It can be adjusted within the range, and the humidifier 32 can be prevented from drying up. Further, when the generated power is low and the temperature (actual temperature) of the cooler outlet temperature sensor S2 is higher than the allowable temperature value, the low temperature state of the fuel cell 10 is controlled by controlling the generated power to increase. It is relaxed and can suppress flooding and generate a stable cathode off gas with a relative humidity of 100%.

また、第1実施形態によれば、予め設定された冷却器33の水位と発電電力との関係を用いて、水位センサS5の水位に基づいて発電電力を制限する制御部を備えるので、冷却器33の水位が低い場合には、発電電力を制限して(抑えて)過飽和となり易くして、液水(凝縮水)をできるだけ確保しておき、液水が不足するのを防止できるようになる。   Moreover, according to 1st Embodiment, since the control part which restrict | limits generated electric power based on the water level of the water level sensor S5 using the relationship between the preset water level of the cooler 33 and generated electric power is provided, the cooler When the water level of 33 is low, the generated power is limited (suppressed) to be easily oversaturated, and liquid water (condensed water) is secured as much as possible to prevent shortage of liquid water. .

また、第1実施形態によれば、燃料電池装置1Aの運転を停止する際、冷却器33の温度を検出する冷却器内温度センサS4の温度値(出力値)が所定温度未満となったときに(所定条件を満たしたときに)、排出弁33fを開弁して冷却器33内の液水(回収水)を排出することにより、液水の凍結による冷却器33内の水蒸気透過膜33jの破損を防止することができる。また、第1実施形態によれば、燃料電池装置1Aの次回起動時に、加湿器32に供給される供給ガス(乾燥ガス)が冷却され、この冷えた供給ガスが燃料電池10に供給されて、燃料電池10の暖機が損なわれるのを防止することができる。   According to the first embodiment, when the operation of the fuel cell device 1A is stopped, the temperature value (output value) of the cooler temperature sensor S4 that detects the temperature of the cooler 33 becomes less than a predetermined temperature. (When a predetermined condition is satisfied), by opening the discharge valve 33f and discharging the liquid water (recovered water) in the cooler 33, the water vapor permeable membrane 33j in the cooler 33 due to freezing of the liquid water Can be prevented from being damaged. Further, according to the first embodiment, when the fuel cell device 1A is started next time, the supply gas (dry gas) supplied to the humidifier 32 is cooled, and the cooled supply gas is supplied to the fuel cell 10, It is possible to prevent the warm-up of the fuel cell 10 from being impaired.

また、第1実施形態によれば、燃料電池装置1Aの運転を停止する際、タイマ53により計測される時間(出力値)が所定時間を超えたときに(所定条件を満たしたときに)、排出弁33fを開弁して、冷却器33内の液水(回収水)を排出することにより、液水の凍結による水蒸気透過膜33jの破損を防止でき、しかも燃料電池装置1Aの次回起動時における燃料電池10の暖機が損なわれるのを防止することができる。   Further, according to the first embodiment, when the operation of the fuel cell device 1A is stopped, when the time (output value) measured by the timer 53 exceeds a predetermined time (when a predetermined condition is satisfied), By opening the discharge valve 33f and discharging the liquid water (recovered water) in the cooler 33, the water vapor permeable membrane 33j can be prevented from being damaged due to the freezing of the liquid water, and the fuel cell device 1A is started next time. It is possible to prevent the warm-up of the fuel cell 10 from being impaired.

(本実施形態に係る変形例)
図9は本実施形態に係る燃料電池装置の変形例を示す全体構成図である。この燃料電池装置1Bは、第1実施形態に係る燃料電池装置1Aの回収器35と希釈器36を入れ替えたものであり、回収器35を希釈器36の下流側に配置した構成である。なお、その他の構成は、同一の符号を付して重複した説明を省略する(他の実施形態についても同様)。
(Modification according to this embodiment)
FIG. 9 is an overall configuration diagram showing a modification of the fuel cell device according to the present embodiment. This fuel cell device 1B is obtained by replacing the collector 35 and the diluter 36 of the fuel cell device 1A according to the first embodiment, and has a configuration in which the collector 35 is arranged on the downstream side of the diluter 36. In addition, the other structure attaches | subjects the same code | symbol and a duplicate description is abbreviate | omitted (same also about other embodiment).

この燃料電池装置1Bは、アノード系20の気液分離器21を、液水(凝縮水)を回収する凝縮水回収器として機能させ、気液分離器21で回収された(貯留された)液水を、配管a5を介して希釈器36に導入するものである。これにより、燃料電池10のカソード流路12から排出された液水だけではなく、燃料電池10のアノード流路11から排出された液水を回収器35によって回収することができ、燃料電池装置1B内で生成される液水をさらに有効に利用することができる。また、燃料電池装置1Bにすでに備えられている気液分離器21を流用することができるので、装置を別個に設ける必要がない。なお、その他の効果については、第1実施形態と同様である。   This fuel cell device 1B causes the gas-liquid separator 21 of the anode system 20 to function as a condensed water recovery device that recovers liquid water (condensed water), and the liquid recovered (stored) by the gas-liquid separator 21. Water is introduced into the diluter 36 through the pipe a5. Thereby, not only the liquid water discharged from the cathode flow path 12 of the fuel cell 10 but also the liquid water discharged from the anode flow path 11 of the fuel cell 10 can be recovered by the recovery device 35, and the fuel cell device 1B The liquid water produced inside can be used more effectively. Moreover, since the gas-liquid separator 21 already provided in the fuel cell device 1B can be used, it is not necessary to provide a separate device. Other effects are the same as those in the first embodiment.

(本実施形態に係る他の変形例)
図10は本実施形態に係る燃料電池装置の他の変形例を示す全体構成図である。この燃料電池装置1Cは、回収器35を燃料電池10と冷却器33との間のオフガス流路上に設けた構成である。なお、図10では、冷却器33に接続される回収水導出配管b10がオフガス流路の配管b7に合流するように接続しているが、第1実施形態や第2実施形態のように、希釈器36に接続するようにしてもよい。
(Other variations according to this embodiment)
FIG. 10 is an overall configuration diagram showing another modification of the fuel cell device according to the present embodiment. This fuel cell device 1 </ b> C has a configuration in which the recovery device 35 is provided on the off-gas flow path between the fuel cell 10 and the cooler 33. In FIG. 10, the recovered water lead-out pipe b10 connected to the cooler 33 is connected so as to merge with the pipe b7 of the off-gas flow path. However, as in the first embodiment and the second embodiment, dilution is performed. It may be connected to the device 36.

この燃料電池装置1Cによれば、燃料電池10から排出されたばかりの圧力の高いカソードオフガスが回収器35に導入されるので、回収器35で回収された液水(凝縮水、回収水)を冷却器33に圧送用のポンプを用いることなく圧送することが容易になる。   According to this fuel cell device 1C, since the cathode offgas having a high pressure just discharged from the fuel cell 10 is introduced into the recovery device 35, the liquid water (condensed water, recovered water) recovered by the recovery device 35 is cooled. The pump 33 can be easily pumped without using a pump for pumping.

(本実施形態に係るさらに他の変形例)
図11は本実施形態に係る燃料電池装置のさらに他の変形例を示す全体構成図である。この燃料電池装置1Dは、第3実施形態の冷却器33と回収器35とを入れ替えた構成であり、燃料電池10と回収器35との間に冷却器33を配置した構成である。
(Still another modification according to this embodiment)
FIG. 11 is an overall configuration diagram showing still another modification of the fuel cell device according to the present embodiment. This fuel cell device 1D has a configuration in which the cooler 33 and the recovery device 35 of the third embodiment are replaced, and the cooler 33 is disposed between the fuel cell 10 and the recovery device 35.

この燃料電池装置1Dによれば、冷却器33から排出された比較的圧力の高いカソードオフガスが回収器35に導入されるので、回収器35で回収された液水(凝縮水、回収水)を冷却器33に圧送するためのポンプを用いることなく圧送することが容易になる。   According to the fuel cell device 1D, the cathode offgas having a relatively high pressure discharged from the cooler 33 is introduced into the recovery device 35, and thus liquid water (condensed water, recovered water) recovered by the recovery device 35 is used. It becomes easy to pump without using the pump for pumping to the cooler 33.

本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、いずれの実施形態においても回収器35にて凝縮水を回収する構成としたが、このような構成に限定されるものではなく、希釈器36に液水(凝縮水)を回収させて、希釈器36から回収水導入配管b9を介して冷却器33に供給するようにしてもよい。これにより、回収器35を新たに設ける必要がなくなる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and in any of the embodiments, the condensate is recovered by the recovery device 35. However, the present invention is not limited to such a configuration, and dilution is performed. Liquid water (condensed water) may be collected in the vessel 36 and supplied from the diluter 36 to the cooler 33 via the collected water introduction pipe b9. Thereby, it is not necessary to newly provide the recovery device 35.

1A,1B,1C,1D 燃料電池装置
10 燃料電池
32 加湿器(膜式加湿器)
33 冷却器
33j 水蒸気透過膜
33f 排出弁
35 回収器(凝縮水回収器)
51 制御部
53 タイマ
54 電圧制御器
b3,b4,b5,b6,b7,b8 配管(オフガス流路)
b9 回収水導入配管(回収水供給流路)
b10 回収水排出配管
S1 冷却器入口温度センサ(温度センサ)
S2 冷却器出口温度センサ(温度センサ)
S3 冷媒温度センサ(温度センサ)
S4 冷却器内温度センサ(第2温度センサ)
S5 水位センサ
1A, 1B, 1C, 1D Fuel cell device 10 Fuel cell 32 Humidifier (membrane humidifier)
33 Cooler 33j Water vapor permeable membrane 33f Discharge valve 35 Recovery unit (Condensate recovery unit)
51 control unit 53 timer 54 voltage controller b3, b4, b5, b6, b7, b8 piping (off-gas flow path)
b9 Recovered water introduction pipe (recovered water supply flow path)
b10 Recovery water discharge piping S1 Cooler inlet temperature sensor (temperature sensor)
S2 Cooler outlet temperature sensor (temperature sensor)
S3 Refrigerant temperature sensor (temperature sensor)
S4 Cooler temperature sensor (second temperature sensor)
S5 Water level sensor

Claims (7)

燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガスから水分を得て当該燃料電池に供給される供給ガスに水分を与える膜式加湿器と、
前記燃料電池と前記膜式加湿器との間に配置され、内部に水蒸気透過膜を備え、当該水蒸気透過膜の一面および他面のうちの一方に前記オフガスを、他方に液水をそれぞれ接触させることにより、前記オフガスから熱を奪うことで当該オフガスの温度を下げる冷却器と、を備えることを特徴とする燃料電池装置。
A fuel cell;
A membrane humidifier that obtains moisture from off-gas discharged from the fuel cell and supplies moisture to the supply gas supplied to the fuel cell;
It is arranged between the fuel cell and the membrane humidifier, and has a water vapor permeable membrane inside, and the off gas is brought into contact with one of the one surface and the other surface of the water vapor permeable membrane, and liquid water is brought into contact with the other. And a cooler that lowers the temperature of the off gas by removing heat from the off gas.
前記オフガスが通流するオフガス流路上に配置される凝縮水回収器と、
前記凝縮水回収器によって回収された回収水を前記液水として前記冷却器に供給する回収水供給流路と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
A condensate collector disposed on an off-gas passage through which the off-gas flows;
The fuel cell device according to claim 1, further comprising: a recovered water supply channel that supplies the recovered water recovered by the condensed water recovery device as the liquid water to the cooler.
前記冷却器は、鉛直上下方向に延在する中空糸状の水蒸気透過膜を備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池装置。   3. The fuel cell device according to claim 1, wherein the cooler includes a hollow fiber-shaped water vapor permeable membrane extending in a vertical vertical direction. 前記膜式加湿器に導入されるオフガスの温度を決定する温度センサと、
予め設定された前記燃料電池の発電電力と前記膜式加湿器に導入されるオフガスの許容温度値との関係を用いて、求められた発電電力から前記許容温度値を求め、前記許容温度値と前記温度センサの温度値との比較により発電電力を調整する制御部と、を備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池装置。
A temperature sensor for determining the temperature of off-gas introduced into the membrane humidifier;
Using the relationship between the power generation power of the fuel cell set in advance and the allowable temperature value of the off-gas introduced into the membrane humidifier, the allowable temperature value is determined from the determined generated power, and the allowable temperature value The fuel cell device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a control unit that adjusts the generated power by comparing with a temperature value of the temperature sensor.
前記冷却器は、回収水の水位を検出する水位センサと、回収水を排出する排出弁とを備えることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池装置。   5. The fuel cell device according to claim 1, wherein the cooler includes a water level sensor that detects a water level of the recovered water, and a discharge valve that discharges the recovered water. 6. 予め設定された前記冷却器の水位と発電電力との関係を用いて、前記水位センサの水位に基づいて前記発電電力を制限する制御部を備えることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池装置。   The fuel cell according to claim 5, further comprising a control unit that limits the generated power based on a water level of the water level sensor using a preset relationship between the water level of the cooler and the generated power. apparatus. 前記燃料電池装置の運転を停止する際、前記冷却器の温度を検出する第2温度センサ、前記燃料電池装置の運転停止からの経過時間を計測するタイマの少なくともひとつの出力値を用いて、当該出力値が所定条件を満たした場合に前記排出弁を開成する制御部を備えることを特徴とする請求項5または請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池装置。   When stopping the operation of the fuel cell device, the second temperature sensor that detects the temperature of the cooler, and at least one output value of a timer that measures the elapsed time from the stop of the operation of the fuel cell device, The fuel cell device according to claim 5, further comprising a control unit that opens the discharge valve when an output value satisfies a predetermined condition.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111261898A (en) * 2018-11-30 2020-06-09 现代自动车株式会社 Muffler for fuel cell vehicle

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4951660A (en) * 1972-07-04 1974-05-20
JP2006338984A (en) * 2005-06-01 2006-12-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell system
JP2008123930A (en) * 2006-11-15 2008-05-29 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2009117319A (en) * 2007-10-16 2009-05-28 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2009152013A (en) * 2007-12-19 2009-07-09 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2009226355A (en) * 2008-03-25 2009-10-08 Fuji Electric Holdings Co Ltd Reduction treatment device
JP2010198920A (en) * 2009-02-25 2010-09-09 Fuji Electric Systems Co Ltd Fuel cell power generation system
JP2010223576A (en) * 2009-02-26 2010-10-07 Toray Ind Inc Hollow fiber membrane type heat exchanger
JP2010238485A (en) * 2009-03-31 2010-10-21 Fuji Electric Holdings Co Ltd Fuel cell generator, and operation method of fuel cell generator

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4951660A (en) * 1972-07-04 1974-05-20
JP2006338984A (en) * 2005-06-01 2006-12-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell system
JP2008123930A (en) * 2006-11-15 2008-05-29 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2009117319A (en) * 2007-10-16 2009-05-28 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2009152013A (en) * 2007-12-19 2009-07-09 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2009226355A (en) * 2008-03-25 2009-10-08 Fuji Electric Holdings Co Ltd Reduction treatment device
JP2010198920A (en) * 2009-02-25 2010-09-09 Fuji Electric Systems Co Ltd Fuel cell power generation system
JP2010223576A (en) * 2009-02-26 2010-10-07 Toray Ind Inc Hollow fiber membrane type heat exchanger
JP2010238485A (en) * 2009-03-31 2010-10-21 Fuji Electric Holdings Co Ltd Fuel cell generator, and operation method of fuel cell generator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111261898A (en) * 2018-11-30 2020-06-09 现代自动车株式会社 Muffler for fuel cell vehicle
CN111261898B (en) * 2018-11-30 2023-09-29 现代自动车株式会社 Muffler for fuel cell vehicle

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