JP2017069054A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which can sufficiently humidify and cool air supplied to a cathode and enables the saving of energy while being able to reduce the number of parts.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a fuel cell having an electrolyte layer which allows an anion component to pass therethrough, an anode disposed on one side of the electrolyte layer and supplied with a fuel, and a cathode disposed on the other side of the electrolyte layer and supplied with air; an air supplying path connected to the fuel cell for supplying the air to the cathode; an air compressor provided on the air supplying path; a water vapor-permeable film provided between the fuel cell and the air compressor in the air supplying path, which allows water vapor to pass therethrough so as to humidify the air; a pool unit for storing water which comes in contact with the water vapor permeable film; and a cooling unit for cooling the water stored in the pool unit.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、車両などに搭載される燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system mounted on a vehicle or the like.

従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、水素ガスやメタノールなどの燃料を使用する固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。   Conventionally, as a fuel cell system mounted on a vehicle or the like, a fuel cell system including a polymer electrolyte fuel cell using a fuel such as hydrogen gas or methanol is known.

このような燃料電池システムは、例えば、電解質層と、それを挟むアノード（燃料側電極）およびカソード（酸素側電極）とを備える燃料電池と、アノードに燃料を供給する燃料供給ラインと、カソードに空気を供給する空気供給ラインとを備えている。   Such a fuel cell system includes, for example, a fuel cell including an electrolyte layer, an anode (fuel side electrode) and a cathode (oxygen side electrode) sandwiching the electrolyte layer, a fuel supply line for supplying fuel to the anode, and a cathode And an air supply line for supplying air.

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度が過度に上昇することを抑制するために、カソードに供給する空気を冷却すること、および、カソードを湿潤させるために、カソードに供給する空気を加湿することが検討されている。   In such a fuel cell system, in order to prevent the temperature of the fuel cell from rising excessively, the air supplied to the cathode is cooled, and the air supplied to the cathode is humidified to wet the cathode. To be considered.

例えば、空気供給ラインに、空気を圧送するコンプレッサと、コンプレッサから送られる空気を冷却（熱交換）するインタークーラと、インタークーラを通過した空気を加湿する加湿器とが設けられる燃料電池システムが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。   For example, a fuel cell system in which an air supply line is provided with a compressor that pumps air, an intercooler that cools (heat exchanges) the air sent from the compressor, and a humidifier that humidifies the air that has passed through the intercooler. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

そして、そのような燃料電池システムでは、コンプレッサにより圧縮された空気が、インタークーラにより冷却された後、加湿器により加湿され、カソードに供給される。   In such a fuel cell system, the air compressed by the compressor is cooled by the intercooler, is humidified by the humidifier, and is supplied to the cathode.

特開２０１４−１２０３３６号公報JP, 2014-120336, A

しかるに、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、空気を十分に加湿すべく、加湿器において空気を加熱して、空気の飽和水蒸気圧（飽和水蒸気量）の向上を図る場合がある。   However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, in order to sufficiently humidify the air, the air is heated in the humidifier to improve the saturated water vapor pressure (saturated water vapor amount) of the air.

そのような場合、インタークーラにおいて冷却された空気を、加湿モジュールにおいて加熱するため、省エネルギー化を十分に図ることができない。   In such a case, since the air cooled in the intercooler is heated in the humidification module, it is not possible to sufficiently save energy.

そこで、本発明の目的は、部品点数の低減を図ることができながら、カソードに供給される空気を十分に加湿および冷却でき、省エネルギー化を図ることができる燃料電池システムを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can sufficiently reduce the number of components and can sufficiently humidify and cool the air supplied to the cathode, thereby saving energy.

本発明は、アニオン成分が移動可能な電解質層と、前記電解質層の一方側に配置され、燃料が供給されるアノードと、前記電解質層の他方側に配置され、空気が供給されるカソードとを有する燃料電池と、前記燃料電池に接続され、前記カソードに空気を供給する空気供給路と、前記空気供給路に設けられるエアコンプレッサと、前記空気供給路において、前記燃料電池と前記エアコンプレッサとの間に設けられ、空気を加湿するように、水蒸気を透過する水蒸気透過膜と、前記水蒸気透過膜と接触する水を貯留する貯留部と、前記貯留部に貯留される水を冷却する冷却部と、を備える、燃料電池システムである。   The present invention comprises an electrolyte layer to which an anion component can move, an anode disposed on one side of the electrolyte layer and supplied with fuel, and a cathode disposed on the other side of the electrolyte layer and supplied with air. A fuel cell, an air supply path connected to the fuel cell and supplying air to the cathode, an air compressor provided in the air supply path, and the fuel cell and the air compressor in the air supply path A water vapor permeable membrane that is provided in between and permeates water vapor so as to humidify the air, a reservoir that stores water that contacts the water vapor permeable membrane, and a cooling unit that cools the water stored in the reservoir A fuel cell system comprising:

本発明の燃料電池システムでは、水蒸気透過膜が、空気供給路において、燃料電池とエアコンプレッサとの間に設けられているので、エアコンプレッサにより圧縮された空気が、水蒸気透過膜に供給される。   In the fuel cell system of the present invention, since the water vapor permeable membrane is provided between the fuel cell and the air compressor in the air supply path, the air compressed by the air compressor is supplied to the water vapor permeable membrane.

しかるに、気体は圧縮されると温度が上昇するため、エアコンプレッサにより圧縮された空気は、温度が上昇されており、飽和水蒸気圧が上昇されている。   However, since the temperature rises when the gas is compressed, the temperature of the air compressed by the air compressor is raised, and the saturated water vapor pressure is raised.

そして、水蒸気透過膜は、貯留部に貯留される水と接触しているので、圧縮された空気が供給されると、水蒸気透過膜と接触する水が水蒸気化され、その水蒸気が、水蒸気透過膜を通過する。これによって、水蒸気透過膜に供給された空気を、水蒸気により確実に加湿できる。   And since the water vapor permeable membrane is in contact with the water stored in the storage part, when compressed air is supplied, the water in contact with the water vapor permeable membrane is vaporized, and the water vapor is converted into the water vapor permeable membrane. Pass through. Thus, the air supplied to the water vapor permeable membrane can be reliably humidified with water vapor.

また、水蒸気透過膜に供給される空気は、水の水蒸気化による気化熱により冷却されるとともに、水蒸気透過膜を介して、貯留部に貯留される水と効率良く熱交換される。そして、冷却部が、貯留部に貯留される水を冷却するので、水蒸気透過膜に供給される空気は、貯留部に貯留される水により、安定して冷却される。   The air supplied to the water vapor permeable membrane is cooled by heat of vaporization caused by water vaporization, and efficiently exchanges heat with water stored in the storage part via the water vapor permeable membrane. And since a cooling part cools the water stored by the storage part, the air supplied to a water vapor permeable film is cooled stably by the water stored by a storage part.

そのため、水蒸気透過膜に供給され、加湿された空気を安定して冷却できる。その結果、加湿および冷却された空気が、燃料電池のカソードに供給されることにより、カソードを湿潤させることができながら、燃料電池の温度が過度に上昇することを抑制できる。   Therefore, the air supplied to the water vapor permeable membrane and humidified can be cooled stably. As a result, the humidified and cooled air is supplied to the cathode of the fuel cell, so that the cathode can be moistened and the temperature of the fuel cell can be prevented from rising excessively.

つまり、水蒸気透過膜および貯留部が、エアコンプレッサから供給される空気を、加湿および冷却するので、部品点数の低減を図ることができながら、エネルギーを有効に利用でき、省エネルギー化を図ることができる。   In other words, since the water vapor permeable membrane and the storage unit humidify and cool the air supplied from the air compressor, energy can be used effectively and energy can be saved while the number of parts can be reduced. .

図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle equipped with an embodiment of a fuel cell system of the present invention.

１．燃料電池システムの全体構成
図１において、電動車両１は、燃料電池およびバッテリを選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。 1. Overall Configuration of Fuel Cell System In FIG. 1, an electric vehicle 1 is a hybrid vehicle that selectively uses a fuel cell and a battery as a power source, and is equipped with a fuel cell system 2.

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、加湿モジュール６と、冷却部の一例としてのラジエータユニット７と、制御部１１と、動力部１６とを備えている。   The fuel cell system 2 includes a fuel cell 3, a fuel supply / exhaust unit 4, an air supply / exhaust unit 5, a humidification module 6, a radiator unit 7 as an example of a cooling unit, a control unit 11, and a power unit 16. It has.

（１）燃料電池
燃料電池３は、燃料成分を含む燃料が直接供給および排出されるアニオン交換型燃料電池であって、電動車両１の中央下側に配置されている。 (1) Fuel Cell The fuel cell 3 is an anion exchange type fuel cell in which fuel containing a fuel component is directly supplied and discharged, and is disposed on the lower center side of the electric vehicle 1.

燃料は、気体燃料であってもよく、液体燃料であってもよいが、好ましくは、液体燃料である。   The fuel may be a gaseous fuel or a liquid fuel, but is preferably a liquid fuel.

燃料が気体燃料である場合、燃料成分としては、例えば、水素ガスなどが挙げられる。   When the fuel is gaseous fuel, examples of the fuel component include hydrogen gas.

燃料が液体燃料である場合、燃料成分としては、例えば、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。   When the fuel is a liquid fuel, examples of the fuel component include alcohols such as methanol, ethers having an alkyl group such as dimethyl ether, hydrazines, and the like, preferably alcohols and hydrazines. More preferably, hydrazines are mentioned.

ヒドラジン類としては、例えば、ヒドラジン、水加ヒドラジン、炭酸ヒドラジン、塩酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、カルボンヒドラジドなどが挙げられ、ゼロエミッション実現の観点から、好ましくは、炭素を含まないヒドラジン類（すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなど）が挙げられる。   Examples of the hydrazines include hydrazine, hydrazine hydrate, hydrazine carbonate, hydrazine hydrochloride, hydrazine sulfate, monomethyl hydrazine, dimethyl hydrazine, and carboxylic hydrazide. From the viewpoint of realizing zero emission, hydrazine not containing carbon is preferable. (That is, hydrazine, hydrated hydrazine, hydrazine sulfate, etc.).

なお、本実施形態では、燃料が液体燃料である場合について詳述する。   In the present embodiment, the case where the fuel is a liquid fuel will be described in detail.

燃料電池３は、固体高分子型燃料電池であって、複数の燃料電池セルＳを備えており、複数の燃料電池セルＳが積層されたスタック構造として形成されている。   The fuel cell 3 is a polymer electrolyte fuel cell, and includes a plurality of fuel cells S, and is formed as a stack structure in which a plurality of fuel cells S are stacked.

なお、図１では、図解しやすいように、複数の燃料電池セルＳのうち、１つの燃料電池セルＳを拡大して表わし、その他の燃料電池セルＳについては簡略化して記載している。   In FIG. 1, for ease of illustration, one fuel battery cell S among the plurality of fuel battery cells S is enlarged and the other fuel battery cells S are shown in a simplified manner.

燃料電池セルＳは、電解質層８と、アノード９と、カソード１０と、燃料供給部材１２と、空気供給部材１７とを備えている。   The fuel battery cell S includes an electrolyte layer 8, an anode 9, a cathode 10, a fuel supply member 12, and an air supply member 17.

電解質層８は、アニオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜を用いて形成されている。   The electrolyte layer 8 is a layer in which an anion component can move, and is formed using an anion exchange membrane.

アニオン交換膜としては、カソード１０で生成されるアニオン成分としての水酸化物イオン（ＯＨ−）を、カソード１０からアノード９へ移動させることができる媒体であれば、特に限定されず、例えば、アニオン交換基（例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基など）を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）などが挙げられる。 The anion exchange membrane is not particularly limited as long as it is a medium capable of transferring hydroxide ions (OH − ) as anion components generated at the cathode 10 from the cathode 10 to the anode 9. Examples thereof include a solid polymer membrane (anion exchange resin) having an exchange group (for example, quaternary ammonium group, pyridinium group, etc.)

このように、電解質層８は、例えば、固体高分子膜からなり、耐熱温度が、例えば、１００℃以下である。   Thus, the electrolyte layer 8 is made of, for example, a solid polymer film, and the heat resistant temperature is, for example, 100 ° C. or less.

アノード９は、電解質層８の一方側に配置されている。アノード９は、電極（アノード電極）であって、例えば、公知の触媒を担持した触媒担体などの電極材料により、電解質層８の一方の面に形成されている。   The anode 9 is disposed on one side of the electrolyte layer 8. The anode 9 is an electrode (anode electrode), and is formed on one surface of the electrolyte layer 8 by an electrode material such as a catalyst carrier carrying a known catalyst.

カソード１０は、電解質層８の他方側に配置されている。カソード１０は、電極（カソード電極）であって、例えば、公知の酸素還元触媒を担持した触媒担体などの電極材料により、電解質層８の他方の面に形成されている。   The cathode 10 is disposed on the other side of the electrolyte layer 8. The cathode 10 is an electrode (cathode electrode), and is formed on the other surface of the electrolyte layer 8 by an electrode material such as a catalyst carrier carrying a known oxygen reduction catalyst.

燃料供給部材１２は、セパレータとしても兼用され、アノード９の一方側に配置されている。燃料供給部材１２は、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材１２には、アノード９の全体に燃料を接触させる燃料側流路１３が、葛折状の溝として形成されている。また、燃料供給部材１２には、その上流側端部および下流側端部に、燃料側流路１３に連通する供給口１５および排出口１４が形成されている。   The fuel supply member 12 is also used as a separator and is disposed on one side of the anode 9. The fuel supply member 12 is made of a gas impermeable conductive member. The fuel supply member 12 is formed with a fuel-side flow path 13 that makes fuel contact with the entire anode 9 as a distorted groove. The fuel supply member 12 has a supply port 15 and a discharge port 14 communicating with the fuel-side flow path 13 at the upstream end portion and the downstream end portion thereof.

空気供給部材１７は、セパレータとしても兼用され、カソード１０の他方側に配置されている。空気供給部材１７は、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材１７には、カソード１０の全体に酸素（空気）を接触させる空気側流路１８が、葛折状の溝として形成されている。また、空気供給部材１７には、その上流側端部および下流側端部に、空気側流路１８に連通する供給口１９および排出口２０が形成されている。   The air supply member 17 is also used as a separator and is disposed on the other side of the cathode 10. The air supply member 17 is made of a gas impermeable conductive member. In the air supply member 17, an air-side flow path 18 that makes oxygen (air) contact with the entire cathode 10 is formed as a spiral groove. The air supply member 17 has a supply port 19 and a discharge port 20 communicating with the air-side flow path 18 at the upstream end portion and the downstream end portion thereof.

（２）燃料給排部
燃料給排部４は、燃料タンク２２と、燃料供給ライン３０と、燃料排出ライン３１と、気液分離器２３と、還流ライン３２とを備えている。 (2) Fuel Supply / Discharge Unit The fuel supply / discharge unit 4 includes a fuel tank 22, a fuel supply line 30, a fuel discharge line 31, a gas-liquid separator 23, and a recirculation line 32.

燃料タンク２２は、燃料電池３よりも後方であり、電動車両１の後部に配置されている。燃料タンク２２には、上記した燃料が貯蔵（貯留）されている。   The fuel tank 22 is located behind the fuel cell 3 and is disposed at the rear part of the electric vehicle 1. The fuel tank 22 stores (stores) the above-described fuel.

燃料供給ライン３０は、燃料タンク２２から燃料電池３（具体的には、燃料側流路１３）へ液体燃料（燃料）を供給するラインである。燃料供給ライン３０の上流側端部は、燃料タンク２２に接続され、燃料供給ライン３０の下流側端部は、燃料電池３（具体的には、燃料側流路１３の供給口１５）に接続されている。   The fuel supply line 30 is a line for supplying liquid fuel (fuel) from the fuel tank 22 to the fuel cell 3 (specifically, the fuel side flow path 13). The upstream end of the fuel supply line 30 is connected to the fuel tank 22, and the downstream end of the fuel supply line 30 is connected to the fuel cell 3 (specifically, the supply port 15 of the fuel side flow path 13). Has been.

また、燃料供給ライン３０には、濃度調整タンク２８と、第１供給ポンプ３３と、燃料供給弁３４と、第２供給ポンプ３５とが設けられている。   The fuel supply line 30 is provided with a concentration adjustment tank 28, a first supply pump 33, a fuel supply valve 34, and a second supply pump 35.

濃度調整タンク２８は、燃料供給ライン３０の途中に介在されている。   The concentration adjustment tank 28 is interposed in the middle of the fuel supply line 30.

第１供給ポンプ３３および燃料供給弁３４は、燃料タンク２２と濃度調整タンク２８との間において、燃料供給ライン３０に介在されている。   The first supply pump 33 and the fuel supply valve 34 are interposed in the fuel supply line 30 between the fuel tank 22 and the concentration adjustment tank 28.

第１供給ポンプ３３としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが挙げられる。   Examples of the first supply pump 33 include known liquid feed pumps such as rotary pumps such as rotary pumps and gear pumps, and reciprocating pumps such as piston pumps and diaphragm pumps.

燃料供給弁３４は、燃料供給ライン３０を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。   The fuel supply valve 34 is a valve for opening and closing the fuel supply line 30 and may be a known open / close valve such as an electromagnetic valve.

第２供給ポンプ３５は、濃度調整タンク２８と燃料電池３との間において、燃料供給ライン３０に介在されている。第２供給ポンプ３５としては、例えば、上記した公知の送液ポンプが挙げられる。   The second supply pump 35 is interposed in the fuel supply line 30 between the concentration adjustment tank 28 and the fuel cell 3. As the 2nd supply pump 35, the above-mentioned well-known liquid feeding pump is mentioned, for example.

燃料排出ライン３１は、燃料電池３（具体的には、燃料側流路１３）から、液体燃料（燃料）を排出するラインである。燃料排出ライン３１の上流側端部は、燃料電池３（具体的には、燃料側流路１３の排出口１４）に接続され、燃料排出ライン３１の下流側端部は、気液分離器２３の底部流通口２４（後述）に接続されている。   The fuel discharge line 31 is a line for discharging liquid fuel (fuel) from the fuel cell 3 (specifically, the fuel side flow path 13). The upstream end of the fuel discharge line 31 is connected to the fuel cell 3 (specifically, the discharge port 14 of the fuel side flow path 13), and the downstream end of the fuel discharge line 31 is connected to the gas-liquid separator 23. Is connected to the bottom circulation port 24 (described later).

気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、燃料電池３よりも電動車両１の後上方に配置されている。気液分離器２３には、その下部に、気液分離器２３の内外を連通させる底部流通口２４が２つ形成され、その上部に、気液分離器２３の内外を連通させる上部流通口２５が１つ形成されている。   The gas-liquid separator 23 is formed of, for example, a hollow container, and is disposed on the rear upper side of the electric vehicle 1 than the fuel cell 3. The gas-liquid separator 23 is formed with two bottom flow ports 24 communicating with the inside and outside of the gas-liquid separator 23 at the lower portion, and an upper flow port 25 communicating the inside and outside of the gas-liquid separator 23 with the upper portion thereof. One is formed.

２つの底部流通口２４のうち、一方の底部流通口２４（上流側の底部流通口２４）には、燃料排出ライン３１の下流側端部が接続され、他方の底部流通口２４（下流側の底部流通口２４）には、還流ライン３２の上流側端部が接続されている。   The downstream end of the fuel discharge line 31 is connected to one bottom circulation port 24 (upstream bottom circulation port 24) of the two bottom circulation ports 24, and the other bottom circulation port 24 (downstream side 24). The upstream end of the reflux line 32 is connected to the bottom flow port 24).

また、気液分離器２３には、ガス排出管２６が設けられている。ガス排出管２６の上流側端部は、上部流通口２５に接続され、ガス排出管２６の下流側端部は、大気に開放されている。また、ガス排出管２６の途中には、ガス排出弁２７が設けられている。   The gas-liquid separator 23 is provided with a gas discharge pipe 26. The upstream end of the gas exhaust pipe 26 is connected to the upper flow port 25, and the downstream end of the gas exhaust pipe 26 is open to the atmosphere. A gas discharge valve 27 is provided in the middle of the gas discharge pipe 26.

ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器２３内の圧力を開放するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。   The gas discharge valve 27 is a valve for opening the gas discharge pipe 26 to release the pressure in the gas-liquid separator 23. For example, a known open / close valve such as an electromagnetic valve may be used.

還流ライン３２は、燃料排出ライン３１から濃度調整タンク２８へ液体燃料（燃料）を輸送するラインである。還流ライン３２の上流側端部は、気液分離器２３の他方の底部流通口２４（下流側の底部流通口２４）に接続され、還流ライン３２の下流側端部は、濃度調整タンク２８に接続されている。   The reflux line 32 is a line for transporting liquid fuel (fuel) from the fuel discharge line 31 to the concentration adjustment tank 28. The upstream end of the reflux line 32 is connected to the other bottom circulation port 24 (downstream bottom circulation port 24) of the gas-liquid separator 23, and the downstream end of the reflux line 32 is connected to the concentration adjustment tank 28. It is connected.

（３）空気給排部
空気給排部５は、空気供給路の一例としての空気供給ライン４１と、空気排出ライン４２とを備えている。 (3) Air Supply / Discharge Unit The air supply / discharge unit 5 includes an air supply line 41 and an air discharge line 42 as an example of an air supply path.

空気供給ライン４１は、燃料電池３（カソード１０）に対して空気を供給するラインである。空気供給ライン４１の上流側端部は、大気中に開放され、空気供給ライン４１の下流側端部は、燃料電池３（具体的には、空気側流路１８の供給口１９）に接続されている。   The air supply line 41 is a line for supplying air to the fuel cell 3 (cathode 10). The upstream end of the air supply line 41 is opened to the atmosphere, and the downstream end of the air supply line 41 is connected to the fuel cell 3 (specifically, the supply port 19 of the air side flow path 18). ing.

また、空気供給ライン４１には、エアコンプレッサ４３と、空気供給弁４４とが設けられている。   The air supply line 41 is provided with an air compressor 43 and an air supply valve 44.

エアコンプレッサ４３は、空気供給ライン４１の途中に介在されている。エアコンプレッサ４３は、気体（空気）を圧縮して、その圧縮した気体（空気）を連続して吐出する圧縮機であって、例えば、公知のエアコンプレッサが挙げられる。   The air compressor 43 is interposed in the air supply line 41. The air compressor 43 is a compressor that compresses gas (air) and continuously discharges the compressed gas (air), and includes, for example, a known air compressor.

エアコンプレッサ４３の吐出圧力は、例えば、０．１ＭＰａ以上、好ましくは、０．２ＭＰａ以上、例えば、０．４ＭＰａ以下である。   The discharge pressure of the air compressor 43 is, for example, 0.1 MPa or more, preferably 0.2 MPa or more, for example, 0.4 MPa or less.

空気供給弁４４は、空気供給ライン４１において、エアコンプレッサ４３の下流側に介在されている。空気供給弁４４は、空気供給ライン４１を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。   The air supply valve 44 is interposed on the downstream side of the air compressor 43 in the air supply line 41. The air supply valve 44 is a valve for opening and closing the air supply line 41. For example, a known open / close valve such as an electromagnetic valve can be used.

なお、空気供給ライン４１は、空気供給弁４４の下流側（つまり、燃料電池３とエアコンプレッサ４３との間）において、加湿モジュール６の貯留タンク４７（後述）内を通過するように配設されている。   The air supply line 41 is disposed downstream of the air supply valve 44 (that is, between the fuel cell 3 and the air compressor 43) so as to pass through a storage tank 47 (described later) of the humidification module 6. ing.

空気排出ライン４２は、燃料電池３（具体的には、空気側流路１８）から、空気を排出するラインである。空気排出ライン４２の上流側端部は、燃料電池３（具体的には、空気側流路１８の排出口２０）に接続され、空気排出ライン４２の下流側端部は、大気中に開放されている。   The air discharge line 42 is a line for discharging air from the fuel cell 3 (specifically, the air-side flow path 18). The upstream end portion of the air discharge line 42 is connected to the fuel cell 3 (specifically, the discharge port 20 of the air side flow path 18), and the downstream end portion of the air discharge line 42 is opened to the atmosphere. ing.

（４）加湿モジュールおよびラジエータユニット
加湿モジュール６は、燃料電池３よりも前方に配置されている。加湿モジュール６は、詳しくは後述するが、カソード１０に供給される空気を加湿するように構成されている。 (4) Humidification module and radiator unit The humidification module 6 is disposed in front of the fuel cell 3. As will be described in detail later, the humidification module 6 is configured to humidify the air supplied to the cathode 10.

ラジエータユニット７は、加湿モジュール６よりも前方であり、電動車両１の前部に配置されている。ラジエータユニット７は、詳しくは後述するが、加湿モジュール６が備える貯留タンク４７（後述）に貯留される水を冷却するように構成されている。   The radiator unit 7 is disposed in front of the humidification module 6 and is disposed in the front portion of the electric vehicle 1. Although described in detail later, the radiator unit 7 is configured to cool water stored in a storage tank 47 (described later) included in the humidification module 6.

（５）制御部
制御部１１は、コントロールユニット２９を備えている。 (5) Control Unit The control unit 11 includes a control unit 29.

コントロールユニット２９は、電動車両１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。   The control unit 29 is a unit (for example, ECU: Electronic Control Unit) that executes electrical control in the electric vehicle 1, and is configured by a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like.

コントロールユニット２９は、第１供給ポンプ３３、第２供給ポンプ３５、エアコンプレッサ４３、ラジエータポンプ５３（後述）、燃料供給弁３４、ガス排出弁２７および空気供給弁４４と電気的に接続されている（図１の破線参照）。   The control unit 29 is electrically connected to the first supply pump 33, the second supply pump 35, the air compressor 43, the radiator pump 53 (described later), the fuel supply valve 34, the gas discharge valve 27, and the air supply valve 44. (See broken line in FIG. 1).

そして、コントロールユニット２９は、制御信号により、第１供給ポンプ３３、第２供給ポンプ３５、エアコンプレッサ４３およびラジエータポンプ５３（後述）の駆動を制御するとともに、燃料供給弁３４、ガス排出弁２７および空気供給弁４４の開閉を制御する。   The control unit 29 controls the driving of the first supply pump 33, the second supply pump 35, the air compressor 43, and the radiator pump 53 (described later) by the control signal, as well as the fuel supply valve 34, the gas discharge valve 27, and The opening and closing of the air supply valve 44 is controlled.

（６）動力部
制御部１１は、モータ３７と、インバータ３８と、動力用バッテリ４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６とを備えている。 (6) Power Unit The control unit 11 includes a motor 37, an inverter 38, a power battery 40, and a DC / DC converter 36.

モータ３７は、燃料電池３よりも前方であって、電動車両１の前部に配置されている。モータ３７は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ３７としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の三相電動機が挙げられる。   The motor 37 is disposed in front of the fuel cell 3 and at the front portion of the electric vehicle 1. The motor 37 converts electrical energy output from the fuel cell 3 into mechanical energy as the driving force of the electric vehicle 1. Examples of the motor 37 include known three-phase motors such as a three-phase induction motor and a three-phase synchronous motor.

インバータ３８は、モータ３７に電気的に接続されており、モータ３７と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３８は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置が挙げられる。また、インバータ３８は、配線により、燃料電池３およびモータ３７にそれぞれ電気的に接続されている。   The inverter 38 is electrically connected to the motor 37 and is disposed between the motor 37 and the fuel cell 3. The inverter 38 is a device that converts direct current power generated by the fuel cell 3 into alternating current power, and includes, for example, a power conversion device in which a known inverter circuit is incorporated. The inverter 38 is electrically connected to the fuel cell 3 and the motor 37 by wiring.

動力用バッテリ４０は、モータ３７による回生エネルギーを蓄電する。動力用バッテリ４０としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、動力用バッテリ４０は、インバータ３８と燃料電池３との間の配線に接続され、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ３７に電力を供給可能とされている。   The power battery 40 stores regenerative energy from the motor 37. Examples of the power battery 40 include known secondary batteries such as a nickel metal hydride battery and a lithium ion battery. The power battery 40 is connected to the wiring between the inverter 38 and the fuel cell 3, can store power from the fuel cell 3, and can supply power to the motor 37.

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、動力用バッテリ４０と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ４０の入出力電力を調整する機能を有している。   The DC / DC converter 36 is disposed between the power battery 40 and the fuel cell 3. The DC / DC converter 36 has a function of increasing / decreasing the output voltage of the fuel cell 3, and a function of adjusting the power of the fuel cell 3 and the input / output power of the power battery 40.

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、コントロールユニット２９と電気的に接続されており（図１の破線参照）、これにより、コントロールユニット２９から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力（出力電圧）を制御する。   The DC / DC converter 36 is electrically connected to the control unit 29 (see the broken line in FIG. 1), and accordingly, the fuel cell 3 according to the input of the output control signal output from the control unit 29. Controls the output (output voltage).

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ４０にそれぞれ電気的に接続されているとともに、配線の分岐により、インバータ３８に電気的に接続されている。   Further, the DC / DC converter 36 is electrically connected to the fuel cell 3 and the power battery 40 by wiring, and is also electrically connected to the inverter 38 by branching of the wiring.

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６からモータ３７への電力は、インバータ３８において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ３７に供給される。   As a result, power from the DC / DC converter 36 to the motor 37 is converted from direct current power to three-phase alternating current power in the inverter 38 and supplied to the motor 37 as three-phase alternating current power.

（７）燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム２では、図１に示すように、燃料供給弁３４が開かれ、第１供給ポンプ３３が駆動されることにより、燃料タンク２２から、液体燃料が、濃度調整タンク２８へ供給される。なお、燃料供給弁３４は、燃料が所定量供給された後に閉じられるが、後の液体燃料の濃度調整時に、適宜開閉される。 (7) Power Generation by Fuel Cell System In the fuel cell system 2 described above, as shown in FIG. 1, the fuel supply valve 34 is opened and the first supply pump 33 is driven, so that the liquid fuel is supplied from the fuel tank 22. Is supplied to the concentration adjustment tank 28. The fuel supply valve 34 is closed after a predetermined amount of fuel is supplied, but is appropriately opened and closed when the liquid fuel concentration is adjusted later.

そして、第２供給ポンプ３５の駆動により、液体燃料が、濃度調整タンク２８から、燃料電池３の燃料側流路１３に供給される。これによって、液体燃料が、アノード９に供給され、アノード９と接触しながら燃料側流路１３を通過する。   Then, by driving the second supply pump 35, the liquid fuel is supplied from the concentration adjustment tank 28 to the fuel side channel 13 of the fuel cell 3. Thereby, the liquid fuel is supplied to the anode 9 and passes through the fuel side flow path 13 while being in contact with the anode 9.

一方、空気供給弁４４が開かれ、エアコンプレッサ４３が駆動されることにより、エアコンプレッサ４３により圧縮された空気が、詳しくは後述するが、加湿モジュール６に供給され、加湿される。そして、加湿された空気は、加湿モジュール６から、燃料電池３の空気側流路１８に供給される。これによって、空気（酸素）が、カソード１０に供給され、カソード１０と接触しながら、空気側流路１８を通過する。   On the other hand, when the air supply valve 44 is opened and the air compressor 43 is driven, the air compressed by the air compressor 43 is supplied to the humidification module 6 and humidified, as will be described in detail later. The humidified air is supplied from the humidification module 6 to the air-side flow path 18 of the fuel cell 3. Thereby, air (oxygen) is supplied to the cathode 10 and passes through the air-side flow path 18 while being in contact with the cathode 10.

そして、各電極（アノード９およびカソード１０）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、液体燃料の燃料成分がヒドラジンである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１） Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ− （アノード９での反応）
（２） Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− （カソード１０での反応）
（３） Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ （燃料電池３全体での反応）
このようなアノード９およびカソード１０での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として、上記式（３）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。 An electrochemical reaction occurs in each electrode (anode 9 and cathode 10), and an electromotive force is generated. For example, when the fuel component of the liquid fuel is hydrazine, the following formulas (1) to (3) are obtained.
(1) N 2 H 4 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (reaction at anode 9)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at the cathode 10)
(3) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 3)
When the electrochemical reaction at the anode 9 and the cathode 10 occurs continuously, the reaction represented by the above formula (3) occurs in the fuel cell 3 as a whole, and an electromotive force is generated in the fuel cell 3. .

そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６に送電され、制御部１１では、インバータ３８およびモータ３７、および／または、動力用バッテリ４０に送電される。そして、モータ３７では、インバータ３８により三相交流電力に変換された電気エネルギーが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。一方、動力用バッテリ４０では、その電力が充電される。   The generated electromotive force is transmitted to the DC / DC converter 36 via the wiring, and is transmitted to the inverter 38 and the motor 37 and / or the power battery 40 in the control unit 11. In the motor 37, the electrical energy converted into the three-phase AC power by the inverter 38 is converted into mechanical energy that drives the wheels of the electric vehicle 1. On the other hand, the power of the power battery 40 is charged.

また、燃料側流路１３を通過した液体燃料は、燃料電池３から排出され、燃料排出ライン３１を介して、気液分離器２３に流入する。そして、気液分離器２３では、流入した液体燃料から、ガスが分離される。そのようなガスは、ガス排出弁２７が開かれることにより、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。   Further, the liquid fuel that has passed through the fuel side flow path 13 is discharged from the fuel cell 3 and flows into the gas-liquid separator 23 via the fuel discharge line 31. And in the gas-liquid separator 23, gas is isolate | separated from the liquid fuel which flowed in. Such gas is discharged to the outside through the gas discharge pipe 26 when the gas discharge valve 27 is opened.

一方、ガスが分離された液体燃料は、還流ライン３２を介して、気液分離器２３から濃度調整タンク２８に輸送される。そして、その液体燃料は、濃度調整タンク２８内において、燃料タンク２２から輸送された液体燃料と混合され、濃度調整された後、燃料電池３の燃料側流路１３に戻される。   On the other hand, the liquid fuel from which the gas has been separated is transported from the gas-liquid separator 23 to the concentration adjustment tank 28 via the reflux line 32. Then, the liquid fuel is mixed with the liquid fuel transported from the fuel tank 22 in the concentration adjustment tank 28, adjusted in concentration, and then returned to the fuel side flow path 13 of the fuel cell 3.

このようにして、液体燃料が、クローズドライン（燃料供給ライン３０、燃料側流路１３、燃料排出ライン３１、気液分離器２３、還流ライン３２および濃度調整タンク２８）を循環する。   In this way, the liquid fuel circulates in the closed line (the fuel supply line 30, the fuel side flow path 13, the fuel discharge line 31, the gas-liquid separator 23, the reflux line 32, and the concentration adjustment tank 28).

なお、空気側流路１８を通過した空気は、燃料電池３から空気排出ライン４２に排出される。   The air that has passed through the air-side flow path 18 is discharged from the fuel cell 3 to the air discharge line 42.

３．加湿モジュールおよびラジエータユニットの詳細
加湿モジュール６は、貯留部の一例としての貯留タンク４７と、水蒸気透過膜４５とを備えている。 3. Details of Humidification Module and Radiator Unit The humidification module 6 includes a storage tank 47 as an example of a storage unit and a water vapor permeable membrane 45.

貯留タンク４７は、燃料電池３よりも前方に配置されている。貯留タンク４７には、水が貯留されている。また、貯留タンク４７には、その下部に、貯留タンク４７の内外を連通させる連通口４９が２つ形成され、その上部に、貯留タンク４７の内外を連通させるライン通過口４８が２つ形成されている。   The storage tank 47 is disposed in front of the fuel cell 3. Water is stored in the storage tank 47. The storage tank 47 is formed with two communication ports 49 communicating with the inside and the outside of the storage tank 47 at the lower portion, and two line passage ports 48 communicating with the inside and the outside of the storage tank 47 at the upper portion. ing.

２つの連通口４９のそれぞれには、後述する往路ライン５１および復路ライン５２のそれぞれが接続されている。   Each of the two communication ports 49 is connected to an outward line 51 and a return line 52 described later.

２つのライン通過口４８のそれぞれには、空気供給ライン４１が挿通されており、上記したように、燃料電池３とエアコンプレッサ４３との間の空気供給ライン４１が、貯留タンク４７内を通過するように配設されている。   An air supply line 41 is inserted into each of the two line passage ports 48, and the air supply line 41 between the fuel cell 3 and the air compressor 43 passes through the storage tank 47 as described above. It is arranged like this.

そして、貯留タンク４７内に配設される空気供給ライン４１は、貯留タンク４７に貯留される水に浸漬されている。   The air supply line 41 disposed in the storage tank 47 is immersed in water stored in the storage tank 47.

水蒸気透過膜４５は、本実施形態において、貯留タンク４７内に配設される空気供給ライン４１に介在されており、貯留タンク４７内の水に浸漬されている。つまり、水蒸気透過膜４５は、空気供給ライン４１において、燃料電池３とエアコンプレッサ４３との間に設けられている。   In the present embodiment, the water vapor permeable membrane 45 is interposed in the air supply line 41 disposed in the storage tank 47, and is immersed in the water in the storage tank 47. That is, the water vapor permeable membrane 45 is provided between the fuel cell 3 and the air compressor 43 in the air supply line 41.

水蒸気透過膜４５は、水蒸気を透過する膜であって、特に制限されないが、例えば、孔径が１ｎｍ以下の炭素膜などが挙げられる。水分離膜の孔径は、例えば、１ｎｍ以下、好ましくは、０．５ｎｍ以下であり、通常、０．３ｎｍ以上である。   The water vapor permeable film 45 is a film that transmits water vapor and is not particularly limited, and examples thereof include a carbon film having a pore diameter of 1 nm or less. The pore size of the water separation membrane is, for example, 1 nm or less, preferably 0.5 nm or less, and usually 0.3 nm or more.

また、水蒸気透過膜４５は、例えば、水蒸気を透過する中空糸膜からなり、具体的には、複数（例えば、５００〜２５００本）の中空糸膜が束ねられ、集合筒状に形成される。水蒸気透過膜４５が中空糸膜からなる場合、水蒸気透過膜４５は、その内部において、空気の通過を許容する。   In addition, the water vapor permeable membrane 45 is made of, for example, a hollow fiber membrane that transmits water vapor. Specifically, a plurality of (for example, 500 to 2500) hollow fiber membranes are bundled and formed into a collective cylinder shape. When the water vapor permeable membrane 45 is made of a hollow fiber membrane, the water vapor permeable membrane 45 allows air to pass therethrough.

中空糸膜の内径は、例えば、２００μｍ以上、好ましくは、２５０μｍ以上、例えば、４００μｍ以下、好ましくは、３５０μｍ以下である。   The inner diameter of the hollow fiber membrane is, for example, 200 μm or more, preferably 250 μm or more, for example, 400 μm or less, preferably 350 μm or less.

このような水蒸気透過膜４５として、例えば、特開２００４−２０９４１８号公報に記載の中空糸膜モジュールなどを用いることができる。なお、本実施形態では、水蒸気透過膜４５が、中空糸膜である場合について詳述する。   As such a water vapor permeable membrane 45, for example, a hollow fiber membrane module described in JP-A No. 2004-209418 can be used. In the present embodiment, the case where the water vapor permeable membrane 45 is a hollow fiber membrane will be described in detail.

ラジエータユニット７は、貯留タンク４７に貯留される水を冷却するように構成されており、ラジエータ５０と、往路ライン５１と、復路ライン５２と、リザーブタンク５４と、連結管５５とを備えている。   The radiator unit 7 is configured to cool the water stored in the storage tank 47, and includes a radiator 50, an outward line 51, a return line 52, a reserve tank 54, and a connecting pipe 55. .

ラジエータ５０は、貯留タンク４７よりも前方であり、電動車両１の前部に配置されている。ラジエータ５０は、液体（水）の熱を放熱する装置であって、例えば、公知のラジエータが挙げられる。   The radiator 50 is in front of the storage tank 47 and is disposed in the front portion of the electric vehicle 1. The radiator 50 is a device that dissipates the heat of the liquid (water), and includes, for example, a known radiator.

より具体的には、ラジエータ５０は、その内部に液体（水）が通過するように構成されており、ラジエータ５０の内部への液体（水）の流入を許容する流入口５７と、ラジエータ５０からの液体（水）の流出を許容する排出口５８とを有している。   More specifically, the radiator 50 is configured such that liquid (water) passes through the radiator 50, and an inflow port 57 that allows the liquid (water) to flow into the radiator 50 and the radiator 50. And a discharge port 58 that allows the liquid (water) to flow out.

流入口５７および排出口５８のそれぞれには、後述する往路ライン５１および復路ライン５２のそれぞれが接続されている。   A forward line 51 and a return line 52, which will be described later, are connected to the inflow port 57 and the discharge port 58, respectively.

そして、ラジエータ５０は、例えば、電動車両１の走行風や、図示しないファンの駆動により、ラジエータ５０内部を通過する水を冷却できる。   And the radiator 50 can cool the water which passes the radiator 50 inside by the driving | running | working wind of the electric vehicle 1, or the drive of the fan which is not shown in figure, for example.

往路ライン５１は、貯留タンク４７からラジエータ５０へ水を搬送するラインである。往路ライン５１の上流側端部は、貯留タンク４７における２つの連通口４９のうち一方の連通口４９（上流側の連通口４９）に接続され、往路ライン５１の下流側端部は、ラジエータ５０の流入口５７に接続されている。   The forward line 51 is a line for transporting water from the storage tank 47 to the radiator 50. The upstream end of the forward line 51 is connected to one communication port 49 (upstream communication port 49) of the two communication ports 49 in the storage tank 47, and the downstream end of the forward line 51 is connected to the radiator 50. Are connected to the inflow port 57.

復路ライン５２は、ラジエータ５０から貯留タンク４７へ水を搬送するラインである。復路ライン５２の上流側端部は、ラジエータ５０の排出口５８に接続され、復路ライン５２の下流側端部は、貯留タンク４７における２つの連通口４９のうち他方の連通口４９（下流側の連通口４９）に接続されている。   The return line 52 is a line for transporting water from the radiator 50 to the storage tank 47. The upstream end of the return line 52 is connected to the discharge port 58 of the radiator 50, and the downstream end of the return line 52 is the other communication port 49 (downstream side) of the two communication ports 49 in the storage tank 47. It is connected to the communication port 49).

これによって、貯留タンク４７、往路ライン５１、ラジエータ５０および復路ライン５２は、クローズドラインである循環ライン６０を形成している。   Thereby, the storage tank 47, the forward path line 51, the radiator 50, and the return path line 52 form a circulation line 60 that is a closed line.

また、復路ライン５２には、ラジエータポンプ５３が設けられている。ラジエータポンプ５３としては、例えば、上記した公知の送液ポンプが挙げられる。   The return line 52 is provided with a radiator pump 53. Examples of the radiator pump 53 include the above-described known liquid feeding pump.

リザーブタンク５４は、循環ライン６０に供給する水を貯留している。リザーブタンク５４の配置は、特に制限されないが、例えば、ラジエータ５０の近傍に配置されている。   The reserve tank 54 stores water supplied to the circulation line 60. The arrangement of the reserve tank 54 is not particularly limited. For example, the reserve tank 54 is arranged in the vicinity of the radiator 50.

連結管５５は、リザーブタンク５４から、循環ライン６０（例えば、ラジエータ５０）へ水を搬送する配管である。なお、本実施形態では、連結管５５は、リザーブタンク５４からラジエータ５０へ水を搬送する。連結管５５の上流側端部は、リザーブタンク５４に接続され、連結管５５の下流側端部は、ラジエータ５０に接続されている。   The connecting pipe 55 is a pipe that conveys water from the reserve tank 54 to the circulation line 60 (for example, the radiator 50). In the present embodiment, the connecting pipe 55 conveys water from the reserve tank 54 to the radiator 50. The upstream end of the connecting pipe 55 is connected to the reserve tank 54, and the downstream end of the connecting pipe 55 is connected to the radiator 50.

４．空気の加湿動作および水の冷却動作
（１）加湿モジュールによる空気の加湿
上記したように、燃料電池システム２の発電では、エアコンプレッサ４３の駆動により、圧縮された空気（以下、圧縮空気とする。）が、加湿モジュール６に供給される。 4). Air humidification operation and water cooling operation (1) Air humidification by the humidification module As described above, in the power generation of the fuel cell system 2, the air compressor 43 is driven to generate compressed air (hereinafter referred to as compressed air). ) Is supplied to the humidification module 6.

なお、加湿モジュール６の供給前（水蒸気透過膜４５の通過前）において、圧縮空気の圧力は、例えば、１００ｋＰａ以上４００ｋＰａ以下である。   In addition, before supply of the humidification module 6 (before passage of the water vapor permeable membrane 45), the pressure of the compressed air is, for example, 100 kPa or more and 400 kPa or less.

また、加湿モジュール６の供給前（水蒸気透過膜４５の通過前）において、圧縮空気の温度は、例えば、６０℃以上１２０℃以下である。   Moreover, the temperature of compressed air is 60 degreeC or more and 120 degrees C or less before supply of the humidification module 6 (before passage of the water vapor permeable membrane 45), for example.

加湿モジュール６の供給前（水蒸気透過膜４５の通過前）において、圧縮空気の温度が上記下限以上であれば、加湿モジュール６において圧縮空気を確実に加湿でき、圧縮空気の温度が上記上限以下であれば、燃料電池３の温度が過度に上昇し、電解質層８がダメージを受けることを抑制できる。   If the temperature of the compressed air is not less than the above lower limit before supply of the humidifying module 6 (before passing through the water vapor permeable membrane 45), the humidified module 6 can reliably humidify the compressed air, and the temperature of the compressed air is not more than the above upper limit. If it exists, it can suppress that the temperature of the fuel cell 3 rises excessively and the electrolyte layer 8 receives damage.

詳しくは、圧縮空気は、エアコンプレッサ４３と水蒸気透過膜４５との間の空気供給ライン４１を介して、貯留タンク４７内の水に浸漬される水蒸気透過膜４５（中空糸膜）に供給され、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）の内部を通過する。   Specifically, the compressed air is supplied to the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane) immersed in the water in the storage tank 47 via the air supply line 41 between the air compressor 43 and the water vapor permeable membrane 45. It passes through the inside of the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane).

このとき、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）の外周面は、貯留タンク４７内の水に接触しており、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）の内周面は、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する圧縮空気に接触している。   At this time, the outer peripheral surface of the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane) is in contact with water in the storage tank 47, and the inner peripheral surface of the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane) is in contact with the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber). It is in contact with compressed air passing through the thread membrane.

そのため、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内の圧縮空気の流れに伴なって、水蒸気透過膜４５の周囲の水が水蒸気化され、その水蒸気が、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）を通過して、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内に到達する（浸透気化法）。   Therefore, along with the flow of compressed air in the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane), the water around the water vapor permeable membrane 45 is vaporized, and the water vapor passes through the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane). Then, it reaches the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane) (pervaporation method).

これによって、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する圧縮空気は、水蒸気と混合され加湿される。つまり、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）は、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内の圧縮空気を加湿するように、水蒸気を透過する。   Thereby, the compressed air passing through the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane) is mixed with water vapor and humidified. That is, the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane) transmits water vapor so as to humidify the compressed air in the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane).

また、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する圧縮空気は、水の水蒸気化による気化熱により冷却されるとともに、水蒸気透過膜４５を介して、水蒸気透過膜４５が浸漬される貯留タンク４７内の水と熱交換される。そのため、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する圧縮空気は、加湿されるとともに冷却される。   In addition, the compressed air passing through the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane) is cooled by the heat of vaporization caused by water vaporization, and the storage tank in which the water vapor permeable membrane 45 is immersed via the water vapor permeable membrane 45 Heat is exchanged with water in 47. Therefore, the compressed air passing through the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane) is humidified and cooled.

その後、加湿および冷却された圧縮空気は、水蒸気透過膜４５から、水蒸気透過膜４５よりも下流側の空気供給ライン４１に流出し、燃料電池３に供給される。   Thereafter, the humidified and cooled compressed air flows out from the water vapor permeable membrane 45 to the air supply line 41 on the downstream side of the water vapor permeable membrane 45 and is supplied to the fuel cell 3.

なお、水蒸気透過膜４５の通過後において、圧縮空気の温度は、例えば、４０℃以上、好ましくは、６０℃以上、例えば、１００℃未満、好ましくは、９０℃以下である。   Note that after passing through the water vapor permeable membrane 45, the temperature of the compressed air is, for example, 40 ° C or higher, preferably 60 ° C or higher, for example, less than 100 ° C, preferably 90 ° C or lower.

水蒸気透過膜４５の通過後において、圧縮空気の温度が上記下限以上であれば、燃料電池３の温度が過度に低下することを抑制でき、カソード電圧の向上を図ることができ、圧縮空気の温度が上記上限以下であれば、燃料電池３の温度が過度に上昇することを抑制でき、電解質層８がダメージを受けることを抑制できる。つまり、水蒸気透過膜４５の通過後において、圧縮空気の温度が、上記の範囲であれば、燃料電池３の温度を好適な範囲に確保することができる。   If the temperature of the compressed air is equal to or higher than the lower limit after passing through the water vapor permeable membrane 45, the temperature of the fuel cell 3 can be prevented from excessively decreasing, the cathode voltage can be improved, and the temperature of the compressed air can be increased. If it is below the said upper limit, it can suppress that the temperature of the fuel cell 3 rises too much, and can suppress that the electrolyte layer 8 receives a damage. That is, after passing through the water vapor permeable membrane 45, the temperature of the fuel cell 3 can be ensured within a suitable range if the temperature of the compressed air is within the above range.

その後、加湿および冷却された圧縮空気は、上記のように、燃料電池３の空気側流路１８を通過し、カソード１０に供給された後、燃料電池３から空気排出ライン４２に排出される。   Thereafter, the humidified and cooled compressed air passes through the air-side flow path 18 of the fuel cell 3 as described above, is supplied to the cathode 10, and is then discharged from the fuel cell 3 to the air discharge line 42.

（２）ラジエータユニットによる水の冷却
一方、貯留タンク４７内に貯留される水は、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）を介して、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する圧縮空気を冷却するため、温度が上昇する。 (2) Cooling of water by the radiator unit On the other hand, the water stored in the storage tank 47 is compressed air passing through the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane) through the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane). The temperature rises because of cooling.

そのため、貯留タンク４７内に貯留される水の温度が、所定値（例えば、７０℃）を超過すると、コントロールユニット２９がラジエータポンプ５３を駆動させる。   Therefore, when the temperature of the water stored in the storage tank 47 exceeds a predetermined value (for example, 70 ° C.), the control unit 29 drives the radiator pump 53.

ラジエータポンプ５３が駆動すると、循環ライン６０内の水が循環する。詳しくは、貯留タンク４７内に貯留される水が、貯留タンク４７から、往路ライン５１を介して、ラジエータ５０に流入する。そして、ラジエータ５０に流入した水が、冷却された後、ラジエータ５０から、復路ライン５２を介して、貯留タンク４７に返送される。つまり、ラジエータユニット７は、貯留タンク４７に貯留される水を冷却する。   When the radiator pump 53 is driven, the water in the circulation line 60 circulates. Specifically, the water stored in the storage tank 47 flows into the radiator 50 from the storage tank 47 via the forward line 51. The water flowing into the radiator 50 is cooled and then returned from the radiator 50 to the storage tank 47 through the return line 52. That is, the radiator unit 7 cools the water stored in the storage tank 47.

そのため、貯留タンク４７内に貯留される水の温度は、例えば、０℃以上、好ましくは、５０℃以上、例えば、１００℃以下、好ましくは、７０℃以下に維持される。   Therefore, the temperature of the water stored in the storage tank 47 is maintained at, for example, 0 ° C. or higher, preferably 50 ° C. or higher, for example, 100 ° C. or lower, preferably 70 ° C. or lower.

また、貯留タンク４７内に貯留される水は、水蒸気化され、水蒸気透過膜４５（中空糸膜）内を通過する空気を加湿するので、循環ライン６０を循環する水は、空気の加湿に伴なって徐々に減少する。   Further, the water stored in the storage tank 47 is vaporized and humidifies the air passing through the water vapor permeable membrane 45 (hollow fiber membrane), so that the water circulating in the circulation line 60 accompanies the humidification of the air. Gradually decreases.

そして、貯留タンク４７における水の水位が、所定値未満となると、コントロールユニット２９が、連結管５５に設けられるポンプ（図示せず）を駆動させる。これにより、リザーブタンク５４内に貯留される水が、連結管５５を介して、ラジエータ５０（循環ライン６０）に供給される。そのため、循環ライン６０を循環する水量は、略一定に維持され、貯留タンク４７における水の水位は、略一定に維持される。   When the water level in the storage tank 47 becomes less than a predetermined value, the control unit 29 drives a pump (not shown) provided in the connection pipe 55. Thereby, the water stored in the reserve tank 54 is supplied to the radiator 50 (circulation line 60) through the connecting pipe 55. Therefore, the amount of water circulating through the circulation line 60 is maintained substantially constant, and the water level in the storage tank 47 is maintained approximately constant.

５．作用効果
燃料電池システム２は、図１に示すように、加湿モジュール６およびラジエータユニット７を備える一方、エアコンプレッサ４３により圧縮された空気を冷却するインタークーラを備えていない。 5. Operational Effect As shown in FIG. 1, the fuel cell system 2 includes the humidification module 6 and the radiator unit 7, but does not include an intercooler that cools the air compressed by the air compressor 43.

ここで、加湿モジュール６の水蒸気透過膜４５は、空気供給ライン４１において、燃料電池３とエアコンプレッサ４３との間に設けられている。そのため、エアコンプレッサ４３により圧縮された空気は、貯留タンク４７に貯留される水に浸漬される水蒸気透過膜４５に供給される。   Here, the water vapor permeable membrane 45 of the humidification module 6 is provided between the fuel cell 3 and the air compressor 43 in the air supply line 41. Therefore, the air compressed by the air compressor 43 is supplied to the water vapor permeable membrane 45 immersed in the water stored in the storage tank 47.

そして、水蒸気透過膜４５に空気が供給されると、水蒸気透過膜４５と接触する水が水蒸気化され、その水蒸気が水蒸気透過膜４５を通過する。これにより、水蒸気透過膜４５に供給された空気を、水蒸気により確実に加湿できる。   When air is supplied to the water vapor permeable membrane 45, the water in contact with the water vapor permeable membrane 45 is vaporized, and the water vapor passes through the water vapor permeable membrane 45. Thereby, the air supplied to the water vapor permeable membrane 45 can be reliably humidified with water vapor.

また、水蒸気透過膜に供給される空気は、水の水蒸気化による気化熱により冷却されるとともに、水蒸気透過膜４５を介して、貯留タンク４７に貯留される水と効率良く熱交換される。そして、ラジエータユニット７は、貯留タンク４７に貯留される水を冷却するので、水蒸気透過膜に供給される空気は、貯留タンク４７に貯留される水により安定して冷却される。   The air supplied to the water vapor permeable membrane is cooled by heat of vaporization caused by water vaporization, and efficiently exchanges heat with water stored in the storage tank 47 via the water vapor permeable membrane 45. Since the radiator unit 7 cools the water stored in the storage tank 47, the air supplied to the water vapor permeable membrane is stably cooled by the water stored in the storage tank 47.

そのため、水蒸気透過膜４５に供給され、加湿された空気を安定して冷却できる。そして、加湿および冷却された空気は、空気供給ライン４１を介して、燃料電池３のカソード１０に供給される。これにより、カソード１０を湿潤されることができながら、燃料電池３の温度が過度に上昇することを抑制できる。   Therefore, the air supplied to the water vapor permeable membrane 45 and humidified can be cooled stably. The humidified and cooled air is supplied to the cathode 10 of the fuel cell 3 through the air supply line 41. Thereby, it is possible to suppress the temperature of the fuel cell 3 from rising excessively while the cathode 10 can be wetted.

つまり、加湿モジュール６（水蒸気透過膜４５および貯留タンク４７）が、エアコンプレッサ４３から供給される空気を、加湿および冷却できるので、部品点数の低減を図ることができながら、エネルギーを有効に利用でき、省エネルギー化を図ることができる。   That is, since the humidification module 6 (the water vapor permeable membrane 45 and the storage tank 47) can humidify and cool the air supplied from the air compressor 43, energy can be used effectively while the number of parts can be reduced. , Energy saving can be achieved.

６．変形例
上記の実施形態では、リザーブタンク５４が、連結管５５を介して、ラジエータ５０に接続されるが、連結管５５の接続先は、循環ライン６０であれば特に制限されない。つまり、連結管５５の下流側端部は、貯留タンク４７、往路ライン５１、ラジエータ５０および復路ライン５２のいずれかに接続してもよい。 6). In the above embodiment, the reserve tank 54 is connected to the radiator 50 via the connecting pipe 55, but the connection destination of the connecting pipe 55 is not particularly limited as long as it is the circulation line 60. That is, the downstream end of the connecting pipe 55 may be connected to any one of the storage tank 47, the forward path line 51, the radiator 50, and the return path line 52.

上記の実施形態では、貯留タンク４７内に貯留される水の温度が、所定値（例えば、７０℃）を超過すると、コントロールユニット２９がラジエータポンプ５３を駆動させたが、これに限定されない。例えば、燃料電池３から空気排出ライン４２に排出される空気の温度が、所定値（例えば、７０℃）を超過すると、コントロールユニット２９がラジエータポンプ５３を駆動させてもよい。   In the above embodiment, when the temperature of the water stored in the storage tank 47 exceeds a predetermined value (for example, 70 ° C.), the control unit 29 drives the radiator pump 53. However, the present invention is not limited to this. For example, when the temperature of air discharged from the fuel cell 3 to the air discharge line 42 exceeds a predetermined value (for example, 70 ° C.), the control unit 29 may drive the radiator pump 53.

これらによっても、上記の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお、これら実施形態および変形例は、適宜組み合わせることができる。   Also by these, the same effect as said embodiment can be show | played. These embodiments and modifications can be combined as appropriate.

２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
７ ラジエータユニット
８ 電解質層
９ アノード
１０ カソード
４１ 空気供給ライン
４３ エアコンプレッサ
４５ 水蒸気透過膜
４７ 貯留タンク 2 Fuel Cell System 3 Fuel Cell 7 Radiator Unit 8 Electrolyte Layer 9 Anode 10 Cathode 41 Air Supply Line 43 Air Compressor 45 Water Vapor Membrane 47 Storage Tank

Claims (1)

アニオン成分が移動可能な電解質層と、前記電解質層の一方側に配置され、燃料が供給されるアノードと、前記電解質層の他方側に配置され、空気が供給されるカソードとを有する燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記カソードに空気を供給する空気供給路と、
前記空気供給路に設けられるエアコンプレッサと、
前記空気供給路において、前記燃料電池と前記エアコンプレッサとの間に設けられ、空気を加湿するように、水蒸気を透過する水蒸気透過膜と、
前記水蒸気透過膜と接触する水を貯留する貯留部と、
前記貯留部に貯留される水を冷却する冷却部と、を備えることを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell having an electrolyte layer to which an anion component can move, an anode disposed on one side of the electrolyte layer and supplied with fuel, and a cathode disposed on the other side of the electrolyte layer and supplied with air; ,
An air supply path connected to the fuel cell and supplying air to the cathode;
An air compressor provided in the air supply path;
A water vapor permeable membrane that is provided between the fuel cell and the air compressor in the air supply path and permeates water vapor so as to humidify the air;
A reservoir for storing water in contact with the water vapor permeable membrane;
A fuel cell system comprising: a cooling unit that cools water stored in the storage unit.
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