JP3399850B2 - Humidifying circulation device for fuel cell - Google Patents
Humidifying circulation device for fuel cellInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用加湿循
環装置に関し、さらに詳しくは、車載動力源あるいは定
置型の小型発電器等に用いられる燃料電池に供給される
反応ガスを加湿するための加湿循環装置として好適な、
燃料電池用加湿循環装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a humidifying and circulating device for a fuel cell, and more specifically, for humidifying a reaction gas supplied to a fuel cell used for an on-vehicle power source or a stationary small-sized power generator. Suitable as a humidification circulation device,
The present invention relates to a humidification circulation device for a fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池は、燃料の供給と燃焼生成物の
排出とを連続的に行い、燃料の持つ化学エネルギーを直
接電気エネルギーに変換する電池であり、発電効率が高
いこと、大気汚染物質の放出量が少ないこと、騒音が少
ないこと、規模を自由に選べること、等の特徴を有して
いる。燃料電池は、使用する電解質の種類により、固体
高分子型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体
酸化物型等に分類される。2. Description of the Related Art A fuel cell is a cell that continuously supplies fuel and discharges combustion products and directly converts the chemical energy of the fuel into electrical energy. It has high power generation efficiency and air pollutants. It has the characteristics of low emission of noise, low noise, and free choice of scale. Fuel cells are classified into solid polymer type, phosphoric acid type, alkaline type, molten carbonate type, solid oxide type, etc., depending on the type of electrolyte used.
【０００３】これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃
料電池、リン酸型燃料電池、及びアルカリ型燃料電池
は、プロトンが燃料極から空気極に又は水酸化物イオン
が空気極から燃料極に移動することにより起電力を発生
するものであり、電解質を正常に機能させるためには、
電解質の含水状態の管理が必須である点で共通する。Among these fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, phosphoric acid fuel cells, and alkaline fuel cells
Is or hydroxide ions from the flop proton fuel electrode to the air electrode
Is to generate an electromotive force by moving from the air electrode to the fuel electrode , and in order for the electrolyte to function normally,
It is common in that it is essential to control the water content of the electrolyte.
【０００４】例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質
としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用
いられる。具体的には、ナフィオン（登録商標、デュポ
ン社製）の商品名で知られるパーフルオロスルホン酸膜
に代表されるフッ素系の電解質膜が一般に用いられる。For example, a solid polymer electrolyte fuel cell uses a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity as an electrolyte. Specifically, a fluorine-based electrolyte membrane represented by a perfluorosulfonic acid membrane known by the trade name of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) is generally used.
【０００５】フッ素系の電解質膜は、耐酸化性に優れ、
湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すが、含水率が低
下すると膜抵抗が高くなり、電解質として機能しなくな
るという性質を有している。そのため、フッ素系の電解
質膜は、通常、飽和含水状態で使用されている。Fluorine-based electrolyte membranes have excellent oxidation resistance,
Although it exhibits good proton conductivity in a wet state, it has a property that when the water content decreases, the membrane resistance increases and it cannot function as an electrolyte. Therefore, the fluorine-based electrolyte membrane is usually used in a saturated water-containing state.
【０００６】しかし、固体高分子型燃料電池の作動温度
は、８０℃前後であるので、燃料電池が作動中に電解質
膜から水分が蒸発し、電解質膜の含水率が徐々に低下す
る。また、プロトンが燃料極側から空気極側に移動する
際、水分子も同時に移動するため、燃料極側は、特に乾
燥しやすくなっている。これを放置すると電解質膜の膜
抵抗が増大して発熱し、電池出力が低下したり、故障の
原因となる。However, since the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is around 80 ° C., water evaporates from the electrolyte membrane during operation of the fuel cell, and the water content of the electrolyte membrane gradually decreases. Further, when protons move from the fuel electrode side to the air electrode side, water molecules also move at the same time, so that the fuel electrode side is particularly easy to dry. If this is left unattended, the membrane resistance of the electrolyte membrane increases and heat is generated, resulting in a decrease in battery output and a failure.
【０００７】そのため、固体高分子型燃料電池において
は、電解質膜の含水状態を適切に管理し、電解質を正常
に機能させるために、ガス拡散電極に供給される反応ガ
スを加湿することが一般に行われている。Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell, it is common practice to humidify the reaction gas supplied to the gas diffusion electrode in order to properly control the water content of the electrolyte membrane and to make the electrolyte function properly. It is being appreciated.
【０００８】また、リン酸型燃料電池は、ＳｉＣマトリ
ックス中に濃厚なリン酸水溶液を含水させたものを電解
質として用いる燃料電池であり、動作温度は、２００℃
前後である。さらに、アルカリ型燃料電池は、マトリッ
クス型と自由電解液型があり、マトリックス型は、アス
ベストに濃度３０〜４５％の水酸化カリウム水溶液を含
浸させたものを電解質として用いる燃料電池であり、動
作温度は、１００℃前後である。A phosphoric acid fuel cell is a fuel cell that uses a SiC matrix containing a concentrated aqueous solution of phosphoric acid as an electrolyte and has an operating temperature of 200 ° C.
Before and after. Further, alkaline fuel cells are classified into a matrix type and a free electrolyte type, and the matrix type is a fuel cell that uses asbestos impregnated with an aqueous solution of potassium hydroxide having a concentration of 30 to 45% as an electrolyte and has an operating temperature of Is around 100 ° C.
【０００９】リン酸型燃料電池及びアルカリ型燃料電池
においても同様に、電解質を正常に機能させるために
は、電解質の含水状態を適切に管理する必要があり、出
力電圧が低下したり、燃料電池の温度上昇が生じた場合
には、反応ガスを加湿することが行われている。Similarly in the phosphoric acid type fuel cell and the alkaline type fuel cell, in order for the electrolyte to function normally, it is necessary to appropriately control the water content of the electrolyte, which causes a decrease in the output voltage and the fuel cell. When the temperature rise occurs, the reaction gas is humidified.
【００１０】燃料電池に供給される反応ガスを加湿する
ための加湿装置としては、水蒸気を用いて加湿する加湿
装置と、ミストを用いて加湿する加湿装置が知られてい
る。水蒸気を用いた加湿装置は、高温度に維持した加湿
タンク中に反応ガスを通過させ、飽和蒸気圧相当の加湿
を行う装置であり、安定した加湿が行えるという利点が
ある。As a humidifying device for humidifying the reaction gas supplied to the fuel cell, a humidifying device for humidifying by using steam and a humidifying device for humidifying by using mist are known. The humidifying device using water vapor is a device that passes a reaction gas through a humidifying tank maintained at a high temperature to perform humidification corresponding to a saturated vapor pressure, and has an advantage that stable humidification can be performed.
【００１１】また、ミストを用いた加湿装置は、微小粒
子化した霧を反応ガスに添加する装置である。例えば、
特開平５−５４９００号公報には、噴霧ノズル又は超音
波振動子を備えたミスト発生器を用いて、燃料あるいは
酸化剤の少なくとも一方側に３００μｍ以下に微小粒子
化した霧を添加する反応ガスの加湿装置を備えた固体高
分子型燃料電池が開示されている。Further, a humidifying device using a mist is a device for adding a mist of fine particles to a reaction gas. For example,
Japanese Patent Laid-Open No. 54900/1993 uses a mist generator equipped with a spray nozzle or an ultrasonic transducer to add a mist atomized into particles of 300 μm or less to at least one side of a fuel or an oxidizer. A polymer electrolyte fuel cell including a humidifier is disclosed.
【００１２】また例えば、特開平６−２３１７８８号公
報には、正極もしくは負極の少なくともどちらか一方に
超音波により加湿ガスを導入する加湿ユニットを備える
と共に、加湿ユニットを燃料電池に隣接して設け、ある
いは燃料電池内部に組み込んだ固体高分子型燃料電池が
開示されている。Further, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 6-231788, a humidifying unit for introducing a humidifying gas by ultrasonic waves to at least one of a positive electrode and a negative electrode is provided, and the humidifying unit is provided adjacent to a fuel cell. Alternatively, a polymer electrolyte fuel cell incorporated in a fuel cell is disclosed.
【００１３】ミストを用いた加湿装置は、噴霧されたミ
ストが、反応ガスをキャリアとしてそのまま電極に搬送
されるので、加湿水分量を定量的に制御できるという利
点がある。また、ミストが水蒸気になる際、反応ガスか
ら蒸発潜熱を奪うので、反応ガスの冷却効果が期待でき
るという利点がある。The humidifying device using a mist has an advantage that the amount of humidified water can be quantitatively controlled because the sprayed mist is directly conveyed to the electrode by using the reaction gas as a carrier. Further, when the mist becomes water vapor, latent heat of vaporization is taken from the reaction gas, so that there is an advantage that a cooling effect of the reaction gas can be expected.
【００１４】[0014]
【発明が解決しようとする課題】ところで、固体高分子
型燃料電池の場合、燃料電池が停止している場合には、
通常、電解質膜は乾燥状態にあるが、電解質膜が乾燥し
ていると、燃料電池が安定して始動しない。そのため、
始動に際しては、大量の加湿水分を短時間に供給し、速
やかに電解質膜の湿潤を確保する必要がある。By the way, in the case of the polymer electrolyte fuel cell, when the fuel cell is stopped,
Normally, the electrolyte membrane is in a dry state, but if the electrolyte membrane is dry, the fuel cell will not start stably. for that reason,
At the time of start-up, it is necessary to supply a large amount of humidified water in a short time to quickly secure the wetting of the electrolyte membrane.
【００１５】しかしながら、水蒸気により反応ガスを加
湿する加湿装置は、加湿タンクの熱容量が大きいため
に、加湿タンクの温度を所定の温度まで昇温させるのに
長時間を要する。そのため、短時間で電解質膜の湿潤を
確保することができず、始動性に問題がある。However, in the humidifying device for humidifying the reaction gas with water vapor, it takes a long time to raise the temperature of the humidifying tank to a predetermined temperature because the heat capacity of the humidifying tank is large. Therefore, the wetness of the electrolyte membrane cannot be ensured in a short time, and there is a problem in startability.
【００１６】これに対し、特開平５−５４９００号公報
に開示されているように、ミストにより反応ガスを加湿
する加湿装置によれば、水のミスト化は、水温の上昇を
待たずに行うことができるので、短時間で電解質膜の湿
潤を確保することができるという利点がある。On the other hand, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-54900, according to the humidifying device for humidifying the reaction gas by the mist, the water mist is formed without waiting for the water temperature to rise. Therefore, there is an advantage that the wetting of the electrolyte membrane can be secured in a short time.
【００１７】しかしながら、始動後、燃料電池が昇温す
る過程で、燃料電池に低温のミストを供給すると、燃料
電池の温度が低下する。燃料電池の温度が低下すると、
電極触媒が燃料ガス中に含まれる微量の一酸化炭素に被
毒され、燃料電池の出力が低下する。そのため、ミスト
加湿による場合であっても、電池温度が安定作動可能な
温度に上昇するまで燃料電池を作動させることができ
ず、昇温過程に膨大な時間を要するという問題がある。However, if a low-temperature mist is supplied to the fuel cell in the process of raising the temperature of the fuel cell after the start-up, the temperature of the fuel cell decreases. When the temperature of the fuel cell drops,
The electrode catalyst is poisoned by a small amount of carbon monoxide contained in the fuel gas, and the output of the fuel cell decreases. Therefore, even in the case of mist humidification, the fuel cell cannot be operated until the cell temperature rises to a temperature at which it can be stably operated, and there is a problem that the temperature raising process requires an enormous amount of time.
【００１８】また、燃料電池を作動させると、反応ガス
中に添加される水分や電極反応により生成する水分が燃
料電池内部に溜まるが、従来の燃料電池においては、電
池内部に溜まった水は、そのまま排出されていた。その
ため、水を排出すると同時に、電池内部の熱も排出さ
れ、エネルギーロスが大きいという問題があった。Further, when the fuel cell is operated, the water added to the reaction gas and the water generated by the electrode reaction are accumulated inside the fuel cell. However, in the conventional fuel cell, the water accumulated inside the cell is It was discharged as it was. Therefore, at the same time as discharging water, the heat inside the battery is also discharged, resulting in a large energy loss.
【００１９】この点、特開平６−２３１７８８号公報に
開示されているように、加湿ユニットを燃料電池内部あ
るいは燃料電池に隣接して設けるようにすれば、燃料電
池の排熱を利用して加湿ユニットの水源を加温すること
ができるので、電池内部の温度が有効利用され、エネル
ギー効率が向上するという利点がある。In this respect, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-231788, if the humidifying unit is provided inside the fuel cell or adjacent to the fuel cell, humidification is performed by utilizing exhaust heat of the fuel cell. Since the water source of the unit can be heated, there is an advantage that the temperature inside the battery is effectively used and the energy efficiency is improved.
【００２０】しかしながら、加湿ユニットを燃料電池内
部あるいは燃料電池に隣接して設ける方法では、間接的
に加湿ユニットの水源を加温するので、再利用される熱
量は、燃料電池が保有する熱のごく一部であり、エネル
ギー効率の大幅な向上は望めない。However, in the method in which the humidifying unit is provided inside the fuel cell or adjacent to the fuel cell, the water source of the humidifying unit is indirectly heated, so that the amount of heat to be reused is much less than the heat stored in the fuel cell. Since it is a part, it cannot be expected to greatly improve energy efficiency.
【００２１】また、燃料電池から排出される水量を見込
んで容量の大きな加湿タンクが必要となり、燃料電池シ
ステム全体が大型化するという問題がある。特に、水蒸
気を用いた加湿装置にあっては、温度変更に対する時定
数が大きいために、加湿量を任意に制御することができ
ない。そのため、加湿量が不足しないよう、安全率を見
込んで、常時過剰の水蒸気を発生させておく必要がある
ので、さらに容量の大きな加湿タンク必要となり、シス
テムが大型化するという問題がある。Further, there is a problem that a humidifying tank having a large capacity is required in consideration of the amount of water discharged from the fuel cell, and the entire fuel cell system becomes large in size. In particular, in a humidifying device using steam, the amount of humidification cannot be controlled arbitrarily because the time constant for temperature change is large. Therefore, it is necessary to constantly generate an excessive amount of steam in consideration of the safety factor so that the humidification amount does not become insufficient, so that a humidification tank having a larger capacity is required, and there is a problem that the system becomes large.
【００２２】本発明が解決しようとする課題は、電解質
の含水状態の管理が必要な燃料電池に用いられ、始動
性、エネルギー効率に優れ、しかも、燃料電池システム
全体を小型化することが可能な燃料電池用加湿循環装置
を提供することにある。The problem to be solved by the present invention is that it is used for a fuel cell that requires management of the water content of the electrolyte, is excellent in startability and energy efficiency, and can downsize the entire fuel cell system. It is to provide a humidification circulation device for a fuel cell.
【００２３】[0023]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る燃料電池用加湿循環装置は、燃料電池に
備えられる電解質に供給される反応ガスにミストを添加
するミスト加湿ユニットと、前記燃料電池の燃料極及び
／又は空気極から排出される高温水と加湿タンクに蓄え
られる常温水の少なくとも一方を前記ミスト加湿ユニッ
トに供給する切り替え制御装置とを備えていることを要
旨とするものである。Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, a fuel cell humidifying and circulating apparatus according to the present invention comprises a mist humidifying unit for adding mist to a reaction gas supplied to an electrolyte provided in a fuel cell, The invention is characterized by comprising a switching control device for supplying at least one of high temperature water discharged from a fuel electrode and / or air electrode of the fuel cell and room temperature water stored in a humidification tank to the mist humidification unit. Is.
【００２４】上記構成を有する本発明に係る燃料電池用
加湿循環装置によれば、始動直後においては、加湿タン
クに蓄えられる常温水をミスト加湿ユニットによりミス
ト化し、反応ガスを加湿する。加湿された反応ガスが燃
料電池に供給されると、反応ガス中に含まれる水分は、
燃料電池内部の温度を奪って燃料電池内部に溜まる。According to the humidification circulation device for a fuel cell according to the present invention having the above-mentioned structure, immediately after starting, the room temperature water stored in the humidification tank is misted by the mist humidification unit to humidify the reaction gas. When the humidified reaction gas is supplied to the fuel cell, the water content in the reaction gas is
It takes away the temperature inside the fuel cell and accumulates inside the fuel cell.
【００２５】次いで、昇温過程においては、切り替え制
御装置を燃料電池側に切り替える。切り替え制御装置が
燃料電池側に切り替えられると、燃料電池の燃料極及び
／又は空気極から排出される高温水は、切り替え制御装
置を介してミスト加湿ユニットに還流され、還流された
高温水が、再度、ミスト加湿ユニットを介して、燃料電
池に供給される。Next, in the temperature raising process, the switching control device is switched to the fuel cell side. When the switching control device is switched to the fuel cell side, the high temperature water discharged from the fuel electrode and / or the air electrode of the fuel cell is recirculated to the mist humidification unit via the switching control device, and the recirculated high temperature water is It is again supplied to the fuel cell via the mist humidifying unit.
【００２６】これにより、始動時において電解質膜の湿
潤が短時間で確保されると同時に、燃料電池の燃料極及
び／又は空気極から排出される高温水に蓄えられた熱量
の回収、再利用が図られるので、燃料電池の温度が速や
かに作動温度まで上昇し、燃料電池の始動性が向上す
る。As a result, the wetness of the electrolyte membrane is secured in a short time at the time of starting, and at the same time, the amount of heat stored in the high temperature water discharged from the fuel electrode and / or the air electrode of the fuel cell can be recovered and reused. As a result, the temperature of the fuel cell quickly rises to the operating temperature, and the startability of the fuel cell is improved.
【００２７】また、燃料電池内部に溜まった高温水の熱
を直接、回収・再利用するので、加湿ユニットを燃料電
池内部あるいは燃料電池に隣接して設ける場合に比較し
て、エネルギー効率がさらに向上する。Further, since the heat of the high temperature water accumulated inside the fuel cell is directly recovered and reused, the energy efficiency is further improved as compared with the case where the humidifying unit is provided inside the fuel cell or adjacent to the fuel cell. To do.
【００２８】また、始動後の昇温時等においては、電池
内部に溜まった高温水は、そのまま排出することなく、
循環利用されるので、ミスト加湿に必要な水量を軽減す
ることができる。そのため、加湿タンクの容量を小さく
することができ、燃料電池システム全体を小型化するこ
とができる。Further, when the temperature is raised after starting, the high temperature water accumulated in the battery is not discharged as it is,
Since the water is circulated, the amount of water required for humidifying the mist can be reduced. Therefore, the capacity of the humidification tank can be reduced, and the entire fuel cell system can be downsized.
【００２９】[0029]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。本発明は、電解質の含
水状態の管理が必要なあらゆる燃料電池が対象となる。
また、用途は、車載動力源、定置型の小型発電器等が具
体例として挙げられるが、これらに限定されるものでは
ない。以下に、車載動力源用の固体高分子型燃料電池に
本発明を適用した例について説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The present invention is applicable to any fuel cell that requires management of the water content of the electrolyte.
In addition, examples of uses include, but are not limited to, a vehicle power source, a stationary small power generator, and the like. An example in which the present invention is applied to a polymer electrolyte fuel cell for an on-vehicle power source will be described below.
【００３０】図１は、本発明が適用される燃料電池シス
テムの一例を示すシステム構成図である。図１におい
て、燃料電池システム１０は、改質器システム２０と、
固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」とい
う）４０と、加湿循環装置５２、５６とを備えている。FIG. 1 is a system configuration diagram showing an example of a fuel cell system to which the present invention is applied. In FIG. 1, a fuel cell system 10 includes a reformer system 20 and
A solid polymer fuel cell (hereinafter, simply referred to as “fuel cell”) 40 and humidification circulation devices 52 and 56 are provided.
【００３１】改質器システム２０は、燃料となるメタノ
ール改質ガスを燃料電池４０に供給するためのシステム
であり、改質原料蒸発装置２２と、改質熱供給装置３２
ａと、改質反応装置３２と、ＣＯ酸化装置３４とを備え
ている。The reformer system 20 is a system for supplying a methanol reformed gas as a fuel to the fuel cell 40, and includes a reforming raw material evaporation device 22 and a reforming heat supply device 32.
a, a reforming reaction device 32, and a CO oxidation device 34.
【００３２】改質原料蒸発装置２２は、改質ガス原料で
ある水及びメタノールを加熱し、気化させる部分であ
り、その内部には、改質ガス原料に蒸発熱を供給するた
めの蒸発熱供給装置（図示せず）が設けられている。ま
た、改質ガス原料は、水供給装置２４及びメタノール供
給装置２６からそれぞれ供給される水及びメタノールを
改質ガス原料混合装置２８で混合した後、改質原料蒸発
装置２２に供給されるようになっている。The reforming raw material vaporizer 22 is a portion for heating and vaporizing the reforming gas raw material, water and methanol, and internally supplies the vaporization heat for supplying vaporization heat to the reforming gas raw material. A device (not shown) is provided. Further, the reformed gas raw material is supplied to the reformed raw material evaporation device 22 after mixing the water and the methanol supplied from the water supply device 24 and the methanol supplied respectively from the reformed gas raw material mixing device 28. Has become.
【００３３】さらに、改質原料蒸発装置２２の出口側に
は、改質熱供給装置３２ａが設けられ、改質原料蒸発装
置２２から排出される改質ガス原料の蒸気を数百度まで
加熱できるようになっている。改質ガス原料を数百度ま
で加熱するのは、水蒸気改質反応は、周知のように吸熱
反応であり、改質反応に必要な熱を外部から供給する必
要があるためである。Further, a reforming heat supply device 32a is provided on the outlet side of the reforming raw material vaporizer 22 so that the vapor of the reformed gas raw material discharged from the reforming raw material vaporizer 22 can be heated to several hundred degrees. It has become. The reforming gas raw material is heated to several hundred degrees because the steam reforming reaction is an endothermic reaction as is well known, and the heat necessary for the reforming reaction must be supplied from the outside.
【００３４】改質反応装置３２は、改質原料蒸発装置２
２及び改質熱供給装置３２ａを経て供給されるメタノー
ル蒸気及び水蒸気を触媒存在下で反応させることによ
り、水素を主成分とする改質ガスを発生させる部分であ
る。改質触媒には、一般にＣｕＯ−ＺｎＯ系の触媒が用
いられる。The reforming reaction device 32 is the reforming raw material evaporation device 2
2 and a reforming heat supply device 32a are used to generate a reformed gas containing hydrogen as a main component by reacting methanol vapor and steam supplied in the presence of a catalyst. A CuO—ZnO-based catalyst is generally used as the reforming catalyst.
【００３５】ＣＯ酸化装置３４は、改質反応装置３２で
発生させた改質ガス中に含まれる微量の一酸化炭素を選
択酸化させ、改質ガス中の一酸化炭素濃度を数十ｐｐｍ
以下に低減する部分である。ＣＯ改質装置３４には、空
気供給装置３６が接続され、選択酸化に必要な空気をＣ
Ｏ酸化装置３４に供給するようになっている。The CO oxidation device 34 selectively oxidizes a small amount of carbon monoxide contained in the reformed gas generated in the reforming reaction device 32, so that the carbon monoxide concentration in the reformed gas is several tens of ppm.
This is the part to be reduced below. An air supply device 36 is connected to the CO reforming device 34, and the air required for selective oxidation is converted to C
It is adapted to be supplied to the O-oxidizer 34.
【００３６】また、一酸化炭素の酸化反応は発熱反応で
あるため、ＣＯ酸化装置３４には冷却装置３４ａが設け
られ、ＣＯ酸化装置３４の温度を所定温度に維持するよ
うになっている。Further, since the oxidation reaction of carbon monoxide is an exothermic reaction, the CO oxidation device 34 is provided with a cooling device 34a to maintain the temperature of the CO oxidation device 34 at a predetermined temperature.
【００３７】燃料電池４０は、固体高分子電解質の両面
にガス拡散電極を接合した電極・電解質接合体４２と、
反応ガスを供給するためのガス流路が設けられた集電体
４４とを備え、電極・電解質接合体４２の両面を集電体
４４で挟持して単電池とし、この単電池を直列に数百セ
ル積層したものである。また、ガス拡散電極には、白金
系の電極触媒が用いられている。The fuel cell 40 comprises an electrode / electrolyte assembly 42 in which gas diffusion electrodes are bonded to both sides of a solid polymer electrolyte.
And a current collector 44 provided with a gas flow path for supplying a reaction gas, and sandwiching both surfaces of the electrode / electrolyte assembly 42 with the current collector 44 to form a single cell, and the single cell is connected in series. It is a stack of 100 cells. A platinum-based electrode catalyst is used for the gas diffusion electrode.
【００３８】さらに、燃料電池４０内部には、図示はし
ないが、燃料極側及び空気極側にそれぞれ電池内保水タ
ンクが設けられ、燃料電池４０にミストとして供給され
た水、あるいは電極反応により生成した水の一部を、燃
料電池４０内部で貯留するようになっている。Further, although not shown, inside the fuel cell 40, internal water retention tanks are provided on the fuel electrode side and the air electrode side respectively, and water supplied as mist to the fuel cell 40 or generated by an electrode reaction. A part of the generated water is stored inside the fuel cell 40.
【００３９】燃料電池４０は、加湿循環装置５２を介し
て改質器システム２０に接続されており、一方のガス拡
散電極（以下、これを「燃料極」という）に、改質器シ
ステム２０で発生させた改質ガスを供給するようになっ
ている。また、燃料極の排気側には、背圧調整弁４６及
びバーナが接続されている。The fuel cell 40 is connected to the reformer system 20 via a humidification circulation device 52, and one of the gas diffusion electrodes (hereinafter, referred to as "fuel electrode") is connected to the reformer system 20. The generated reformed gas is supplied. A back pressure adjusting valve 46 and a burner are connected to the exhaust side of the fuel electrode.
【００４０】さらに、燃料電池４０は、加湿循環装置５
６を介して空気供給装置４８に接続されており、他方の
ガス拡散電極（以下、これを「空気極」という）に空気
を供給するようになっている。また、空気極の排気側に
は、背圧調整弁５０及び排気ダクトが接続されている。Further, the fuel cell 40 is provided with the humidification circulation device 5
It is connected to the air supply device 48 via 6 and supplies air to the other gas diffusion electrode (hereinafter referred to as “air electrode”). A back pressure adjusting valve 50 and an exhaust duct are connected to the exhaust side of the air electrode.
【００４１】加湿循環装置５２、５６は、それぞれ、ミ
スト加湿ユニット５３、５７と、加湿ユニット制御装置
５４、５８と、加湿水切り替え装置（切り替え制御装
置）８１、８３と、加湿タンク８０ａ、８０ｂとを備え
ている。また、加湿循環装置５２、５６には、図示はし
ないが、燃料電池の作動状況を検知し、ミスト加湿ユニ
ット５３、５７から反応ガスに添加されるミストの量を
算出するための各種の検出器、制御機器等が設けられて
いる。The humidification circulation devices 52 and 56 are respectively mist humidification units 53 and 57, humidification unit control devices 54 and 58, humidification water switching devices (switching control devices) 81 and 83, and humidification tanks 80a and 80b. Is equipped with. Although not shown, the humidification circulation devices 52 and 56 are various detectors for detecting the operating state of the fuel cell and calculating the amount of mist added to the reaction gas from the mist humidification units 53 and 57. , Control equipment, etc. are provided.
【００４２】ミスト加湿ユニット５３、５７には、それ
ぞれミスト発生器（図示せず）が備えられ、燃料電池４
０に供給される改質ガス及び空気に所定量のミストを添
加するようになっている。本実施の形態の場合、ミスト
発生器として、超音波振動子又は噴霧ノズルが用いられ
る。The mist humidifying units 53 and 57 are each provided with a mist generator (not shown), and the fuel cell 4
A predetermined amount of mist is added to the reformed gas and air supplied to zero. In the case of the present embodiment, an ultrasonic vibrator or a spray nozzle is used as the mist generator.
【００４３】超音波振動子及び噴霧ノズルは、粒径が１
〜３０μｍ程度のミストを容易に発生させることがで
き、ミスト発生のＯＮ／ＯＦＦ制御が容易であり、しか
も、水源を常時高温に維持しておく必要がなく、供給エ
ネルギーを直接加湿に利用可能であるので、ミスト発生
器として特に好適である。The ultrasonic vibrator and the spray nozzle have a particle size of 1
It is possible to easily generate mist of about 30 μm, ON / OFF control of mist generation is easy, and it is not necessary to keep the water source at a high temperature all the time, and the supplied energy can be directly used for humidification. Therefore, it is particularly suitable as a mist generator.
【００４４】また、本実施の形態の場合、燃料極側のミ
スト加湿ユニット５３には、複数個のミスト発生器が設
けられている。車載動力源用の燃料電池システムの場
合、運転中に大きな負荷変動を伴う。しかし、超音波振
動子あるいは噴霧ノズルは、ミストを供給する能力（以
下、これを「作動能力」という）の制御範囲が狭いの
で、単一のミスト発生器では、負荷変動に応じた加湿が
困難になる場合がある。In the case of this embodiment, the mist humidifying unit 53 on the fuel electrode side is provided with a plurality of mist generators. In the case of a fuel cell system for an on-vehicle power source, a large load fluctuation occurs during operation. However, since the ultrasonic oscillator or spray nozzle has a narrow control range of mist supply capability (hereinafter referred to as "operating capability"), it is difficult to humidify the mist generator with a single mist generator. May be.
【００４５】一方、ミスト加湿ユニット５３にミスト発
生器を複数個設けると、大きな負荷変動が生じた場合で
あっても、改質ガスへの加湿量を大幅に、かつ連続的に
変動させることができるので、燃料電池４０を安定して
作動させることができるという利点がある。On the other hand, if a plurality of mist generators are provided in the mist humidifying unit 53, the amount of humidification to the reformed gas can be changed significantly and continuously even if a large load change occurs. Therefore, there is an advantage that the fuel cell 40 can be operated stably.
【００４６】これに対し、空気極側のミスト加湿ユニッ
ト５７には、十分な作動能力を有する１個のミスト発生
器が設けられている。これは、空気極側には、電極反応
により生成した水と燃料極側からプロトンと共に移動し
た水が存在しているので、通常、空気極側の加湿は不要
であり、負荷変動に応じた厳密な加湿制御を行わなくて
も、燃料電池４０が安定して作動するためである。On the other hand, the mist humidifying unit 57 on the air electrode side is provided with one mist generator having a sufficient operating capacity. This is because there is water generated by the electrode reaction and water that has moved with the protons from the fuel electrode side on the air electrode side. This is because the fuel cell 40 operates stably even without performing various humidification controls.
【００４７】なお、燃料極側のミスト加湿ユニット５３
に設けられるミスト発生器の個数は、ミスト発生器の作
動能力、燃料電池４０の最大出力等を考慮して決定すれ
ばよい。また、大きな負荷変動を伴わない用途に用いら
れる燃料電池システム１０の場合には、燃料極側のミス
ト加湿ユニット５３に、十分な作動能力を有する１個の
ミスト発生器を設けるようにしてもよい。また、空気極
側のミスト加湿ユニット５７に複数個のミスト発生器を
設け、燃料電池４０の作動状況に応じて、加湿量を細か
く制御するようにしてもよい。The mist humidification unit 53 on the fuel electrode side
The number of mist generators provided in the above may be determined in consideration of the operating ability of the mist generator, the maximum output of the fuel cell 40, and the like. Further, in the case of the fuel cell system 10 used for an application that does not involve a large load change, the mist humidifying unit 53 on the fuel electrode side may be provided with one mist generator having a sufficient operating capacity. . Further, a plurality of mist generators may be provided in the mist humidification unit 57 on the air electrode side, and the humidification amount may be finely controlled according to the operating condition of the fuel cell 40.
【００４８】加湿ユニット制御装置５４、５８は、ミス
ト加湿ユニット５３、５７の動作を間欠制御するための
装置であり、各種検出機器を用いて燃料電池の電流量等
を検知し、検知された電流量等を制御パラメータとし
て、ミスト加湿ユニット５３、５７に備えられる各ミス
ト発生器の作動数、作動能力、デューティ比を制御する
ようになっている。The humidifying unit control devices 54 and 58 are devices for intermittently controlling the operation of the mist humidifying units 53 and 57, and detect the current amount of the fuel cell using various detecting devices and detect the detected current. The number of actuations, the actuation capacity, and the duty ratio of each mist generator included in the mist humidifying units 53 and 57 are controlled using the amount and the like as control parameters.
【００４９】なお、ミスト加湿ユニット５３、５７を間
欠制御すると、加湿量を大幅かつ連続的に制御できると
いう利点があるが、大きな負荷変動を伴わない燃料電池
システム１０の場合には、加湿ユニット制御装置５４、
５８を用いてミスト加湿ユニット５３、５７を連続作動
させるようにしても良い。Note that the intermittent control of the mist humidifying units 53 and 57 has an advantage that the humidifying amount can be controlled largely and continuously, but in the case of the fuel cell system 10 which does not involve a large load change, the humidifying unit control is performed. Device 54,
The mist humidifying units 53 and 57 may be continuously operated by using 58.
【００５０】加湿水切り替え装置８１、８３は、それぞ
れ、加湿タンク８０ａ、８０ｂと、燃料電池４０内に設
けられる図示しない電池内保水タンクにつながれてお
り、加湿水切り替え装置８１、８３の給水経路を切り替
えることにより、加湿タンク８０ａ、８０ｂ内の水及び
電池内保水タンク内の水のいずれか一方、あるいは双方
をミスト加湿ユニット５３、５７に供給するようになっ
ている。The humidifying water switching devices 81 and 83 are respectively connected to humidifying tanks 80a and 80b and an unillustrated in-cell water retaining tank provided in the fuel cell 40, and the water supply paths of the humidifying water switching devices 81 and 83 are connected. By switching, either or both of the water in the humidification tanks 80a and 80b and the water in the battery water retention tank are supplied to the mist humidification units 53 and 57.
【００５１】従って、加湿水切り替え装置８１、８３を
電池内保水タンク側に切り替えれば、電池内保水タンク
内に溜まった水をミスト加湿ユニット５３、５７に還流
させることができる。Therefore, by switching the humidifying water switching devices 81, 83 to the water retaining tank in the battery side, the water accumulated in the water retaining tank in the battery can be returned to the mist humidifying units 53, 57.
【００５２】なお、加湿水切り替え装置８１、８３と、
燃料極側及び空気極側にそれぞれ備えられる双方の電池
内保水タンクとを接続し、双方の電池内保水タンクに溜
まった水をミスト加湿ユニット５３、５７に還流させる
ようにしても良い。あるいは、加湿水切り替え装置８
１、８３といずれか一方の電池内保水タンクとを接続
し、一方の電池内保水タンクに溜まった水をミスト加湿
ユニット５３、５７に還流させるようにしても良い。The humidifying water switching devices 81 and 83,
You may make it connect with both the water retention tanks in a battery provided in the fuel electrode side and the air electrode side, respectively, and may make the water collect | retained in both water retention tanks in a cell recirculate to the mist humidification units 53 and 57. Alternatively, the humidifying water switching device 8
It is also possible to connect either one of the water retaining tanks 1 and 83 to the in-battery water retaining tank so that the water accumulated in one of the in-battery water retaining tanks is returned to the mist humidifying units 53 and 57.
【００５３】また、図１においては、加湿水切り替え装
置８１、８３に、それぞれ別個の加湿タンク８０ａ、８
０ｂを接続しているが、双方の加湿水切り替え装置８
１、８３に１つの加湿タンクを接続し、燃料極側及び空
気極側で加湿タンクを共有しても良い。さらに、加湿タ
ンク８０ａ、８０ｂは、常温の水を貯留するようにして
も良く、ヒータ等を設けて温水を貯留するようにしても
良い。Further, in FIG. 1, the humidifying water switching devices 81 and 83 respectively have separate humidifying tanks 80a and 80a.
0b is connected, but both humidification water switching devices 8
One humidification tank may be connected to Nos. 1 and 83, and the humidification tank may be shared by the fuel electrode side and the air electrode side. Furthermore, the humidification tanks 80a and 80b may store water at room temperature, or may be provided with a heater or the like to store hot water.
【００５４】特に、加湿タンク８０ａ、８０ｂを常温で
管理する場合には、加湿タンク８０ａ、８０ｂから供給
される冷水をミスト化することにより、反応ガスの冷却
効果が期待できる。そのため、燃料電池４０には、通
常、燃料電池の温度を最適温度に維持するための冷却装
置（図示せず）が備えられているが、その冷却装置の負
荷を軽減できるという利点がある。In particular, when the humidifying tanks 80a and 80b are controlled at room temperature, the cooling effect of the reaction gas can be expected by misting the cold water supplied from the humidifying tanks 80a and 80b. Therefore, the fuel cell 40 is usually provided with a cooling device (not shown) for maintaining the temperature of the fuel cell at the optimum temperature, but there is an advantage that the load of the cooling device can be reduced.
【００５５】また、加湿タンク８０ａ、８０ｂを常温管
理すると、加湿タンク８０ａ、８０ｂから供給される冷
水と、電池内保水タンクから還流される温水とを任意の
比率で混合することができるので、ミストの温度を任意
に調節することができ、ミストにより燃料電池４０の温
度調節を行うことができるという利点がある。When the humidifying tanks 80a and 80b are controlled at room temperature, the cold water supplied from the humidifying tanks 80a and 80b and the hot water returned from the water retaining tank in the battery can be mixed at an arbitrary ratio. The temperature of the fuel cell 40 can be adjusted arbitrarily, and the temperature of the fuel cell 40 can be adjusted by the mist.
【００５６】次に、図１に示す燃料電池システム１０の
動作について説明する。まず、水供給装置２４及びメタ
ノール供給装置２６から供給される水及びメタノールを
改質原料混合装置２８で混合して改質ガス原料とし、こ
れを改質原料蒸発装置２２に供給する。Next, the operation of the fuel cell system 10 shown in FIG. 1 will be described. First, water and methanol supplied from the water supply device 24 and the methanol supply device 26 are mixed by the reforming raw material mixing device 28 to form a reforming gas raw material, which is supplied to the reforming raw material evaporation device 22.
【００５７】改質原料蒸発装置２２では、図示しない蒸
発熱供給装置を用いて改質ガス原料に蒸発熱を与え、メ
タノール蒸気及び水蒸気の混合ガスを発生させる。発生
した混合ガスは、改質熱供給装置３２ａにより数百度に
加熱され、改質反応装置３２に送られる。改質反応装置
３２では、周知のように、次の化１の式に示す改質反応
が生じて改質ガスが発生する。In the reforming raw material vaporizer 22, the reforming gas raw material is supplied with heat of vaporization using an evaporation heat supply device (not shown) to generate a mixed gas of methanol vapor and steam. The generated mixed gas is heated to several hundred degrees by the reforming heat supply device 32a and sent to the reforming reaction device 32. As is well known, in the reforming reaction device 32, the reforming reaction represented by the following chemical formula 1 occurs and reformed gas is generated.
【００５８】[0058]
【化１】ＣＨ３ＯＨ＋（Ｓ／Ｃ）Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
２＋（Ｓ／Ｃ−１）Ｈ２ＯEmbedded image CH 3 OH + (S / C) H 2 O → 3H 2 + CO
2 + (S / C-1 ) H 2 O
【００５９】ここで、化１式中の「Ｓ／Ｃ」は、投入燃
料中の炭素モル数に対する投入水蒸気モル数の比、すな
わちＳ／Ｃ比であり、一般に、Ｓ／Ｃ比が大きくなるほ
ど、熱負荷は増加するが、改質ガス中の一酸化炭素濃度
は減少する傾向にある。そのため、通常は、Ｓ／Ｃ比の
大きな条件下で改質反応が行われている。Here, "S / C" in the chemical formula 1 is a ratio of the number of moles of water vapor to the number of moles of carbon in the input fuel, that is, the S / C ratio. Generally, the larger the S / C ratio, the greater the S / C ratio. The heat load increases, but the carbon monoxide concentration in the reformed gas tends to decrease. Therefore, the reforming reaction is usually carried out under the condition that the S / C ratio is large.
【００６０】改質反応装置３２で得られた改質ガス中に
は、シフト反応により生成した一酸化炭素が数％含まれ
ているので、次に、ＣＯ酸化装置３４において、改質ガ
ス中の一酸化炭素の選択酸化を行う。Since the reformed gas obtained by the reforming reaction device 32 contains several% of carbon monoxide produced by the shift reaction, the CO oxidizing device 34 next removes carbon monoxide from the reformed gas. Selective oxidation of carbon monoxide is performed.
【００６１】一酸化炭素の選択酸化は、空気供給装置３
６から、改質ガス中の一酸化炭素濃度の約２倍の酸素量
に相当する空気を改質ガスに供給し、冷却装置３４ａに
よりＣＯ酸化装置３４の温度を一定に保ちながら、一酸
化炭素を酸化除去することにより行われる。これによ
り、改質ガス中の一酸化炭素濃度が数十ｐｐｍ以下まで
減少する。The selective oxidation of carbon monoxide is performed by the air supply device 3
6, the air corresponding to the oxygen amount about twice as much as the carbon monoxide concentration in the reformed gas is supplied to the reformed gas, and while the temperature of the CO oxidation device 34 is kept constant by the cooling device 34a, the carbon monoxide is reduced. Is removed by oxidation. As a result, the carbon monoxide concentration in the reformed gas is reduced to several tens of ppm or less.
【００６２】得られた改質ガスは、次に加湿循環装置５
２のミスト加湿ユニット５３に送られる。ミスト加湿ユ
ニット５３では、加湿水切り替え装置８１を用いて、図
示しない電池内保水タンク及び／又は加湿タンク８０ａ
から供給される水がミスト発生器によりミスト化され、
改質ガス中に添加される。燃料極側の加湿量の制御は、
後述するように、複数個設けられたミスト発生器の作動
数、作動能力、及びデューティ比を加湿ユニット制御装
置５４を用いて間欠制御することにより行われる。The obtained reformed gas is then fed to the humidification circulation device 5
2 is sent to the mist humidification unit 53. In the mist humidifying unit 53, the humidifying water switching device 81 is used, and the water retention tank in the battery and / or the humidifying tank 80a (not shown) are used.
The water supplied from the mist is turned into mist by the mist generator,
It is added to the reformed gas. To control the amount of humidification on the fuel electrode side,
As will be described later, the operation is performed by intermittently controlling the number of actuations, the actuation capacity, and the duty ratio of a plurality of mist generators using the humidifying unit controller 54.
【００６３】同様に、空気供給装置４８から供給される
空気は、加湿循環装置５６のミスト加湿ユニット５７送
られる。ミスト加湿ユニット５７では、加湿水切り替え
装置８３を用いて、図示しない電池内保水タンク及び／
又は加湿タンク８０ｂから供給される水がミスト発生器
によりミスト化され、空気中に添加される。空気極側の
加湿量の制御は、ミスト発生器の作動能力及びデューテ
ィ比を加湿ユニット制御装置５８を用いて間欠制御する
ことにより行われる。Similarly, the air supplied from the air supply device 48 is sent to the mist humidification unit 57 of the humidification circulation device 56. In the mist humidifying unit 57, the humidifying water switching device 83 is used, and a water retention tank and /
Alternatively, the water supplied from the humidification tank 80b is made into mist by the mist generator and added to the air. The humidifying amount on the air electrode side is controlled by intermittently controlling the operating capacity and duty ratio of the mist generator using the humidifying unit controller 58.
【００６４】所定量のミストが添加された改質ガス及び
空気が燃料電池４０に供給されると、燃料極側で発生し
たプロトンが空気極側に移動し、空気極側の酸素と反応
して水が生成する。また、プロトンが空気極側に移動す
ることにより電位差が発生し、発生した電位差は、集電
体４４を介して電気出力として外部に取り出される。When the reformed gas to which a predetermined amount of mist is added and the air are supplied to the fuel cell 40, the protons generated on the fuel electrode side move to the air electrode side and react with oxygen on the air electrode side. Water is produced. Further, a potential difference is generated by the movement of the protons to the air electrode side, and the generated potential difference is taken out as an electric output through the current collector 44.
【００６５】さらに、反応ガス中に添加されたミスト
は、直接、あるいは電池内部の熱を吸収して水蒸気とな
り、電極・電解質接合体４２に達する。また、電極・電
解質接合体４２に達した水分は、ガス拡散電極を通って
電解質膜に吸収される。これにより、電解質膜の含水率
が所定の値に維持される。Further, the mist added to the reaction gas reaches the electrode / electrolyte bonded body 42 either directly or by absorbing heat inside the battery to become water vapor. Further, the water that has reached the electrode / electrolyte assembly 42 is absorbed by the electrolyte membrane through the gas diffusion electrode. Thereby, the water content of the electrolyte membrane is maintained at a predetermined value.
【００６６】燃料極側から排出されるガスは、背圧調整
弁４６で圧力を下げた後、バーナに送られ、排ガス中に
残留する水素が燃焼除去される。また、空気極側から排
出されるガスは、同じく背圧調整弁５０で圧力を下げた
後、排気ダクトから排出される。そして、燃料電池４０
が停止するまで、以上のようなプロセスが繰り返される
ものである。The gas discharged from the fuel electrode side is sent to the burner after the pressure is reduced by the back pressure adjusting valve 46, and hydrogen remaining in the exhaust gas is burned and removed. Further, the gas discharged from the air electrode side is also discharged from the exhaust duct after the pressure is similarly reduced by the back pressure adjusting valve 50. And the fuel cell 40
The above process is repeated until is stopped.
【００６７】なお、図１に示す燃料電池システム１０に
おいては、燃料極側のミスト加湿ユニット５３をＣＯ酸
化装置３４と燃料電池４０の間に設ける構成としている
が、燃料極側のミスト加湿ユニット５３を改質反応装置
３２とＣＯ酸化装置３４の間に設けるようにしてもよ
い。In the fuel cell system 10 shown in FIG. 1, the fuel electrode side mist humidifying unit 53 is provided between the CO oxidation device 34 and the fuel cell 40. However, the fuel electrode side mist humidifying unit 53 is provided. May be provided between the reforming reaction device 32 and the CO oxidation device 34.
【００６８】燃料極側のミスト加湿ユニット５３を改質
反応装置３２とＣＯ酸化装置３４の間に設けると、改質
反応装置３２から供給される改質ガスがミスト添加によ
り冷却され、冷却された改質ガスがＣＯ酸化装置３４に
供給される。そのため、冷却装置３４ａの負荷が小さく
なり、エネルギー効率が向上するという利点がある。When the mist humidifying unit 53 on the fuel electrode side is provided between the reforming reaction device 32 and the CO oxidation device 34, the reformed gas supplied from the reforming reaction device 32 is cooled and cooled by the addition of mist. The reformed gas is supplied to the CO oxidation device 34. Therefore, there is an advantage that the load of the cooling device 34a is reduced and the energy efficiency is improved.
【００６９】次に、加湿循環装置５２、５６の加湿量の
制御方法について説明する。本発明における加湿量の制
御は、基本的には、ミスト加湿ユニット５３、５７に備
えられるミスト発生器のＯＮ／ＯＦＦ動作を所定の周期
で繰り返す間欠制御により行う。Next, a method of controlling the humidification amounts of the humidification circulation devices 52 and 56 will be described. The control of the amount of humidification in the present invention is basically performed by intermittent control in which the ON / OFF operation of the mist generator provided in the mist humidifying units 53 and 57 is repeated at a predetermined cycle.
【００７０】また、燃料極側と空気極側では、加湿の目
的が異なることから、燃料極側の加湿量と空気極側の加
湿量とは、個別に制御される。この点、改質ガスへの加
湿量と空気への加湿量を同一とし、改質ガス及び空気へ
の総加湿量のみを制御する従来の加湿装置とは異なるも
のである。Since the fuel electrode side and the air electrode side have different purposes of humidification, the humidification amount on the fuel electrode side and the humidification amount on the air electrode side are individually controlled. In this respect, this is different from the conventional humidifying device in which the amount of humidification to the reformed gas and the amount of humidification to the air are the same and only the total amount of humidification to the reformed gas and air is controlled.
【００７１】初めに、燃料極側の加湿循環装置５２の制
御方法について説明する。燃料電池４０が作動中は、プ
ロトンが燃料極側から空気極側に移動する際、水分子も
同時に空気極側に移動するので、燃料極側は、特に水分
量が不足する傾向にある。燃料極側への加湿は、このプ
ロトン移動により不足する水分量の供給を目的とするも
のである。First, a method of controlling the humidification circulation device 52 on the fuel electrode side will be described. During operation of the fuel cell 40, when the protons move from the fuel electrode side to the air electrode side, water molecules also move to the air electrode side at the same time, so that the fuel electrode side tends to have a particularly shortage of water content. Humidification on the fuel electrode side is intended to supply the amount of water that is insufficient due to this proton transfer.
【００７２】水分子の移動量は、プロトン移動量、すな
わち電流量に比例するので、加湿量を一定にしたまま燃
料電池４０を高電流密度領域で作動させると、燃料極側
への供給水分量が相対的に不足する。Since the amount of movement of water molecules is proportional to the amount of proton movement, that is, the amount of current, when the fuel cell 40 is operated in the high current density region with the amount of humidification kept constant, the amount of water supplied to the fuel electrode side is increased. Is relatively short.
【００７３】燃料極側への供給水分量が不足すると、電
解質膜中の水分量不足を招き、電解質膜の抵抗増加及び
電圧低下を引き起こす。さらに、水分量が不足した場合
には、電池故障の原因となる。When the amount of water supplied to the fuel electrode side is insufficient, the amount of water in the electrolyte membrane becomes insufficient, which causes an increase in resistance of the electrolyte membrane and a decrease in voltage. Furthermore, when the amount of water is insufficient, it causes a battery failure.
【００７４】また、燃料電池４０を改質器システム２０
と結合させた燃料電池システム１０においては、通常
は、一酸化炭素濃度の低い改質ガスが安定して得られる
Ｓ／Ｃ比の高い条件下で改質反応が行われている。しか
し、例えば出力増加のために燃料供給量を急激に増加さ
せたい時などの改質過渡反応時には、改質ガス原料中の
水熱容量を小さくするために、意図的にＳ／Ｃ比を下げ
る場合がある。Further, the fuel cell 40 is connected to the reformer system 20.
In the fuel cell system 10 combined with the fuel cell system 10, the reforming reaction is usually carried out under the condition of high S / C ratio that can stably obtain the reformed gas of low carbon monoxide concentration. However, when the S / C ratio is intentionally lowered in order to reduce the hydrothermal capacity in the reformed gas raw material during the reforming transient reaction, for example, when the fuel supply amount is to be rapidly increased to increase the output. There is.
【００７５】これは、改質過渡反応時に、高Ｓ／Ｃ比に
維持したまま改質反応装置に大量の改質ガス原料を供給
すると、熱量が不足し、改質ガス原料を改質反応に適し
た温度まで加熱することができないためである。This is because when a large amount of the reformed gas raw material is supplied to the reforming reactor while maintaining a high S / C ratio during the reforming transient reaction, the calorific value becomes insufficient and the reformed gas raw material is used for the reforming reaction. This is because it cannot be heated to a suitable temperature.
【００７６】しかしながら、改質反応のＳ／Ｃ比を下げ
た場合には、化１の式に示すように、同時に改質ガス中
に含まれる水蒸気量も少なくなる。そのため、電流量の
みでミストによる加湿量を制御すると、燃料極側に供給
される総加湿量が不足し、電圧低下や故障の原因とな
る。However, when the S / C ratio of the reforming reaction is lowered, the amount of water vapor contained in the reformed gas also decreases at the same time, as shown in the formula (1). Therefore, if the amount of humidification by the mist is controlled only by the amount of current, the total amount of humidification supplied to the fuel electrode side becomes insufficient, which causes a voltage drop and a failure.
【００７７】従って、燃料極側は、燃料電池４０の作動
状態、特に電流量に応じて加湿量を加減し、ミストを過
不足なく供給することが重要である。また、燃料電池４
０を改質器システム２０と結合させる場合には、電流量
に加え、改質反応のＳ／Ｃ比に応じて、加湿量を調節す
ることが重要である。Therefore, on the fuel electrode side, it is important to adjust the amount of humidification according to the operating state of the fuel cell 40, in particular the amount of current, and supply the mist without excess or deficiency. In addition, the fuel cell 4
When 0 is combined with the reformer system 20, it is important to adjust the amount of humidification according to the S / C ratio of the reforming reaction in addition to the amount of current.
【００７８】そこで、本実施の形態では、負荷変動、あ
るいはＳ／Ｃ比の変動に応じて、加湿量を、連続的かつ
大幅に増減できるよう、燃料極側のミスト加湿ユニット
５３には、複数のミスト発生器が備えられている。ま
た、加湿量の制御は、各ミスト発生器の作動数、作動能
力及びデューティ比を制御することにより行う。Therefore, in the present embodiment, a plurality of mist humidifying units 53 on the fuel electrode side are provided in the mist humidifying unit 53 so that the humidifying amount can be continuously and significantly increased or decreased according to the load change or the S / C ratio change. Is equipped with a mist generator. The amount of humidification is controlled by controlling the number of actuations, actuation capacity, and duty ratio of each mist generator.
【００７９】例えば、ミスト発生器の作動数及び作動能
力を一定に保った状態で、各ミスト発生器のデューティ
比を個別に制御すれば、各ミスト発生器は、作動状態
（ＯＮ）と停止状態（ＯＦＦ）を間欠的に繰り返すだけ
であるが、デューティ比の大きなミスト発生器の数が多
くなるほど加湿量は増大する。従って、デューティ比の
異なるミスト発生器を間欠作動させるだけでも、系全体
の加湿量を連続的に変化させることができる。For example, if the duty ratio of each mist generator is individually controlled while the number of actuations and actuation ability of the mist generators are kept constant, each mist generator will be in the operating state (ON) and the stopped state. Although (OFF) is only repeated intermittently, the humidification amount increases as the number of mist generators having a large duty ratio increases. Therefore, the humidification amount of the entire system can be continuously changed only by intermittently operating the mist generators having different duty ratios.
【００８０】さらにデューティ比を制御することに加
え、ミスト発生器の作動数及び作動能力を燃料電池の作
動状況に応じて変化させれば、作動能力の制御範囲が小
さいミスト発生器を使用する場合であっても、改質ガス
への加湿量を、連続的かつ大幅に変化させることができ
る。In addition to controlling the duty ratio, if the number of operations and the operating capacity of the mist generator are changed according to the operating conditions of the fuel cell, a mist generator with a small operating capacity control range is used. Even in this case, the amount of humidification to the reformed gas can be continuously and significantly changed.
【００８１】これにより、車載動力源用の燃料電池シス
テムのように、大幅な負荷変動を伴う場合であっても、
燃料電池システムを安定して作動させることが可能とな
る。また、改質器システムを用いる燃料電池システムに
おいて、Ｓ／Ｃ比が変動した場合も同様であり、各ミス
ト発生器の作動数、作動能力、デューティ比を個別に制
御することにより、Ｓ／Ｃ比の変動に対応してミストを
過不足なく添加すれば、燃料電池システムを安定して作
動させることが可能となる。As a result, even in the case where a large load change is involved as in a fuel cell system for an on-vehicle power source,
It is possible to operate the fuel cell system stably. Further, in the fuel cell system using the reformer system, the same is true when the S / C ratio changes, and the S / C ratio can be controlled by individually controlling the number of actuations, the actuation capacity, and the duty ratio of each mist generator. The fuel cell system can be stably operated by adding mist in an appropriate amount according to the change in the ratio.
【００８２】この場合、負荷変動に伴う燃料極側の加湿
量を決定するパラメータとしては、電流量、水素消費
量、水素供給量等を用いることができる。具体的には、
パラメータとして水素消費量を用い、プロトン移動及び
バックリフュージョンを考慮して、水素消費量に比例し
てミストによる加湿量を加減するとよい。In this case, the amount of current, the amount of hydrogen consumed, the amount of hydrogen supplied, etc. can be used as parameters for determining the amount of humidification on the fuel electrode side due to load fluctuation. In particular,
It is advisable to use the hydrogen consumption amount as a parameter, and to adjust the humidification amount by the mist in proportion to the hydrogen consumption amount in consideration of proton transfer and back diffusion.
【００８３】また、Ｓ／Ｃ比が変動する場合には、電流
量、水素消費量又は水素供給量をパラメータに用いて、
改質ガスへの総加湿量を算出し、さらに、電流変化速度
及び電流量（水素供給量）を用いて、改質反応による水
蒸気量とミストによる加湿量の和が総加湿量に一致する
ように、加湿量の分配比率を決定するとよい。When the S / C ratio fluctuates, the current amount, hydrogen consumption amount or hydrogen supply amount is used as a parameter,
Calculate the total amount of humidification to the reformed gas, and also use the current change rate and the amount of current (hydrogen supply amount) so that the sum of the amount of steam due to the reforming reaction and the amount of humidification due to mist matches the total amount of humidification. First, the distribution ratio of the humidification amount may be determined.
【００８４】一般的には、電流変化速度が大きくなるほ
ど、Ｓ／Ｃ比を小さくし、ミストによる加湿量を増加さ
せるとよい。Ｓ／Ｃ比を小さくすると、改質ガス原料の
熱容量が小さくなるので、改質原料蒸発装置２２の温度
が低い場合であっても改質ガス原料の昇温時間を短縮で
きる。そのため、急激な負荷変動があっても、大量の燃
料を迅速に供給でき、燃料電池４０を安定して作動させ
ることができる。Generally, it is better to decrease the S / C ratio and increase the amount of humidification by mist as the current changing speed increases. When the S / C ratio is reduced, the heat capacity of the reformed gas raw material is reduced, so that the temperature rising time of the reformed gas raw material can be shortened even when the temperature of the reforming raw material evaporator 22 is low. Therefore, even if there is a sudden load change, a large amount of fuel can be quickly supplied, and the fuel cell 40 can be operated stably.
【００８５】また、電流量が多くなるほど、Ｓ／Ｃ比を
小さくし、ミストによる加湿量を増加させるとよい。Ｓ
／Ｃ比を小さくすることにより、改質ガス原料の熱容量
が小さくなるので、熱負荷が同一であっても改質ガス原
料の供給量を増加させることができる。As the amount of current increases, the S / C ratio may be reduced and the amount of humidification by mist may be increased. S
By reducing the / C ratio, the heat capacity of the reformed gas raw material is reduced, so that the supply amount of the reformed gas raw material can be increased even if the heat load is the same.
【００８６】そのため、改質原料蒸発装置２２に備えら
れる蒸発熱供給装置の蒸発能力に制約がある場合であっ
ても、改質反応装置３２に多量の改質ガス原料を供給す
ることができ、燃料電池４０を高電流密度領域で安定し
て作動させることができる。Therefore, a large amount of reformed gas raw material can be supplied to the reforming reaction device 32 even if the evaporation capacity of the evaporation heat supply device provided in the reforming raw material evaporation device 22 is limited, The fuel cell 40 can be stably operated in the high current density region.
【００８７】なお、大きな負荷変動を伴わない用途に用
いられる燃料電池システム１０の場合には、燃料極側の
ミスト加湿ユニット５３の各ミスト発生器を連続作動さ
せると共に、作動数及び／又は作動能力のみを制御する
ことにより、加湿量を増減させるようにしても良い。Incidentally, in the case of the fuel cell system 10 used for the application which does not involve a large load fluctuation, each mist generator of the mist humidification unit 53 on the fuel electrode side is continuously operated, and the number of operations and / or the operation capacity are The humidification amount may be increased or decreased by controlling only this.
【００８８】次に、空気極側の加湿循環装置５６の制御
方法について説明する。空気極側への加湿は、始動時、
乾燥状態にある電解質膜を速やかに加湿し、プロトンの
スムーズな移動を補助することを目的とする。これは、
燃料電池４０が停止している場合には、通常、電解質膜
は乾燥状態にあるが、電解質膜が乾燥していると、燃料
電池４０は、安定して始動しないためである。Next, a method of controlling the humidification circulation device 56 on the air electrode side will be described. Humidification on the air electrode side is
The purpose is to quickly humidify the electrolyte membrane in a dry state to assist smooth movement of protons. this is,
This is because when the fuel cell 40 is stopped, the electrolyte membrane is usually in a dry state, but when the electrolyte membrane is dry, the fuel cell 40 does not start stably.
【００８９】また、安定作動時は、空気極側では電極反
応により水が生成するため、加湿は不要である。むし
ろ、高電流密度状態や供給ガス不足状態において、空気
極側を加湿すると、生成水と供給加湿水及びガスの排出
能力とのバランスによりフラッディングが発生する場合
がある。フラッディングは、流路に発生した液体水によ
りガス閉塞を起こす現象であるが、ガス閉塞は、積層ス
タックの一部に発生するため、局所的に電池出力を低下
させる原因となる。Further, at the time of stable operation, humidification is not necessary because water is produced by electrode reaction on the air electrode side. Rather, when the air electrode side is humidified in a high current density state or a supply gas shortage state, flooding may occur due to the balance between the generated water and the supply humidification water and gas discharge capacity. Flooding is Ru phenomenon der causing gas blockage by liquid water generated in the flow channel, gas occlusion, for generating a part of the laminated stack, it causes a reduction in the locally battery output.
【００９０】一方、高電流密度状態や供給ガス不足状態
では、内部発熱（発電ロス）により空気極側が乾燥傾向
を示すことがある。この場合に適切な処置を行わない
と、抵抗増加や電圧低下を引き起こし、さらに進むと電
池故障の原因となる。On the other hand, in a high current density state or a supply gas shortage state, the air electrode side may show a drying tendency due to internal heat generation (power generation loss). In this case, if appropriate measures are not taken, resistance increase or voltage drop may occur, and further progress may cause battery failure.
【００９１】従って、空気極側は、始動時には大量の加
湿水分を供給し、電解質膜の湿潤を短時間で確保するこ
とが重要である。また、フラッディングを抑制するため
には、安定作動時には空気極側の加湿を行わず、空気極
側に存在する水の気化除去を促進することが重要であ
る。さらに、電極乾燥時には、空気極側に適切な加湿補
給を行うことが重要となる。Therefore, it is important for the air electrode side to supply a large amount of humidified water at the time of start-up to ensure the wetting of the electrolyte membrane in a short time. Further, in order to suppress flooding, it is important not to perform humidification on the air electrode side during stable operation, but to promote vaporization and removal of water existing on the air electrode side. Further, when the electrodes are dried, it is important to perform appropriate humidification and replenishment on the air electrode side.
【００９２】そこで、本実施の形態では、必要な時に十
分な加湿が速やかに行えるよう、空気極側のミスト加湿
ユニット５７には、十分な作動能力を有する１個のミス
ト発生器が備えられている。また、加湿量の制御は、ミ
スト発生器の作動能力及びデューティ比を制御すること
により行う。Therefore, in the present embodiment, the mist humidifying unit 57 on the air electrode side is provided with one mist generator having a sufficient actuation capacity so that sufficient humidification can be performed quickly when necessary. There is. The amount of humidification is controlled by controlling the operating capacity and duty ratio of the mist generator.
【００９３】すなわち、始動時は、電解質膜が乾燥して
いるので、始動と同時にミスト発生器を連続作動、ある
いは高デューティ比、高作動能力で作動させ、電解質膜
に多量の加湿水分を短時間で供給すればよい。これによ
り、始動時における電解質膜の乾燥状態が短時間で解消
され、燃料電池４０の始動性が向上する。That is, at the time of start-up, since the electrolyte membrane is dry, the mist generator is continuously operated at the same time as the start-up, or the mist generator is operated with a high duty ratio and a high operation capacity, and a large amount of moistened water is supplied to the electrolyte membrane for a short time. Can be supplied at. As a result, the dry state of the electrolyte membrane at the time of starting is eliminated in a short time, and the startability of the fuel cell 40 is improved.
【００９４】また、燃料電池４０の安定作動時には、電
極反応により水が生成しており、加湿は不要であるの
で、ミスト発生器を停止させればよい。また、高電流密
度状態等、空気極側が乾燥傾向にある場合にのみミスト
発生器を作動させ、加湿量の増減は、デューティ比及び
作動能力を調節することにより行えばよい。Further, when the fuel cell 40 operates stably, water is generated by the electrode reaction and humidification is unnecessary, so the mist generator may be stopped. Further, the mist generator may be operated only when the air electrode side is in a dry tendency such as in a high current density state, and the humidification amount may be increased or decreased by adjusting the duty ratio and the operating capacity.
【００９５】これにより、安定作動時には、空気極流路
内での水の気化除去が促進され、フラッディングを防止
することができる。また、高電流密度状態や供給ガス不
足状態では、電解質膜の乾燥に起因する電圧低下が抑制
され、燃料電池システムを安定して作動させることが可
能となる。As a result, during stable operation, vaporization and removal of water in the air electrode passage is promoted, and flooding can be prevented. Further, in the high current density state or the supply gas shortage state, the voltage drop due to the drying of the electrolyte membrane is suppressed, and the fuel cell system can be stably operated.
【００９６】この場合、空気極側の加湿量を決定するパ
ラメータとしては、電解質膜中の含水率を用いるとよ
い。含水率は、電池セル抵抗、作動温度、電流条件等を
用いて算出する。そして、電解質膜中の含水率が、ある
「しきい値」より小さくなった場合にはミスト発生器を
作動させ、含水率が「しきい値」以上である場合にはミ
スト発生器を停止させればよい。また、含水率としきい
値との差が大きくなるほど、デューティ比及び／又は作
動能力を大きくし、単位時間当たりの加湿量を大きくす
ると良い。In this case, the water content in the electrolyte membrane may be used as the parameter for determining the amount of humidification on the air electrode side. The water content is calculated using battery cell resistance, operating temperature, current conditions, and the like. Then, when the water content in the electrolyte membrane becomes smaller than a certain "threshold value", the mist generator is activated, and when the water content is more than the "threshold value", the mist generator is stopped. Just do it. Further, the larger the difference between the water content and the threshold value, the larger the duty ratio and / or the operating capacity, and the larger the humidification amount per unit time.
【００９７】以上のように、燃料極側の加湿量と空気極
側の加湿量を分離制御すると同時に、ミスト加湿ユニッ
ト５２、５６を間欠作動させれば、燃料電池の始動性、
作動安定性の向上を図ることができる。As described above, if the humidifying amount on the fuel electrode side and the humidifying amount on the air electrode side are separately controlled, and at the same time the mist humidifying units 52 and 56 are intermittently operated, the startability of the fuel cell,
It is possible to improve the operational stability.
【００９８】また、燃料極側及び空気極側ともに、加湿
が必要となったときにのみ、ミスト発生器を作動させれ
ばよいので、ミスト加湿ユニット５３、５７の総作動時
間が短縮され、低消費動力化を図ることが可能となる。Further, since it is sufficient to operate the mist generator on both the fuel electrode side and the air electrode side only when humidification is required, the total operating time of the mist humidifying units 53, 57 is shortened, and the mist humidifying units 53, 57 can be operated at a low level. It becomes possible to achieve power consumption.
【００９９】さらに、ミスト加湿ユニット５２、５６を
間欠作動させることにより、加湿量を大幅に可変できる
ので、安全率を見込んで加湿量を過剰にする必要がな
い。そのため、加湿水の保水量を最小にすることがで
き、燃料電池システム１０全体を小型化することができ
る。Further, by intermittently operating the mist humidifying units 52 and 56, the humidification amount can be greatly changed, so that it is not necessary to make the humidification amount excessive in consideration of the safety factor. Therefore, the amount of moisturizing water retained can be minimized, and the entire fuel cell system 10 can be downsized.
【０１００】次に、加湿循環装置５２、５７に備えられ
るミスト加湿ユニット５３、５７への水の供給方法につ
いて、具体的に説明する。図２は、本発明に係る加湿循
環装置５２、５６を備えた燃料電池システム１０のブロ
ック構成図である。Next, a method of supplying water to the mist humidifying units 53, 57 provided in the humidifying circulation devices 52, 57 will be specifically described. FIG. 2 is a block configuration diagram of the fuel cell system 10 including the humidification circulation devices 52 and 56 according to the present invention.
【０１０１】図２に示す燃料電池システム１０におい
て、燃料電池４０内部には、電池内保水タンク４０ａ、
４０ｂが設けられ、それぞれ、燃料極側及び空気極側で
生成した水を貯留できるようになっている。In the fuel cell system 10 shown in FIG. 2, inside the fuel cell 40, an in-cell water retention tank 40a,
40b are provided so that water generated on the fuel electrode side and the water generated on the air electrode side can be stored respectively.
【０１０２】また、燃料極側の加湿循環装置５２は、ミ
スト加湿ユニット５３、加湿ユニット制御装置５４、加
湿量算出装置６３、加湿タンク８０、加湿水切り替え装
置８１及び加湿水供給装置８２を備えている。The fuel electrode side humidification circulation device 52 is provided with a mist humidification unit 53, a humidification unit control device 54, a humidification amount calculation device 63, a humidification tank 80, a humidification water switching device 81 and a humidification water supply device 82. There is.
【０１０３】加湿水切り替え装置８１は、加湿タンク８
０、燃料極側の電池内保水タンク（以下、単に「燃料極
保水タンク」という）４０ａ、及び空気極側の電池保水
タンク（以下、単に「空気極保水タンク」という）４０
ｂに接続されており、これらのタンクの内、いずれか１
以上のタンクに蓄えられた水を加湿水供給装置８２を介
して、ミスト加湿ユニット５３に供給できるようになっ
ている。The humidifying water switching device 81 is used in the humidifying tank 8
0, a fuel electrode side water retention tank (hereinafter simply referred to as "fuel electrode water retention tank") 40a, and an air electrode side battery water retention tank (hereinafter simply referred to as "air electrode water retention tank") 40
one of these tanks connected to b
The water stored in the above tank can be supplied to the mist humidifying unit 53 via the humidifying water supply device 82.
【０１０４】従って、加湿水切り替え装置８１に燃料極
保水タンク４０ａ及び／又は空気極保水タンク４０ｂを
接続すれば、燃料電池４０内の温水をミスト加湿ユニッ
ト５３に還流させることができる。また、本実施の形態
の場合、加湿タンク８０は、常温で管理されているの
で、加湿水切り替え装置８１に、加湿タンク８０を接続
すれば、ミスト加湿ユニット５３に、常温に管理された
冷水を供給することができる。Therefore, by connecting the fuel electrode water retention tank 40a and / or the air electrode water retention tank 40b to the humidification water switching device 81, the hot water in the fuel cell 40 can be returned to the mist humidification unit 53. Further, in the case of the present embodiment, since the humidifying tank 80 is controlled at room temperature, if the humidifying tank 80 is connected to the humidifying water switching device 81, the mist humidifying unit 53 will be supplied with the cold water controlled at normal temperature. Can be supplied.
【０１０５】さらに、加湿水切り替え装置８１に、加湿
タンク８０と燃料極保水タンク４０ａ及び／又は空気極
保水タンク４０ｂの双方を接続すれば、常温に管理され
た加湿タンク８０内の冷水と、燃料電池４０から排出さ
れる温水とを任意の比率で混合し、混合された水をミス
ト加湿ユニット５３に供給することができる。Further, by connecting both the humidifying tank 80 and the fuel electrode water retaining tank 40a and / or the air electrode water retaining tank 40b to the humidifying water switching device 81, the cold water in the humidifying tank 80 maintained at room temperature and the fuel The warm water discharged from the battery 40 can be mixed at an arbitrary ratio, and the mixed water can be supplied to the mist humidification unit 53.
【０１０６】また、空気極側の加湿循環装置５６は、ミ
スト加湿ユニット５７、加湿ユニット制御装置５８、加
湿量算出装置７５、加湿タンク８０、加湿水切り替え装
置８３、及び加湿水供給装置８４を備えており、燃料極
側の加湿装置５２とは、加湿タンク８０を共有する構成
になっている。Further, the humidification circulation device 56 on the air electrode side comprises a mist humidification unit 57, a humidification unit control device 58, a humidification amount calculation device 75, a humidification tank 80, a humidification water switching device 83, and a humidification water supply device 84. Therefore, the humidifying tank 80 is shared with the humidifying device 52 on the fuel electrode side.
【０１０７】加湿水切り替え装置８３は、加湿タンク８
０、及び空気極保水タンク４０ｂに接続されており、こ
れらのタンクの内、いずれか１以上のタンクに蓄えられ
た水を加湿水供給装置８４を介して、ミスト加湿ユニッ
ト５７に供給できるようになっている。The humidifying water switching device 83 is used in the humidifying tank 8
0, and is connected to the air electrode water retention tank 40b so that the water stored in any one or more of these tanks can be supplied to the mist humidification unit 57 via the humidification water supply device 84. Has become.
【０１０８】従って、加湿水切り替え装置８３に空気極
保水タンク４０ｂを接続すれば、燃料電池４０内の温水
をミスト加湿ユニット５７に還流させることができ、加
湿水切り替え装置８３に加湿タンク８０を接続すれば、
ミスト加湿ユニット５３に、冷水を供給することができ
る。また、加湿水切り替え装置８３に、加湿タンク８０
と空気極保水タンク４０ｂの双方を接続すれば、冷水と
温水とを任意の比率でミスト加湿ユニット５７に供給す
ることができる。Therefore, by connecting the air electrode water storage tank 40b to the humidifying water switching device 83, the hot water in the fuel cell 40 can be returned to the mist humidifying unit 57, and the humidifying tank 80 can be connected to the humidifying water switching device 83. if,
Cold water can be supplied to the mist humidification unit 53. In addition, the humidifying water switching device 83 is connected to the humidifying tank 80.
By connecting both the air electrode water retention tank 40b and the cold water retention tank 40b, cold water and hot water can be supplied to the mist humidifying unit 57 at an arbitrary ratio.
【０１０９】次に、始動時におけるミスト加湿ユニット
５３、５７への水の供給手順について説明する。まず、
燃料電池システム１０の制御を開始した直後は、図２に
示すように、燃料極側の加湿水切り替え装置８１及び空
気極側の加湿水切り替え装置８２に加湿タンク８０を接
続し、加湿タンク８０内の水が、加湿水供給装置８２及
び８４を介して、それぞれミスト加湿ユニット５３及び
５７に供給される状態にする。Next, a procedure for supplying water to the mist humidifying units 53 and 57 at the time of starting will be described. First,
Immediately after the control of the fuel cell system 10 is started, as shown in FIG. 2, the humidifying tank 80 is connected to the humidifying water switching device 81 on the fuel electrode side and the humidifying water switching device 82 on the air electrode side. The water is supplied to the mist humidifying units 53 and 57 via the humidifying water supply devices 82 and 84, respectively.
【０１１０】次いで、燃料極側に設けられた水素量制御
装置６５により、指示された出力を得るために必要な水
素量（以下、これを「必要水素流量という」）に相当す
る燃料ガスがミスト加湿ユニット５３に供給される。Next, the amount of hydrogen gas required to obtain the instructed output (hereinafter, referred to as "required hydrogen flow rate") is misted by the hydrogen amount control device 65 provided on the fuel electrode side. It is supplied to the humidifying unit 53.
【０１１１】加湿量算出装置６３では、水素量制御装置
６５から供給される必要水素流量に基づき、プロトン移
動及びバックリフュージョンを考慮し、水素消費量に比
例した加湿水分量を算出する。算出された加湿水分量
は、加湿装置５２の加湿ユニット制御装置５４に出力さ
れる。なお、水素供給源として、図１に示す改質器シス
テム２０を用いる場合には、加湿水分量の算出に際し、
改質反応のＳ／Ｃ比を考慮するとよい。In the humidifying amount calculating device 63, the humidifying water amount proportional to the hydrogen consumption amount is calculated on the basis of the required hydrogen flow rate supplied from the hydrogen amount controlling device 65 in consideration of the proton transfer and the back refusion. The calculated amount of humidified water is output to the humidifying unit controller 54 of the humidifying device 52. When the reformer system 20 shown in FIG. 1 is used as the hydrogen supply source, when calculating the humidified water content,
It is advisable to consider the S / C ratio of the reforming reaction.
【０１１２】加湿ユニット制御装置５４では、加湿量算
出装置６３で算出された加湿水分量に相当するミストが
燃料ガスに供給されるよう、ミスト加湿ユニット５３に
備えられるミスト発生器の作動数、作動能力及びデュー
ティ比を決定する。In the humidifying unit controller 54, the number of mist generators and the operation of the mist generator provided in the mist humidifying unit 53 are adjusted so that the mist corresponding to the amount of humidifying water calculated by the humidifying amount calculator 63 is supplied to the fuel gas. Determine capability and duty ratio.
【０１１３】ミスト加湿ユニット５３では、加湿ユニッ
ト制御装置５４で決定された作動数、作動能力及びデュ
ーティ比に従って各ミスト発生器を作動させる。そし
て、加湿タンク８０から供給される冷水をミスト化し、
発生したミストを、燃料ガスと共に燃料電池４０の燃料
極側に供給する。In the mist humidifying unit 53, each mist generator is operated in accordance with the number of operations, operating capacity and duty ratio determined by the humidifying unit controller 54. Then, the cold water supplied from the humidification tank 80 is converted into a mist,
The generated mist is supplied to the fuel electrode side of the fuel cell 40 together with the fuel gas.
【０１１４】一方、空気極側に設けられた空気量制御装
置７１では、指示された出力を得るために必要な空気流
量（以下、これを「必要空気流量」という）に相当する
空気を加湿装置５６のミスト加湿ユニット５７に供給す
る。On the other hand, in the air amount control device 71 provided on the air electrode side, the humidifying device supplies air corresponding to the air flow rate required for obtaining the instructed output (hereinafter, referred to as "required air flow rate"). The mist humidification unit 57 of 56 is supplied.
【０１１５】ミスト加湿ユニット５７では、加湿タンク
８０から供給される冷水をミスト化し、空気量制御装置
７１から供給される空気に添加する。始動直後において
は、電解質膜の湿潤を短時間で確保することが重要であ
るので、この場合には、ミスト加湿ユニット５７を最大
作動能力で連続作動させるとよい。そして、加湿タンク
８０から供給される冷水をミスト化し、発生した多量の
ミストを、空気と共に燃料電池４０の空気極側に供給す
る。In the mist humidifying unit 57, the cold water supplied from the humidifying tank 80 is misted and added to the air supplied from the air amount control device 71. Immediately after starting, it is important to secure the wetting of the electrolyte membrane in a short time. In this case, therefore, it is preferable to continuously operate the mist humidifying unit 57 with the maximum operation capacity. Then, the cold water supplied from the humidification tank 80 is misted, and a large amount of the generated mist is supplied to the air electrode side of the fuel cell 40 together with the air.
【０１１６】以上のように、始動直後に、燃料極側のミ
スト加湿ユニット５３を負荷に応じて作動させると共
に、空気極側のミスト加湿ユニット５７を連続作動させ
れば、電解質膜を短時間で湿潤させることが可能とな
る。As described above, if the mist humidifying unit 53 on the fuel electrode side is operated according to the load immediately after the start and the mist humidifying unit 57 on the air electrode side is continuously operated, the electrolyte membrane can be discharged in a short time. It becomes possible to wet it.
【０１１７】次に、昇温過程におけるミスト加湿ユニッ
ト５３、５７への水の供給手順について説明する。始動
直後に燃料電池４０に多量のミストを供給した後、昇温
過程においては、燃料極側のミスト加湿ユニット５３へ
の給水経路を切り替え、図３に示すように、燃料極側の
加湿水切り替え装置８１に燃料極保水タンク４０ａ及び
空気極保水タンク４０ｂを接続し、燃料電池４０内の水
が加湿供給装置８２を介して、ミスト加湿ユニット５３
に供給される状態にする。Next, the procedure for supplying water to the mist humidifying units 53 and 57 during the temperature raising process will be described. Immediately after starting, after supplying a large amount of mist to the fuel cell 40, in the temperature rising process, the water supply path to the fuel electrode side mist humidification unit 53 is switched, and as shown in FIG. 3, the fuel electrode side humidification water is switched. The fuel electrode water retention tank 40 a and the air electrode water retention tank 40 b are connected to the device 81, and the water in the fuel cell 40 is supplied to the mist humidification unit 53 via the humidification supply device 82.
Ready for supply.
【０１１８】次いで、燃料極側のミスト加湿ユニット５
３を、上述と同様の手順に従い、負荷に応じて作動させ
る。そして、燃料極保水タンク４０ａ及び空気極保水タ
ンク４０ｂから供給される燃料電池４０内の温水をミス
ト化し、発生したミストを、燃料ガスと共に燃料電池４
０の燃料極側に供給する。Next, the mist humidifying unit 5 on the fuel electrode side
3 is operated according to the load according to the same procedure as described above. Then, the hot water in the fuel cell 40 supplied from the fuel electrode water retention tank 40a and the air electrode water retention tank 40b is converted into a mist, and the generated mist is mixed with the fuel gas into the fuel cell 4
Supply to the fuel electrode side of 0.
【０１１９】また、空気極側では、加湿水切り替え装置
８３と加湿タンク８０及び空気極保水タンク４０ｂとの
接続を解除する。接続が解除されると、加湿ユニット制
御装置５８からミスト加湿ユニット５７に加湿信号ＯＦ
Ｆが出力されるので、空気極側には、ミストが添加され
ていない空気が空気量制御装置７１を介してそのまま供
給される。On the air electrode side, the humidifying water switching device 83 is disconnected from the humidifying tank 80 and the air electrode water retaining tank 40b. When the connection is released, the humidifying unit control device 58 sends a humidifying signal OF to the mist humidifying unit 57.
Since F is output, the air to which the mist is not added is directly supplied to the air electrode side via the air amount control device 71.
【０１２０】これにより、燃料極側においては、水が燃
料電池４０とミスト加湿ユニット５３との間を循環し、
燃料電池４０内部の熱が有効に回収・再利用されるの
で、冷水をミスト化する場合と異なり、昇温過程におけ
る燃料電池４０の温度低下を軽減することができる。Thus, on the fuel electrode side, water circulates between the fuel cell 40 and the mist humidifying unit 53,
Since the heat inside the fuel cell 40 is effectively recovered and reused, unlike the case where the cold water is misted, it is possible to reduce the temperature drop of the fuel cell 40 during the temperature rising process.
【０１２１】また、空気極側においては、電解質膜の空
気極側の含水率が低下して高抵抗となり、電解質膜が発
熱するので、さらに燃料電池４０内部の温度の上昇速度
が速くなり、燃料電池４０を短時間で作動温度まで昇温
させることができる。Further, on the air electrode side, the water content of the electrolyte membrane on the air electrode side decreases and the resistance becomes high, and the electrolyte membrane heats up. The battery 40 can be heated to the operating temperature in a short time.
【０１２２】以上のように、昇温時においては、燃料電
池４０内の水をミスト加湿ユニット５３に還流させると
同時に、空気極側のミスト加湿ユニット５７への給水を
停止すれば、燃料電池の昇温時間を大幅に短縮すること
ができる。また、燃料電池４０内部で発生する熱を有効
利用できるので、燃料電池システム１０全体のエネルギ
ー効率を向上させることができる。As described above, at the time of temperature rise, if the water in the fuel cell 40 is returned to the mist humidifying unit 53 and at the same time the water supply to the air electrode side mist humidifying unit 57 is stopped, The temperature rising time can be significantly shortened. Moreover, since the heat generated inside the fuel cell 40 can be effectively utilized, the energy efficiency of the entire fuel cell system 10 can be improved.
【０１２３】次に、温度安定過程におけるミスト加湿ユ
ニット５３、５７への水の供給手順について説明する。
燃料電池４０の温度が十分高くなり、作動状態が安定し
た場合には、図２と同様の給水経路に再度切り替える。
すなわち、燃料極側の加湿水切り替え装置８１及び空気
極側の加湿水切り替え装置８２に加湿タンク８０を接続
し、加湿タンク８０内の水が、加湿水供給装置８２及び
８４を介して、それぞれミスト加湿ユニット５３及び５
７に供給される状態にする。Next, the procedure for supplying water to the mist humidifying units 53 and 57 in the temperature stabilizing process will be described.
When the temperature of the fuel cell 40 becomes sufficiently high and the operating state becomes stable, the water supply path similar to that in FIG. 2 is switched again.
That is, the humidifying tank 80 is connected to the humidifying water switching device 81 on the fuel electrode side and the humidifying water switching device 82 on the air electrode side, and the water in the humidifying tank 80 is misted via the humidifying water supply devices 82 and 84, respectively. Humidification units 53 and 5
7 is supplied.
【０１２４】次いで、燃料極側のミスト加湿ユニット５
３を、上述と同様の手順に従い、負荷に応じて作動させ
る。そして、加湿タンク８０から供給される冷水をミス
ト化し、発生したミストを、燃料ガスと共に燃料電池４
０の燃料極側に供給する。Next, the fuel electrode side mist humidification unit 5
3 is operated according to the load according to the same procedure as described above. Then, the cold water supplied from the humidification tank 80 is converted into a mist, and the generated mist is combined with the fuel gas into the fuel cell 4
Supply to the fuel electrode side of 0.
【０１２５】これに対し、空気極側では、加湿量制御装
置７５において、燃料電池４０の電池セル抵抗を検出
し、検出された電池セル抵抗に基づいて電解質膜の含水
率を算出し、算出された含水率と予め定められた「しき
い値」との大小関係を判別することにより、空気極側の
加湿水分量を算出する。On the other hand, on the air electrode side, the humidification amount control device 75 detects the battery cell resistance of the fuel cell 40 and calculates the water content of the electrolyte membrane based on the detected battery cell resistance. By determining the magnitude relationship between the water content and a predetermined "threshold value", the humidified water content on the air electrode side is calculated.
【０１２６】加湿ユニット制御装置５８では、加湿量制
御装置７５で算出された加湿水分量に相当するミストが
空気に供給されるよう、ミスト加湿ユニット５７に備え
られるミスト発生器の作動能力及びデューティ比を決定
する。In the humidifying unit controller 58, the operating ability and duty ratio of the mist generator provided in the mist humidifying unit 57 are adjusted so that the mist corresponding to the humidifying water amount calculated by the humidifying amount controller 75 is supplied to the air. To decide.
【０１２７】ミスト加湿ユニット５７では、加湿ユニッ
ト制御装置５８で決定された作動能力及びデューティ比
に従ってミスト発生器を作動させ、加湿タンク８０から
供給される冷水をミスト化する。そして、発生した多量
のミストを、空気量制御装置７１から供給される空気に
添加し、空気と共に燃料電池４０の空気極側に供給す
る。In the mist humidifying unit 57, the mist generator is operated in accordance with the operating capacity and the duty ratio determined by the humidifying unit controller 58 to mist the cold water supplied from the humidifying tank 80. Then, a large amount of the generated mist is added to the air supplied from the air amount control device 71 and is supplied to the air electrode side of the fuel cell 40 together with the air.
【０１２８】以上のように、温度安定時においては、ミ
スト加湿ユニット５３、５７により、ミストが過不足な
く反応ガスに添加されるので、加湿不足に起因する出力
低下や、フラッディングに起因する出力低下が生ずるこ
とがなく、燃料電池４０を安定して作動させることが可
能となる。As described above, when the temperature is stable, the mist humidifying units 53 and 57 add the mist to the reaction gas without excess or deficiency. It is possible to stably operate the fuel cell 40 without causing
【０１２９】また、ミストを過不足なく反応ガスに添加
できるので、安全率を見込んで過剰に加湿していた従来
の加湿装置に比較して、加湿タンク８０の保水量を少な
くすることができる。そのため、加湿タンク８０の容量
を小さくすることができ、燃料電池システム１０全体を
小型化することができる。Further, since the mist can be added to the reaction gas without excess or deficiency, it is possible to reduce the amount of water retained in the humidifying tank 80 as compared with the conventional humidifier which has been excessively humidified in consideration of the safety factor. Therefore, the capacity of the humidification tank 80 can be reduced, and the entire fuel cell system 10 can be downsized.
【０１３０】さらに、温度安定過程において冷水をミス
ト化すると、ミストが反応ガスから蒸発熱を奪うので、
ミストにより反応ガスを冷却することができる。そのた
め、燃料電池４０を冷却するための冷却装置（図示せ
ず）の容量を小さくすることができ、燃料電池システム
１０を小型化することができる。Further, when cold water is misted in the temperature stabilizing process, the mist takes heat of vaporization from the reaction gas.
The reaction gas can be cooled by the mist. Therefore, the capacity of the cooling device (not shown) for cooling the fuel cell 40 can be reduced, and the fuel cell system 10 can be downsized.
【０１３１】なお、燃料電池４０の温度が過度に低下し
た場合には、加湿水切り替え装置８１、８３を燃料極保
水タンク４０ａ及び／又は空気極保水タンク４０ｂ側に
切り替え、燃料電池４０内部の温水を循環させるように
するとよい。When the temperature of the fuel cell 40 is excessively decreased, the humidifying water switching devices 81 and 83 are switched to the fuel electrode water retention tank 40a and / or the air electrode water retention tank 40b side so that the hot water inside the fuel cell 40 is heated. Should be circulated.
【０１３２】次に、再起動過程におけるミスト加湿ユニ
ット５３、５７への水の供給手順について説明する。再
起動時においては、燃料電池４０内に温水が残留してい
るので、再起動に際しては、その温水の持つ熱量を利用
する。Next, the procedure for supplying water to the mist humidifying units 53 and 57 in the restarting process will be described. Since warm water remains in the fuel cell 40 at the time of restart, the amount of heat of the warm water is used at restart.
【０１３３】すなわち、図４に示すように、燃料極側の
ミスト加湿ユニット５３への給水経路を切り替え、燃料
極側の加湿水切り替え装置８１に燃料極保水タンク４０
ａのみを接続し、燃料極保水タンク４０ａ内の水が加湿
供給装置８２を介して、ミスト加湿ユニット５３に供給
される状態にする。That is, as shown in FIG. 4, the water supply path to the fuel electrode side mist humidifying unit 53 is switched, and the fuel electrode holding tank 40 is connected to the fuel electrode side humidifying water switching device 81.
Only a is connected so that the water in the fuel electrode water retention tank 40a is supplied to the mist humidification unit 53 via the humidification supply device 82.
【０１３４】次いで、燃料極側のミスト加湿ユニット５
３を、上述と同様の手順に従い、負荷に応じて作動させ
る。そして、燃料極保水タンク４０ａから供給される燃
料極保水タンク４０ａ内の温水をミスト化し、発生した
ミストを、燃料ガスと共に燃料電池４０の燃料極側に供
給する。Next, the mist humidification unit 5 on the fuel electrode side
3 is operated according to the load according to the same procedure as described above. Then, the hot water in the fuel electrode water retention tank 40a supplied from the fuel electrode water retention tank 40a is misted, and the generated mist is supplied to the fuel electrode side of the fuel cell 40 together with the fuel gas.
【０１３５】また、空気極側では、加湿水切り替え装置
８３に空気極保水タンク４０ｂを接続し、空気極保水タ
ンク４０ｂ内の水が加湿供給装置８４を介して、ミスト
加湿ユニット５７に供給される状態にする。On the air electrode side, the air electrode water retention tank 40b is connected to the humidification water switching device 83, and the water in the air electrode water retention tank 40b is supplied to the mist humidification unit 57 via the humidification supply device 84. Put in a state.
【０１３６】そして、再起動直後は、ミスト加湿ユニッ
ト５７を最大作動能力で連続作動させ、空気極保水タン
ク４０ｂから供給される温水をミスト化し、発生したミ
ストを、空気と共に燃料電池４０の空気極側に供給す
る。これにより、電池温度を低下させることなく短時間
で電解質膜の湿潤が確保される。Immediately after the restart, the mist humidifying unit 57 is continuously operated with the maximum operation capacity to mist the hot water supplied from the air electrode water retention tank 40b, and the generated mist is combined with air to the air electrode of the fuel cell 40. Supply to the side. This ensures the wetting of the electrolyte membrane in a short time without lowering the battery temperature.
【０１３７】さらに、電解質膜の湿潤が確保された後
は、図３に示すような給水経路に切り替え、燃料ガスに
燃料極保水タンク４０ａ及び空気極保水タンク４０ｂの
温水を用いて発生させたミストを添加すると共に、空気
極側の加湿を停止させる。なお、電池燃料極・空気極保
水タンク中の水分量が不足している場合には、外部タン
クから一度、燃料電池内部に水分を供給し、余熱後に使
用するとよい。Further, after the moistening of the electrolyte membrane is ensured, the mist generated by switching to the water supply path as shown in FIG. 3 and using the hot water of the fuel electrode water retention tank 40a and the air electrode water retention tank 40b as the fuel gas. Is added and the humidification on the air electrode side is stopped. If the amount of water in the cell fuel electrode / air electrode water retention tank is insufficient, it is recommended that water be supplied once from the external tank to the inside of the fuel cell and used after remaining heat.
【０１３８】これにより、燃料電池４０内部に残留する
温水の持つ熱量の有効利用が図られ、再起動後の昇温時
間をさらに短縮することができると共に、エネルギー効
率も向上する。As a result, the amount of heat of the hot water remaining inside the fuel cell 40 can be effectively used, the temperature rising time after restart can be further shortened, and the energy efficiency can be improved.
【０１３９】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. is there.
【０１４０】例えば、上記実施の形態では、車載動力源
用の燃料電池システムに本発明に係る加湿循環装置を適
用した例について詳細に説明したが、他の用途、例えば
定置型の小型発電器等に本発明に係る加湿循環装置を適
用する場合も同様であり、始動時にはミスト加湿により
電解質膜を短時間で湿潤させ、昇温時には燃料電池内の
温水をミスト加湿ユニットに還流させ、さらに温度安定
には燃料電池の温度に応じて、冷水と燃料電池から還流
される温水を任意に混合してミスト加湿ユニットに供給
すれば、燃料電池システムの始動性、作動安定性、再起
動性を飛躍的に向上させることができる。For example, in the above embodiment, an example in which the humidification circulation device according to the present invention is applied to a fuel cell system for an on-vehicle power source has been described in detail, but other applications, such as a stationary small-sized power generator, etc. The same applies to the case where the humidification circulation device according to the present invention is applied to, the electrolyte membrane is moistened in a short time by mist humidification at the time of start, and the warm water in the fuel cell is circulated to the mist humidification unit at the time of temperature rise, and the temperature is stabilized. Depending on the temperature of the fuel cell, if cold water and hot water recirculated from the fuel cell are mixed arbitrarily and supplied to the mist humidification unit, the startability, operation stability and restartability of the fuel cell system will be dramatically improved. Can be improved.
【０１４１】また、上記実施の形態では、固体高分子型
燃料電池を用いた燃料電池システムについて説明した
が、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池等、電解質
の水管理が必要な他の燃料電池の場合も同様であり、燃
料電池内部の保水タンクと常温水を貯留する加湿タンク
との切り替え制御装置を備えた加湿循環装置を用いて反
応ガスを加湿すれば、上記実施の形態と同様の効果を得
ることができる。Further, although the fuel cell system using the polymer electrolyte fuel cell has been described in the above embodiment, other fuels such as phosphoric acid fuel cell, alkaline fuel cell and the like, in which water management of the electrolyte is necessary are required. The same applies to the case of a battery, and if the reaction gas is humidified using a humidification circulation device equipped with a switching control device between a water retention tank inside the fuel cell and a humidification tank that stores room temperature water, the same as in the above embodiment. The effect can be obtained.
【０１４２】[0142]
【発明の効果】本発明に係る燃料電池用加湿装置は、燃
料電池に備えられる電解質に供給される反応ガスにミス
トを添加するミスト加湿ユニットと、前記燃料電池の燃
料極及び／又は空気極から排出される高温水と加湿タン
クに蓄えられる常温水の少なくとも一方を前記ミスト加
湿ユニットに供給する切り替え制御装置とを備えている
ので、ミスト加湿により短時間で電解質膜の湿潤が確保
されると同時に、燃料電池の温度が短時間で作動温度ま
で上昇し、燃料電池の始動性が向上するという効果があ
る。The humidifying device for a fuel cell according to the present invention comprises a mist humidifying unit for adding mist to a reaction gas supplied to an electrolyte provided in the fuel cell, and a fuel electrode and / or an air electrode of the fuel cell. Since the switching control device that supplies at least one of the discharged high temperature water and the room temperature water stored in the humidification tank to the mist humidification unit is provided, the mist humidification ensures the wetness of the electrolyte membrane in a short time. The temperature of the fuel cell rises to the operating temperature in a short time, and the startability of the fuel cell is improved.
【０１４３】また、従来、廃棄されていた燃料電池内の
高温水が切り替え制御装置を介して再利用されるので、
燃料電池システムに保有させる加湿水の水量を削減する
ことができ、燃料電池システム全体を小型化することが
できるという効果がある。Further, since the high temperature water in the fuel cell which has been conventionally discarded is reused through the switching control device,
The amount of humidifying water held in the fuel cell system can be reduced, and the entire fuel cell system can be downsized.
【０１４４】さらに、燃料電池内の高温水を燃料電池に
環流させる切り替え制御装置を備えていることにより、
従来、水と共に廃棄されていた燃料電池内の熱の回収・
再利用を図ることができ、燃料電池システムのエネルギ
ー効率を向上させることができるという効果がある。Further, since the switching control device for circulating the high temperature water in the fuel cell to the fuel cell is provided,
Recovery of heat in the fuel cell that was previously discarded with water
There is an effect that it can be reused and the energy efficiency of the fuel cell system can be improved.
【０１４５】以上のように、本発明に係る燃料電池用加
湿循環装置よれば、燃料電池の始動性、エネルギー効率
が向上し、しかも燃料電池システム全体の小型化が可能
となるので、これを例えば、車載動力源用の燃料電池シ
ステムに応用すれば、自動車の操作性の向上、軽量化、
燃費の向上等に寄与するものであり、産業上その効果の
極めて大きい発明である。As described above, according to the humidifying and circulating apparatus for a fuel cell of the present invention, the startability and energy efficiency of the fuel cell can be improved, and the size of the entire fuel cell system can be reduced. If it is applied to a fuel cell system for an on-vehicle power source, the operability of the vehicle is improved, the weight is reduced,
It is an invention that contributes to improvement of fuel efficiency and is extremely effective in industry.
【図１】本発明に係る燃料電池システムのシステム構成
図である。FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system according to the present invention.
【図２】始動時及び温度安定過程におけるミスト加湿ユ
ニットへの水の供給経路を説明するためのブロック構成
図である。FIG. 2 is a block configuration diagram for explaining a water supply path to a mist humidifying unit at the time of starting and in a temperature stabilizing process.
【図３】昇温過程におけるミスト加湿ユニットへの水の
供給経路を説明するためのブロック構成図である。FIG. 3 is a block configuration diagram for explaining a water supply path to a mist humidifying unit in a temperature raising process.
【図４】再起動過程におけるミスト加湿ユニットへの水
の供給経路を説明するためのブロック構成図である。FIG. 4 is a block configuration diagram for explaining a water supply path to a mist humidifying unit in a restart process.
１０ 燃料電池システム
２０ 改質器システム
４０ 固体高分子型燃料電池（燃料
電池）
４０ａ 電池内保水タンク（燃料極保
水タンク）
４０ｂ 電池内保水タンク（空気極保
水タンク）
５２、５６ 加湿装置
５３、５７ ミスト加湿ユニット
５４、５８ 加湿ユニット制御装置
８０ 加湿タンク
８１、８３ 加湿水切り替え装置（切り替
え制御装置）
８２、８４ 加湿水供給装置10 Fuel Cell System 20 Reformer System 40 Solid Polymer Fuel Cell (Fuel Cell) 40a Water Retaining Tank in Fuel Cell (Fuel Water Retaining Tank) 40b Water Retaining Tank in Battery (Air Water Retaining Tank) 52, 56 Humidifier 53, 57 Mist humidification unit 54, 58 Humidification unit control device 80 Humidification tank 81, 83 Humidification water switching device (switching control device) 82, 84 Humidification water supply device
フロントページの続き (72)発明者 朝岡 賢彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 廣嶋 一崇 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大矢 豊 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 山田 勝仁 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 平５−47394（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−263010（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−288134（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−17438（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−191423（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/04 H01M 8/06 Front page continuation (72) Inventor Kenhiko Asaoka Aichi-gun Nagakute-cho, Aichi-gun, Nagaminate 1 41 Yokomichi, Toyota Central Research Institute Co., Ltd. 41 Yokochi 1 In the Toyota Central Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Toyoya Otoyo Aichi-gun Nagakute-cho, Oita Nagaji 1-41 Yokomichi, Chozaji, Machizai (1) Inside Toyota Central Research Institute Co., Ltd. (56) Reference JP-A-5-47394 (JP, A) JP-A-7-263010 (JP, A) JP-A-7-288134 (JP , A) JP-A-9-17438 (JP, A) JP-A-11-191423 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/04 H01M 8/06
Claims (7)
る反応ガスにミストを添加するミスト加湿ユニットと、 前記燃料電池の燃料極及び／又は空気極から排出される
高温水と加湿タンクに蓄えられる常温水の少なくとも一
方を前記ミスト加湿ユニットに供給する切り替え制御装
置とを備えていることを特徴とする燃料電池用加湿循環
装置。1. A mist humidifying unit for adding mist to a reaction gas supplied to an electrolyte provided in a fuel cell, high temperature water discharged from a fuel electrode and / or an air electrode of the fuel cell, and a humidification tank. A humidification circulation device for a fuel cell, comprising: a switching control device that supplies at least one of normal temperature water to the mist humidification unit.
いて、前記加湿タンクに蓄えられる常温水を前記ミストThe room temperature water stored in the humidification tank.
加湿ユニットに供給するものである請求項１に記載の燃The fuel according to claim 1, which is supplied to a humidifying unit.
料電池用加湿循環装置。Humidification circulation device for battery.
いて、前記燃料電池の燃料極及び／又は空気極から排出And discharge from the fuel electrode and / or the air electrode of the fuel cell.
される高温水を前記ミスト加湿ユニットに供給するものFor supplying high temperature water to the mist humidification unit
である請求項１に記載の燃料電池用加湿循環装置。The humidification circulation device for a fuel cell according to claim 1.
ミスト加湿ユニットを間欠作動させる加湿ユニット制御Humidification unit control for intermittent operation of mist humidification unit
装置をさらに備えた請求項１に記載の燃料電池用加湿循The humidification circuit for a fuel cell according to claim 1, further comprising a device.
環装置。Ring device.
ミストを添加するための１個又は２個以上のミスト発生Generation of one or more mist to add mist
器を備え、Equipped with a vessel, 前記加湿ユニット制御装置は、前記燃料電池の電流量、The humidification unit control device, the amount of current of the fuel cell,
水素消費量、水素供給量、及び／又は、前記燃料ガスにHydrogen consumption, hydrogen supply, and / or fuel gas
含まれる水蒸気量に応じて、前記ミスト発生器の作動Operation of the mist generator depending on the amount of water vapor contained
数、作動能力及び／又はデューティ比を制御するものでTo control the number, working capacity and / or duty ratio
ある請求項４に記載の燃料電池用加湿循環装置。The humidification circulation device for a fuel cell according to claim 4.
にミストを添加するための１個又は２個以上のミスト発Generate one or more mist to add mist to
生器を備え、Equipped with raw organs, 前記加湿ユニット制御装置は、前記電解質の含水率に応The humidification unit controller responds to the water content of the electrolyte.
じて、前記ミスト発生器の作動数、作動能力及び／又はThe number of actuations of the mist generator, the actuation capacity and / or
デューティ比を制御するものである請求項４に記載の燃The fuel according to claim 4, which controls a duty ratio.
料電池用加湿循環装置。Humidification circulation device for battery.
池、リン酸型燃料電池又はアルカリ型燃料電池である請Contracts that are ponds, phosphoric acid fuel cells or alkaline fuel cells
求項１に記載の燃料電池用加湿循環装置。The humidification circulation device for a fuel cell according to claim 1.
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