【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、循環ポンプによって圧送される水が、循環供給管路を通って循環ポンプに戻る水循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤とを電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学的エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、近年家庭向けの定置式発電システムや、自動車等移動体の動力源などへの利用が広がりつつある。その中でも電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、出力密度が高いこと、構造が単純なこと、動作温度が比較的低いことなどの好ましい特徴が多くあり、より一層の技術開発への期待が高まっている。
【０００３】
このような固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）における単位セル電池の構成を、図１３を用いて説明する。すなわち、イオン導電性を有する固体高分子膜１を間に挟んで、アノード電極３およびカソード電極５がそれぞれ配置されている。アノード電極３に隣接した位置には、アノード電極３に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝７が、カソード電極５に隣接した位置には、カソード電極５に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝９が、それぞれ設けられている。
【０００４】
上記した燃料ガス供給溝７および酸化剤ガス供給溝９のそれぞれの外側には、導電性を有するガス不透過性のアノードセパレータ１１およびカソードセパレータ１３が設けられている。アノードセパレータ１１のさらに外側には、導電性を有するガスおよび水不透過性の水セパレータ１５が、そのさらに外側には、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、電池スタック温度を適正に保つためのスタック冷却水を流す冷却水供給溝１７が、それぞれ設けられている。
【０００５】
上記した固体高分子膜１〜冷却水供給溝１７の各構成要素によって、単位セル電池１９が構成されている。
【０００６】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池においては、アノード電極３に燃料ガスを、カソード電極５に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単位セル電池１９の一対の電極３，５間で電気化学反応により、以下のように起電力が生じる。
【０００７】
アノード反応：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード反応：２Ｈ+ ＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- →２Ｈ2 Ｏ
すなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード電極３に水素を、カソード電極５に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極３では、供給された水素が水素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高分子膜１を通り、電子は図示しない外部回路を通って、それぞれカソード電極５に移動する。
【０００８】
一方、カソード電極５においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンおよび電子とが反応して水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極３およびカソード電極５においては、それぞれ上述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成された水は未反応ガスと共に電池外に排出される。
【０００９】
ところで、単位セル電池１９の起電力は１Ｖ以下と低いため、通常の実用型燃料電池システムは、数十〜数百枚の単位セル電池１９を積層した電池スタックを有し、この電池スタックによる発電を行なっている。
【００１０】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池に使用されるイオン導電性を有する固体高分子膜１としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸（ＮａｆｉｏｎR ：米国デュポン社）が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基をもち、飽和含水することによりイオン導電性電解質として機能するとともに、燃料と酸化剤とを分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなると、イオン抵抗が高くなり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバが発生し、電池での発電が困難となる。このため、固体高分子膜は飽和含水としておくことが望ましい。
【００１１】
一方、発電によりアノード電極３で分離した水素イオンが固体高分子膜１を通りカソード電極５に移動するときに、水も一緒に移動するため、アノード電極３側では固体高分子膜１は乾燥する傾向にある。また、供給する燃料または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で固体高分子膜１は乾燥する傾向にある。このような理由から、固体高分子電解質型燃料電池には、あらかじめ加湿した燃料と酸化剤を供給することが一般的に行われている。
【００１２】
よって、このような燃料電池システムには、燃料と酸化剤を加湿する加湿器に、加湿水を循環供給する管路や、発電によって生じる燃料電池スタック内の余分な熱を除去するための燃料電池冷却水を循環供給する管路、または補機類用の冷却水を循環供給する管路などの水循環装置が具備されることが多い。
【００１３】
以上で述べたような燃料電池システムにおける水循環装置の従来技術として、特開平１１−２７３７０４号公報に記載されたものが知られている。これは、メインタンクに蓄えられた水を、循環ポンプによって吸い出し、供給管を通して燃料電池スタックへ送出し、燃料電池スタックからは排出管を通して、メインタンクに戻すことにより、燃料電池スタックに内部加湿水、または冷却水を循環供給する構成になっている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述のような従来の燃料電池システムの水循環装置では、次のような問題点がある。
【００１５】
燃料電池スタックへ水を送り込む供給管の一部が、循環流路全体に対して相対的に高い位置になる可能性があり、このとき循環ポンプで水を流しても、前記の相対的に高い位置にある供給管内の特に上側に空気が残りやすく、循環水中に空気気泡が混入したり、もしくは実質的な循環水量が低下することで、水量が、要求される量に対して不足する状況が発生しやすくなる。
【００１６】
よって結果として、空気気泡の押し出しのためや実質的な水量を確保するために、循環ポンプ駆動に必要以上のエネルギが消費されることになり、燃料電池システム全体のエネルギ効率が低下したり、循環水量不足が続くと、電解質膜の含水量不足や燃料電池の冷却不良が発生する。
【００１７】
また循環ポンプの吸入口付近の配管については、相対的に高い位置にない場合でも、循環ポンプ吸入口付近の配管内に空気が残ってしまうと、循環ポンプを回転させても充分な量の水を吸入吐出できなくなる。
【００１８】
そこで、この発明は、水が循環する循環供給管路中の空気を効率よく排出できるようにすることを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、循環ポンプによって圧送される水が、循環供給管路を通って前記循環ポンプに戻る水循環装置において、前記循環供給管路のうち、その前後の配管部に比べて高さ位置が相対的に高くなっている配管部に、上下方向に延長される分岐管の下端を連通接続し、この分岐管の上端は、前記循環供給管路を循環する水が常に下部に存在している空気排出容器の下部に接続され、前記空気排出容器の上部に、この空気排出容器の内圧を大気に開放する大気開放通路を設け、この大気開放通路に、通路の遮断および開放を行なう大気開放手段を設け、前記循環供給管路に設置された複数個の前記空気排出容器のうち、高さが最も高い位置にある空気排出容器の前記大気開放手段は、燃料電池システムの運転停止時から次回運転開始時までの間は、開いている構成としてある。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、前記循環供給管路中の前記循環ポンプの吸入口付近に、上下方向に延長される分岐管の下端を連通接続し、この分岐管の上端は、前記循環供給管路を循環する水が常に下部に存在している空気排出容器の下部に接続されている
請求項３の発明は、請求項１または２の発明の構成において、電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックを備えるとともに、前記燃料極に供給する燃料と前記酸化剤極に供給する酸化剤との少なくとも一方の被加湿ガスに加湿水を供給して加湿する加湿手段を備え、前記循環供給管路は、前記加湿手段内に形成されている加湿水流路を含んでいる構成としてある。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明の構成において、電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックを備え、この燃料電池スタックには、その内部で生じる反応熱を除去するための冷却水が通過する冷却水流路が設けられ、前記循環供給管路は、この冷却水流路を含んでいる構成としてある。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項３の発明の構成において、前記加湿手段は、被加湿ガス流路と加湿水流路との間に透湿性の膜が配置された膜式加湿器であり、この膜式加湿器の上部の前記加湿水流路に、上下方向に延長される分岐管の下端を連通接続し、この分岐管の上端は、前記循環供給管路を循環する水が常に下部に存在している空気排出容器の下部に接続されている構成としてある。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれかの発明の構成において、前記空気排出容器に、内部の水の液位を検知する液位検知手段を設け、この液位検知手段からの液位検知信号に応じて、前記大気開放手段を開閉制御する構成としてある。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、前後の配管部に比べて高さ位置が相対的に高い位置にある循環供給管路に下端を接続した分岐管の上端を、循環供給管路を循環する水が常に下部に存在している空気排出容器の下部に接続するようにしたので、循環供給管路内の空気を素早く空気排出容器へ追いやることができ、循環供給管路内の空気の排出を効率よく行え、空気抜きのための実質循環水量を確保するための余分な循環ポンプの駆動仕事が不要となる。
また、空気排出容器の上部に、空気排出容器の内圧を大気に開放する大気開放通路を設け、この大気開放通路の途中に通路の遮断および開放を行なう大気開放手段を配置したので、燃料電池システムの運転中に、循環供給管路内から空気排出容器内に送り込まれて滞留する空気の量が増えた場合でも、大気開放手段を一時的に開放することで、運転を停止することなく空気排出容器の内圧と大気圧との差圧によって空気排出容器内の空気を大気中へ排出でき、この結果空気排出容器の空気貯蔵能力を再生することができ、システムの運転性が向上する。また、この大気開放通路は、水注入時の注入口としても利用可能であり、循環供給管路の相対的に高い場所から注入することができるため、空気を循環供給管路に閉じこめることなく、水交換作業を効率的に行うことができる。
さらに、循環供給管路に設置された複数個の空気排出容器のうち、高さが最も高い位置にある空気排出容器の大気開放手段は、燃料電池システムの運転停止時から次回運転開始時までの間は、開いているので、循環供給管路内の循環水が自然冷却、体積収縮してゆく過程で、水の収縮分に対応した空気が大気開放手段を通じて空気排出容器内に流入することになる。その結果として、冷却時に循環供給管路内の各部が負圧になることが回避され、循環供給管路の継ぎ目などからの空気の吸い込みを防止することができ、次回運転開始時の空気抜き作業を容易にし、燃料電池システムの起動特性を改善することができる。
【００２７】
請求項２の発明によれば、循環供給管路中の循環ポンプの吸入口付近に、分岐管の下端を連通接続し、この分岐管の上端は、循環供給管路を循環する水が常に下部に存在している空気排出容器の下部に接続するようにしたので、循環ポンプの吸入口付近の循環供給管路内に空気が存在している場合でも、空気排出容器に容易に空気を移動させることができ、循環供給管路内の空気の排出を効率よく行え、循環ポンプは、常に安定した量の水を吐出することができる。
【００２８】
請求項３の発明によれば、循環供給管路は、燃料電池スタックに供給する燃料と酸化剤との少なくとも一方の被加湿ガスに加湿水を供給して加湿する加湿手段内の加湿水流路を含んでおり、この循環供給管路内の空気を素早く空気排出容器へ追いやることで、循環ポンプの駆動力は、加湿手段での要求量を満たすだけの必要最小限の循環水量に対応する分に抑えながら、燃料電池システムの運転が可能となり、結果としてシステム全体のエネルギ効率を高めることができる。また、循環ポンプ吸入口付近の循環供給管路内の空気を空気排出容器に移動させることで、この部位での空気抜きが容易になるので、循環水量が不足する状況を回避でき、被加湿ガスの加湿量制御が容易になり、燃料電池の電解質膜の含水率を適正に維持することができ、燃料電池スタックの耐久性、信頼性を高めることができる。
【００２９】
請求項４の発明によれば、循環供給管路は、燃料電池スタックの内部で生じる反応熱を除去するための冷却水が通過する冷却水流路を含んでおり、この循環供給管路内の空気を素早く空気排出容器へ追いやることで、循環ポンプの駆動力は、燃料電池スタックでの余分な熱を除去するのに必要とされるだけの循環水量に対応する分に抑えながら、燃料電池システムの運転が可能となり、結果としてシステム全体のエネルギ効率を高めることができる。また、循環ポンプ吸入口付近の循環供給管路内の空気を空気排出容器に移動させることで、この部位での空気抜きが容易になるので、循環水量が不足する状況を回避でき、冷却水量制御が容易になり、燃料電池スタックの耐久性、信頼性を高めることができる。
【００３０】
請求項５の発明によれば、加湿手段として膜式加湿器を用い、この膜式加湿器の上部に、内部の加湿水流路と分岐管で連結された空気排出容器を備えているので、循環供給管路内の水を交換する場合などには、加湿水流路が狭く複雑な構造をしていて、一般的に空気抜きが困難な膜式加湿器内部の空気も、加湿器内部の加湿水流路から空気排出容器へと容易に追いやることができ、加湿水の交換直後の運転時であっても、循環ポンプの駆動力は必要最小限に抑えることが可能であり、結果として、燃料電池システム全体のエネルギ効率をさらに高めることができる。
【００３３】
請求項６の発明によれば、空気排出容器に内部の液位を検知できる液位検知手段を設け、液位検知手段からの液位検知信号に応じて、大気開放手段を開閉制御するようにしたので、空気排出容器内の液位、および液位の変化を正確に検知でき、適切なタイミングで効果的に空気排出容器内の空気を大気中へ排出することが可能となる。その結果として、燃料電池システム運転中も空気排出容器における空気抜き性能を安定化することができ、運転性をより高めることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３５】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す水循環装置の概略的な全体構成図である。
【００３６】
循環供給管路２１には、循環供給管路２１内に充填された水を循環させる循環ポンプとしての水循環ポンプ２３および、循環する水を利用する水利用機器２５がそれぞれ設けられている。水循環ポンプ２３の吐出口から吐出された水は、循環供給管路２１内を流れて水利用機器２５に供給される。水利用機器２５で利用された後排出された水は、再度循環供給管路２１内を流れて水循環ポンプ２３の吸入口に戻る。
【００３７】
水利用機器２５としては、例えば燃料電池システムにおける加湿器や、冷却水が供給される燃料電池スタックがある。
【００３８】
燃料電池スタックは、電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有するものであり、燃料極に供給する燃料と酸化剤極に供給する酸化剤との少なくとも一方の被加湿ガスに、上記した加湿器により加湿水を供給する。したがって、この場合の循環供給管路２１には、加湿水が流れることになる。
【００３９】
また、燃料電池スタックには、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、電池スタック温度を適正に保つためのスタック冷却水を流す冷却水供給溝が設けられている。したがって、この場合の循環供給管路２１には、スタック冷却水が流れることになる。
【００４０】
このような燃料電池システム内の循環供給管路２１は、システムを構成する各装置、各機器のレイアウトの都合により、上下の高さ位置が高くなったり低くなったりすることが避けられない。このような高さが変化しながら流れる循環供給管路２１において、その前後の配管部に比べて上下方向の高さ位置が相対的に高くなっている配管部の複数箇所２１ａ，２１ｂ，２１ｃおよび、水循環ポンプ２３の吸入口付近２１ｄのそれぞれの上部に、空気排出容器としての空気抜き用の気液分離タンク２７を設けている。
【００４１】
図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。気液分離タンク２７の下部には、上下方向に延長された分岐管２９の上端が連通接続され、この分岐管２９の下端は循環供給管路２１に連通接続されている。気液分離タンク２７内には、循環供給管路２１内を循環する水が常に所定量存在している。
【００４２】
上記図１に示した水循環装置では、水循環ポンプ２３が作動することで、水循環ポンプ２３から吐出された水が水利用機器２５に供給され、ここで利用された水は水利用機器２５から排出されて、再度循環供給管路２１内を流れ、水循環ポンプ２３に戻る。
【００４３】
このとき、循環供給管路２１内に、例え空気などの気体が混入しても、循環供給管路２１内の相対的に高くなっている場所（複数箇所２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）に気水分離タンク２７が設置されているので、水を循環させているうちに空気などの気体は、この気水分離タンク２７内へ分岐管２９を介して容易に導かれる。これにより、空気抜きのための実質循環水量を確保するための余分な水循環ポンプ２３の駆動仕事が不要となり、水利用機器２５を含む水循環装置全体のエネルギ効率が向上する。
【００４４】
また、水循環ポンプ２３の吸入口付近２１ｄにも気水分離タンク２７が設置されているので、例え水循環ポンプ２３の吸入口付近２１ｄの循環供給管路２１内に空気が存在している場合でも、気水分離タンク２７内に容易に空気を移動させることができる。これにより、循環供給管路２１内の空気混入状態は速やかに解消され、水循環ポンプ２３は、常に安定した量の水を吐出することができ、水循環装置全体の運転性も向上する。
【００４５】
図３は、この発明の第２の実施形態を示す水循環装置の概略的な全体構成図である。この第２の実施形態は、固体高分子電解質型燃料電池システムの加湿用純水循環装置に適用したものである。燃料電池スタックへ供給される燃料および酸化剤ガスをそれぞれ加湿するための加湿水は、電池電極間の短絡などを防ぐため、イオン成分が含まれていない導電率の低い純水とされることが一般的である。
【００４６】
この水循環装置における循環供給管路３１には、循環供給管路３１内に充填された純水を循環させる循環ポンプとしての純水循環ポンプ３３、循環する純水を利用する水利用機器としての加湿手段である膜式加湿器３５および、熱交換器３７がそれぞれ設けられている。
【００４７】
膜式加湿器３５には、上記した循環供給管路３１が接続されるとともに、被加湿ガスである燃料や酸化剤が流れる被加湿ガス管路３９が接続されており、膜式加湿器３５内には、これら各循環供給管路３１および被加湿ガス管路３９に接続される加湿水流路および被加湿ガス流路がそれぞれ形成されている。この加湿水流路と被加湿ガス流路との間に透湿性の膜が配置されており、加湿水が被加湿ガスに直接接触して加湿を行う。
【００４８】
熱交換器３７には、上記した循環供給管路３１が接続されるとともに、燃料電池スタックの冷却水などの高温流体が流れる高温流体管路４１が接続され、高温流体管路４１内の高温流体と、循環供給管路３１を流れる加湿水とが熱交換する。
【００４９】
また、純水循環ポンプ３３の吸入口付近３１ｂにおける循環供給管路３１には、純水供給管４３を介して純水貯蔵タンク４５が接続されている。
【００５０】
そして、上記した循環供給管路３１において、その前後配管部に比べて上下方向の高さ位置が相対的に高くなっている配管部の箇所３１ａおよび、純水循環ポンプ３３の吸入口付近３１ｂにおける純水供給管４３の接続部より上流側のそれぞれの上部に、前記図２に示したものと同様に、分岐管２９を介して循環供給管路３１に接続される空気抜き用の気液分離タンク２７をそれぞれ設けている。
【００５１】
なお、循環供給管路３１において、その前後配管部に比べて上下方向の高さ位置が相対的に高くなっている配管部の箇所３１ａは、１つとしているが、図１ののように複数あってもよく、この複数箇所に気液分離タンク２７をそれぞれ設けても構わない。
【００５２】
上記図３に示した水循環装置では、まず純水貯蔵タンク４５に貯蔵された純水が純水循環ポンプ３３に吸入され、出口側に吐出される。吐出された純水は、循環供給管路３１を通って膜式加湿器３５に供給される。膜式加湿器３５内部では、前述したように被加湿ガス流路を通過する被加湿ガスと純水とが膜を介して接触することで、被加湿ガスを加湿する。
【００５３】
このとき同時に、純水の持っている熱の一部も被加湿ガスに与えることで、被加湿ガスの温度も上昇する。膜式加湿器３５から流出する温度の低下した純水は、再び循環供給管路３１を通って熱交換器３７に供給される。熱交換器３７においては、高温流体管路４１を通ってくる燃料電池スタックの冷却水などの高温流体と、加湿器３５で熱の奪われた純水とで熱交換を行なう。純水は、熱を得て高温化した後、さらに循環供給管路３１を流れて純水循環ポンプ３３の吸入口側に戻ることで、循環供給管路３１を循環してゆく。
【００５４】
このとき、循環供給管路３１内に、例え空気などの気体が混入しても、循環供給管路３１内の相対的に高くなっている場所（箇所３１ａ）に、気水分離タンク２７が設置されているので、純水を循環させているうちに空気などの気体は、この気水分離タンク２７内へ容易に導かれる。これにより、空気抜きのための実質循環純水量を確保するための余分な純水循環ポンプ３３の駆動仕事が不要となり、燃料電池システム全体のエネルギ効率が向上する。
【００５５】
また、純水循環ポンプ３３の吸入口付近３１ｂにも気水分離タンク２７が設置されているので、例え純水循環ポンプ３３の吸入口付近３１ｂの循環供給管路３１内に空気が存在していた場合でも、気水分離タンク２７内に容易に空気を移動させることができる。これにより、循環供給管路３１内の空気混入状態は速やかに解消され、純水循環ポンプ３３は、常に安定した量の純水を吐出することができ、燃料電池システムの運転性も向上する。
【００５６】
図４は、この発明の第３の実施形態を示す水循環装置の概略的な全体構成図である。この第３の実施形態は、固体高分子電解質型燃料電池システムの燃料電池スタックに対する冷却水循環装置に適用したものである。
【００５７】
この水循環装置における循環供給管路５１には、循環供給管路５１内に充填された冷却水を循環させる循環ポンプとしての冷却水循環ポンプ５３、循環する冷却水を利用する水利用機器としての燃料電池スタック５５、熱交換器５７およびラジエータ５９がそれぞれ設けられている。
【００５８】
燃料電池スタック５５には、上記した循環供給管路５１が接続されるとともに、反応ガスが流れる反応ガス管路６１が接続されており、燃料電池スタック５５内には、これら各循環供給管路５１および反応ガス管路６１に接続される冷却水流路および反応ガス流路がそれぞれ形成されている。
【００５９】
熱交換器５７には、上記した循環供給管路５１が接続されるとともに、燃料電池スタック５５の加湿器通過後の純水などの低温流体が流れる低温流体管路６３が接続され、低温流体管路６３内の低温流体と、循環供給管路５１を流れる冷却水とが熱交換する。
【００６０】
また、冷却水循環ポンプ５３の吸入口付近５１ｂの循環供給管路５１には、純水供給管６５を介して冷却水貯蔵タンク６７が接続されている。
【００６１】
そして、上記した循環供給管路５１において、その前後の配管部に比べて上下方向の高さ位置が相対的に高くなっている配管部の箇所５１ａの上部に、前記図２に示したものと同様に、分岐管２９を介して循環供給管路５１に接続される空気抜き用の気液分離タンク２７を設けている。
【００６２】
なお、循環供給管路５１において、その前後配管部に比べて上下方向の高さ位置が相対的に高くなっている配管部の箇所５１ａは、１つとしているが、図１ののように複数あってもよく、この複数箇所に気液分離タンク２７をそれぞれ設けても構わない。
【００６３】
上記図４に示した水循環装置では、まず冷却水貯蔵タンク６７に貯蔵された純水が、冷却水循環ポンプ５３に吸入され、出口側に吐出される。吐出された冷却水は、循環供給管路５１を通って燃料電池スタック５５に供給される。燃料電池スタック５５内部では、反応ガス管路６１から流れてくる燃料ガスと酸化剤ガスとが反応して電力を発生し、その際に余分な熱を循環供給管路５１を流れてくる冷却水に吸収させることで、燃料電池スタック５５の内部温度を適正に保つ。
【００６４】
燃料電池スタック５５から流出する高温化した冷却水は、再び循環供給管路５１を通って熱交換器５７に供給される。熱交換器５７においては、低温流体管路６３を通ってくる加湿器通過後の純水などの低温流体と、燃料電池スタック５５で高温化した冷却水とで熱交換を行なう。冷却水は、熱を放出して低温化した後、さらに循環供給管路５１を流れてラジエータ５９にてさらに余分な熱を大気中に放出することで温度を下げ、冷却水循環ポンプ５３の吸入口側に戻ることで、循環供給管路５１を循環してゆく。
【００６５】
このとき、循環供給管路５１内に、例え空気などの気体が混入しても、循環供給管路５１内の相対的に高くなっている場所（箇所５１ａ）に、気水分離タンク２７が設置されているので、冷却水が循環しているうちに空気などの気体は、この気水分離タンク２７内に容易に導かれる。これにより、空気抜きのためや実質循環冷却水量を確保するための余分な冷却水循環ポンプ５３の駆動仕事が不要となり、燃料電池システム全体のエネルギ効率が向上する。
【００６６】
なお、この例においても、図３のものと同様に、冷却水循環ポンプ５３の吸入口付近５１ｂに、気水分離タンク２７を設置することで、例え冷却水循環ポンプ５３の吸入口付近５１ｂの循環供給管路５１内に空気が存在していた場合でも、気水分離タンク２７内に容易に空気を移動させることができる。これにより、循環供給管路５１内の空気混入状態は速やかに解消され、冷却水循環ポンプ５３は、常に安定した量の冷却水を吐出することができ、燃料電池システムの運転性も向上する。
【００６７】
図５は、前記図３の第２の実施形態に係わる水循環装置における膜式加湿器３５の内部構成を概略的に示したものである。
【００６８】
この膜式加湿器３５の内部には、被加湿ガス流路３９０および加湿水流路３１０がそれぞれ存在し、図示しない透湿性の膜を挟んで上記被加湿ガスと加湿水（純水）とを接触させ、被加湿ガスを加湿する構造になっている。被加湿ガス流路３９０は被加湿ガス管路３９に、加湿水流路３１０は循環供給管路３１に、それぞれ接続されている。
【００６９】
そして、この実施形態にあっては、膜式加湿器３５の上部に、前記図２に示したものと同様に、分岐管２９を介して加湿水流路３１０（循環供給管路３１）に接続される空気抜き用の気液分離タンク２７を設けている。
【００７０】
膜式加湿器３５内部の加湿水流路３１０は狭く複雑になっているため、内部の空気が抜けにくいことが一般的であるが、本構成であれば、膜式加湿器３５内部の加湿水流路３１０に存在する空気を、容易に気水分離タンク２７へと追いやることができる。
【００７１】
特に、純水（加湿水）交換直後の運転時において、膜式加湿器３５内部の加湿水流路３１０内を速やかに純水で満たすことが可能となり、膜式加湿器３５の加湿性能を最大限に利用することができる。純水循環ポンプ３３（図３参照）は、加湿に必要な分のみを循環すればよいことになるので、余分なポンプ駆動仕事が少なくなり、結果として、燃料電池システム全体のエネルギ効率がさらに向上する。
【００７２】
ここで、図６に示すように、前記図２に示してある気水分離タンク２７の上部には、タンク内圧を大気開放する大気開放通路６９を設け、この大気開放通路６９の途中に通路の遮断および開放を行なう大気開放手段としての大気開放弁７１を設ける必要がある。
【００７３】
この場合、燃料電池システムの運転中に、循環供給管路２１内から気水分離タンク２７内に送り込まれ滞留する空気の量が増えてきた場合に、大気開放弁７１を一時的に開放する。これにより、運転を停止することなく気水分離タンク２７の内圧と大気圧との差圧によって気水分離タンク２７内の空気を大気中へ放出でき、気水分離タンク２７の空気貯蔵能力を再生することができてシステムの運転性が向上する。
【００７４】
また、この大気開放通路６９は、循環供給管路２１への水注入時の注入口としても利用可能であり、循環供給管路２１の相対的に高い場所から注入することができるため、空気を循環供給管路２１内に閉じこめることなく水交換作業が効率的なものとなる。
【００７５】
ここで、図７（ａ）のように、気水分離タンク２７に図６に示したような大気開放通路６９が設けられていない場合に、循環供給管路２１中をＡ点、大気中をＢ点とし、燃料電池システムをある時間運転して循環水の温度が常温より高くなった暖機後に運転を停止して放置するときを想定する。この場合、図７（ｂ）のように、運転停止後の時間経過とともに水温は徐々に下がってゆき、その温度降下に応じて循環水の体積は収縮してゆく。
【００７６】
このため、気水分離タンク２７が密閉されているような大気開放通路のない図７（ａ）の場合には、Ａ点圧力はシステム停止直後は大気圧＋タンク内水位によって決まる圧力になっているが、図７（ｂ）のように徐々に圧力が低下し、ある時間を経過するとＢ点圧力（大気圧）を下回って負圧になってしまう。
【００７７】
これに対し図８（ａ）のように、大気開放通路６９を備えた気水分離タンク２７では、燃料電池システムの運転停止時から次回運転開始時までの間、大気開放通路６９を開放しておくことで、前記した図７（ｂ）のように、循環水が自然冷却、体積収縮してゆく過程でも、図８（ｃ）に示すように、常にＡ点圧力はＢ点圧力より高く保つことができる。
【００７８】
図９は、前記図６における大気開放弁７１を開にする制御のフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００７９】
まず、水循環ポンプ２３の回転が停止したかどうかが判定される（ステップ９０１）。停止していない場合は再びステップ９０１に戻るが、停止したと判定された場合には、大気開放弁７１を全開にする（ステップ９０３）。
【００８０】
図１０は、前記図６における大気開放弁７を閉にする制御のフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００８１】
まず、システムを起動した後（ステップ１００１）、大気開放弁７１を全閉にする（ステップ１００３）。続いて水循環ポンプ２３の運転を開始する（ステップ１００５）。
【００８２】
このように、気水分離タンク２７に、大気開放弁７１を備えた大気開放通路６９を設けて図９および図１０のような制御を行うことで、燃料電池システム運転停止後の冷却時に循環供給管路２１内各部が負圧になることを回避でき、循環供給管路２１の継ぎ目などからの空気の吸い込みを防止することができる。このため、次回運転開始の空気抜き作業を容易にし、燃料電池システムの起動特性が改善されることになる。
【００８３】
またこのとき、循環供給管路２１に設置された複数個の気水分離タンク２７のうち、高さが最も高い位置にあるタンク上部の大気開放弁７１のみを開くという制御を行なうことで、各気水分離タンク２７間の水位差によって低い位置にある気水分離タンク２７から水が溢れることがなく、システム運営上好ましいものとなる。
【００８４】
図１１は、前記図６の構成における気水分離タンク２７に、タンク内の液位を検知するための液位検知手段としての液位センサ７３を設置している。液位センサ７３はタンク内の液面に浮遊するフロート７３ａが、液面の上下に対応してガイドロッド７３ｂにガイドされて上下動し、この上下位置を検知部７３ｃが検知して液位とする。液位センサ７３からの液位信号はコントロールユニット７５に送られ、液位に応じて大気開放弁７１に弁開閉信号を送信する。
【００８５】
図１２は、上記図１１に示した大気開放弁７１を開閉制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００８６】
まず、気水分離タンク２７内の液位が所定下限を下回ったかどうかを判定する（ステップ１２０１）。所定下限にまだ到達していない場合は再びステップ１２０１に戻るが、所定下限以下になった場合は、気水分離タンク２７内に多くの空気が溜まったと判断して、大気開放弁７１を全開にする（ステップ１２０３）。
【００８７】
このときシステム運転中であれば、循環供給管路２１内は水循環ポンプ２３により加圧された状態であることから正圧となっているため、気水分離タンク２７内と大気との圧力差によって気水分離タンク２７内に溜まった空気は大気へ放出されるとともに、気水分離タンク２７内液位が上昇してゆくことになる。
【００８８】
この過程において、気水分離タンク２７内の液位が所定上限以上となったかどうかを判定する（ステップ１２０５）。ここで、液位が所定上限にはまだ到達していない場合は再びステップ１２０５に戻るが、所定上限以上となった場合は、気水分離タンク２７内の空気はほぼ追い出すことができたと判断して、大気開放弁７１を全閉にする（ステップ１２０７）。
【００８９】
上記図１１の構成において図１２のような制御を行うことで、適切なタイミングで効果的に各気水分離タンク２７内に留まった空気を大気中に放出することが可能となる。その結果、燃料電池システムの運転中も各気水分離タンク２７における空気抜き性能を安定して維持することができ、システムの運転性をより高めることができる。
【００９０】
なお、前記した大気開放通路６９、大気開放弁７１および液位センサ７３、コントロールユニット７５は、図１における水循環装置に限らず、図３および図５の水循環装置における気水分離タンク２７にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す水循環装置の概略的な全体構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】この発明の第２の実施形態を示す水循環装置の概略的な全体構成図である。
【図４】この発明の第３の実施形態を示す水循環装置の概略的な全体構成図である。
【図５】図３の第２の実施形態に係わる水循環装置における膜式加湿器を概略的に示した部構成図である。
【図６】図２に示してある気水分離タンクの上部に、大気開放弁を備えた大気開放通路を接続した構成図である。
【図７】（ａ）は気水分離タンクの上部に大気開放通路を設けていない構成図、（ｂ）はシステム運転停止後の水温の変化特性図、（ｃ）は運転停止後の循環供給管路内圧力の変化特性図である。
【図８】（ａ）は気水分離タンクの上部に大気開放通路を設けてある構成図、（ｂ）は運転停止後の循環供給管路内圧力の変化特性図である。
【図９】 図６における大気開放弁を開にする制御のフローチャートである。
【図１０】 図６における大気開放弁を閉にする制御のフローチャートである。
【図１１】図６の構成における気水分離タンクに液位センサを設置した構成図である。
【図１２】図１１に示した大気開放弁を開閉制御するためのフローチャートである。
【図１３】一般的な固体高分子電解質型燃料電池スタックの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
２３ 水循環ポンプ（循環ポンプ）
２１，３１，５１ 循環供給管路
２１ｄ，３１ｂ 吸入口付近
２７ 気水分離タンク（空気排出容器）
２９ 分岐管
３３ 純水循環ポンプ（循環ポンプ）
３５ 膜式加湿器（加湿手段）
５３ 冷却水循環ポンプ（循環ポンプ）
５５ 燃料電池スタック
６９ 大気開放通路
７１ 大気開放弁（大気開放手段）
７３ 液位センサ（液位検知手段）
３１０ 加湿水流路
３９０ 被加湿ガス流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a water circulation device in which water pumped by a circulation pump returns to a circulation pump through a circulation supply line.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a device that converts the chemical energy of fuel directly into electrical energy by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. The use of power sources for moving bodies such as automobiles is expanding. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a polymer ion exchange membrane as an electrolyte has many desirable features such as high output density, simple structure, and relatively low operating temperature. There are growing expectations for technological development.
[0003]
The configuration of a unit cell battery in such a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) will be described with reference to FIG. That is, the anode electrode 3 and the cathode electrode 5 are respectively disposed with the solid polymer film 1 having ionic conductivity interposed therebetween. A fuel gas supply groove 7 for supplying fuel gas to the anode electrode 3 is provided at a position adjacent to the anode electrode 3, and an oxidant gas is supplied to the cathode electrode 5 at a position adjacent to the cathode electrode 5. Oxidant gas supply grooves 9 are respectively provided.
[0004]
Outside the fuel gas supply groove 7 and the oxidant gas supply groove 9 described above, a gas impermeable anode separator 11 and a cathode separator 13 having conductivity are provided. A conductive gas and water-impermeable water separator 15 is provided on the outer side of the anode separator 11, and the battery stack temperature is adjusted to an appropriate value on the outer side by removing excess heat generated during power generation. Cooling water supply grooves 17 for flowing the stack cooling water for maintaining the temperature are provided.
[0005]
A unit cell battery 19 is constituted by the constituent elements of the solid polymer film 1 to the cooling water supply groove 17 described above.
[0006]
In the solid polymer electrolyte fuel cell as described above, when a fuel gas is supplied to the anode electrode 3 and an oxidant gas is supplied to the cathode electrode 5, an electrochemical reaction occurs between the pair of electrodes 3 and 5 of the unit cell battery 19. Thus, an electromotive force is generated as follows.
[0007]
Anode reaction: H2 → 2H+ + 2e-
Cathode reaction: 2H+ + 1 / 2O2 + 2e- → 2H2 O
That is, normally, hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidant gas. First, when hydrogen is supplied to the anode electrode 3 and air is supplied to the cathode electrode 5, respectively, The dissociated hydrogen dissociates into hydrogen ions and electrons. Then, hydrogen ions pass through the solid polymer film 1 and electrons move to the cathode electrode 5 through an external circuit (not shown).
[0008]
On the other hand, in the cathode electrode 5, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water. At this time, electrons passing through the external circuit become current and can supply power. That is, in the anode electrode 3 and the cathode electrode 5, the reactions shown in the above chemical reaction formulas proceed. The generated water is discharged out of the battery together with the unreacted gas.
[0009]
By the way, since the electromotive force of the unit cell battery 19 is as low as 1 V or less, a normal practical fuel cell system has a battery stack in which several tens to several hundreds of unit cell batteries 19 are stacked. Is doing.
[0010]
Examples of the solid polymer membrane 1 having ionic conductivity used in the solid polymer electrolyte fuel cell as described above include perfluorolocarbon sulfonic acid (Nafion) which is a proton exchange membrane.R : DuPont, USA). This membrane has an exchange group of hydrogen ions in the molecule and functions as an ion conductive electrolyte by saturated water content, and also has a function of separating the fuel and the oxidant. Conversely, when the water content of the membrane decreases, the ionic resistance increases and a crossover in which the fuel and the oxidant are mixed occurs, making it difficult to generate power in the battery. For this reason, it is desirable that the solid polymer film be saturated with water.
[0011]
On the other hand, when hydrogen ions separated at the anode electrode 3 by power generation move to the cathode electrode 5 through the solid polymer film 1, water also moves together, so that the solid polymer film 1 is dried on the anode electrode 3 side. There is a tendency. Further, when the amount of water vapor contained in the supplied fuel or air is small, the solid polymer membrane 1 tends to dry near the respective reaction gas inlets. For these reasons, it is a common practice to supply a pre-humidified fuel and oxidant to the solid polymer electrolyte fuel cell.
[0012]
Therefore, in such a fuel cell system, a fuel cell for removing excess heat in a fuel cell stack generated by power generation and a pipe line that circulates humidified water to a humidifier that humidifies fuel and an oxidant. In many cases, a water circulation device such as a pipeline for circulating and supplying cooling water or a pipeline for circulating and supplying cooling water for auxiliary equipment is provided.
[0013]
As a prior art of the water circulation device in the fuel cell system as described above, one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-273704 is known. This is because the water stored in the main tank is sucked out by the circulation pump, sent to the fuel cell stack through the supply pipe, and returned from the fuel cell stack to the main tank through the discharge pipe. Alternatively, the cooling water is circulated and supplied.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional water circulation device of the fuel cell system as described above has the following problems.
[0015]
There is a possibility that a part of the supply pipe that feeds water into the fuel cell stack is at a relatively high position with respect to the entire circulation flow path. There is a situation where the amount of water is insufficient with respect to the required amount due to air easily remaining in the supply pipe at the position, and air bubbles are mixed in the circulating water, or the substantial amount of circulating water is reduced. It tends to occur.
[0016]
As a result, in order to push out air bubbles and to secure a substantial amount of water, more energy than necessary is consumed to drive the circulation pump, and the energy efficiency of the fuel cell system as a whole decreases, If the amount of water continues to be insufficient, insufficient water content of the electrolyte membrane and poor cooling of the fuel cell will occur.
[0017]
Even if the piping near the suction port of the circulation pump is not at a relatively high position, if air remains in the piping near the circulation pump suction port, a sufficient amount of water can be obtained even if the circulation pump is rotated. Can not be inhaled and discharged.
[0018]
Accordingly, an object of the present invention is to enable efficient discharge of air in a circulation supply pipe through which water circulates.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the object, the invention according to claim 1 is directed to a water circulation device in which water pumped by a circulation pump returns to the circulation pump through a circulation supply pipeline, and the front and rear of the circulation supply pipeline. The lower end of the branch pipe extending in the vertical direction is connected to the pipe section whose height position is relatively higher than the other pipe section, and the upper end of the branch pipe circulates in the circulation supply pipe line. Connected to the lower part of the air discharge container where water is always present at the lower partAn air release passage for opening the internal pressure of the air discharge vessel to the atmosphere is provided in the upper portion of the air discharge vessel, and an air release means for blocking and opening the passage is provided in the atmosphere release passage, and the circulation supply pipe The air release means of the air discharge container having the highest height among the plurality of air discharge containers installed in the opening is opened from the time when the fuel cell system is stopped until the next start of operation.It is as composition.
[0020]
According to a second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect of the invention, the lower end of a branch pipe extending in the vertical direction is connected in communication with the vicinity of the suction port of the circulation pump in the circulation supply pipe. Is connected to the lower part of the air discharge container where the water circulating through the circulation supply pipe is always present at the lower part.
According to a third aspect of the present invention, in the configuration of the first or second aspect of the present invention, the electrolyte membrane includes a fuel cell stack having at least one unit cell disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode, and the fuel Humidification means is provided for humidifying by supplying humidified water to at least one of the humidified gas of the fuel supplied to the electrode and the oxidant supplied to the oxidizer electrode, and the circulation supply line is formed in the humidification means It is set as the structure containing the humidified water flow path currently made.
[0021]
The invention of claim 4 comprises the fuel cell stack having at least one unit cell in which the electrolyte membrane is disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode in the configuration of any one of the inventions of claims 1 to 3. The fuel cell stack is provided with a cooling water flow path through which cooling water for removing reaction heat generated therein passes, and the circulation supply pipe includes the cooling water flow path.
[0022]
According to a fifth aspect of the present invention, in the configuration of the third aspect of the invention, the humidifying means is a membrane humidifier in which a moisture permeable film is disposed between the humidified gas flow path and the humidified water flow path. The lower end of a branch pipe extending in the vertical direction is connected to the humidified water flow path at the upper part of the membrane humidifier, and the water circulating through the circulation supply pipe is always present at the lower end of the branch pipe. It is set as the structure connected to the lower part of the air discharge container.
[0025]
Claim6The invention of claim1 to 5In the configuration of the invention, the air discharge container is provided with a liquid level detecting means for detecting the liquid level of the internal water, and the opening to the atmosphere is controlled according to a liquid level detection signal from the liquid level detecting means. It is as composition to do.
[0026]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the upper end of the branch pipe whose lower end is connected to the circulation supply pipe located at a relatively higher height than the front and rear pipe sections is water that circulates through the circulation supply pipe. Is connected to the lower part of the air discharge container that always exists in the lower part, so that the air in the circulation supply pipe can be quickly moved to the air discharge container, and the air in the circulation supply pipe is efficiently discharged. It can be performed well, and an extra circulation pump driving work for securing a substantial amount of circulating water for venting air becomes unnecessary.
In addition, an air release passage for releasing the internal pressure of the air discharge vessel to the atmosphere is provided in the upper portion of the air discharge vessel, and an air release means for blocking and opening the passage is disposed in the middle of the air release passage. Even if the amount of air that is sent from the circulation supply line into the air discharge container and stays during operation is increased, the air can be released without stopping the operation by temporarily opening the air release means. The air in the air discharge container can be discharged into the atmosphere by the differential pressure between the internal pressure of the container and the atmospheric pressure. As a result, the air storage capacity of the air discharge container can be regenerated, and the operability of the system is improved. In addition, this atmosphere open passage can also be used as an inlet for water injection, and can be injected from a relatively high place of the circulation supply pipe, so that air is not confined in the circulation supply pipe, Water exchange work can be performed efficiently.
Further, among the plurality of air discharge containers installed in the circulation supply pipe, the air release means of the air discharge container at the highest position is from the time when the fuel cell system is shut down until the next start of operation. During the process, the circulating water in the circulation supply line naturally cools and the volume shrinks, so that air corresponding to the water shrinkage flows into the air discharge container through the air release means. Become. As a result, it is possible to avoid negative pressure in each part of the circulation supply pipe during cooling, and to prevent air from being sucked in from the joint of the circulation supply pipe. This can facilitate and improve the startup characteristics of the fuel cell system.
[0027]
According to the invention of claim 2, the lower end of the branch pipe is connected in communication with the vicinity of the inlet of the circulation pump in the circulation supply pipe, and the water circulating through the circulation supply pipe is always below the upper end of the branch pipe. Because it is connected to the lower part of the air discharge container existing in the air, even if air is present in the circulation supply pipe near the suction port of the circulation pump, the air is easily moved to the air discharge container. Therefore, the air in the circulation supply pipe can be discharged efficiently, and the circulation pump can always discharge a stable amount of water.
[0028]
According to the invention of claim 3, the circulation supply pipe is provided with the humidified water flow path in the humidifying means for humidifying the humidified water by supplying humidified water to at least one humidified gas of the fuel and oxidant supplied to the fuel cell stack. In addition, by quickly driving the air in the circulation supply line to the air discharge container, the driving force of the circulation pump can be reduced to the minimum required amount of circulating water to meet the required amount of humidification means. The fuel cell system can be operated while suppressing the energy efficiency of the entire system as a result. In addition, by moving the air in the circulation supply line near the circulation pump suction port to the air discharge container, it is easy to vent the air at this site, so the situation where the amount of circulating water is insufficient can be avoided, and the humidified gas The humidification amount control becomes easy, the moisture content of the electrolyte membrane of the fuel cell can be properly maintained, and the durability and reliability of the fuel cell stack can be improved.
[0029]
According to the invention of claim 4, the circulation supply pipe includes a cooling water passage through which cooling water for removing reaction heat generated in the fuel cell stack passes, and the air in the circulation supply pipe By quickly moving the air to the air discharge container, the driving force of the circulation pump is reduced to the amount corresponding to the amount of circulating water required to remove excess heat in the fuel cell stack, while the fuel cell system As a result, the energy efficiency of the entire system can be increased. In addition, by moving the air in the circulation supply line near the circulation pump suction port to the air discharge container, it is easy to vent the air at this part, so the situation where the circulating water amount is insufficient can be avoided, and the cooling water amount control can be performed. It becomes easy and the durability and reliability of the fuel cell stack can be improved.
[0030]
According to the invention of claim 5, a membrane humidifier is used as a humidifying means, and an air discharge container connected to an internal humidified water flow path and a branch pipe is provided above the membrane humidifier. When replacing the water in the supply pipe, etc., the humidified water flow path has a narrow and complicated structure, and the air inside the membrane humidifier is generally difficult to vent. The air pump can easily be driven from the air to the air discharge container, and the driving force of the circulation pump can be kept to a minimum even during operation immediately after the replacement of the humidified water. As a result, the entire fuel cell system The energy efficiency of can be further increased.
[0033]
Claim6According to the invention, the air discharge container is provided with the liquid level detection means capable of detecting the liquid level inside, and according to the liquid level detection signal from the liquid level detection means, the air release means is controlled to open and close. The liquid level in the air discharge container and the change in the liquid level can be accurately detected, and the air in the air discharge container can be effectively discharged into the atmosphere at an appropriate timing. As a result, the air venting performance in the air discharge container can be stabilized even during operation of the fuel cell system, and the drivability can be further improved.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0035]
FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram of a water circulation device showing a first embodiment of the present invention.
[0036]
The circulation supply pipe 21 is provided with a water circulation pump 23 as a circulation pump that circulates the water filled in the circulation supply pipe 21 and a water utilization device 25 that uses the circulated water. The water discharged from the discharge port of the water circulation pump 23 flows through the circulation supply pipe 21 and is supplied to the water utilization device 25. The water discharged after being used in the water utilization device 25 flows again in the circulation supply pipe 21 and returns to the suction port of the water circulation pump 23.
[0037]
Examples of the water utilization device 25 include a humidifier in a fuel cell system and a fuel cell stack to which cooling water is supplied.
[0038]
The fuel cell stack has at least one unit cell in which an electrolyte membrane is disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode, and includes at least a fuel supplied to the fuel electrode and an oxidant supplied to the oxidant electrode. Humidified water is supplied to one humidified gas by the humidifier described above. Accordingly, the humidified water flows through the circulation supply pipe 21 in this case.
[0039]
In addition, the fuel cell stack is provided with a cooling water supply groove through which stack cooling water flows to keep the cell stack temperature appropriate by removing excess heat generated by power generation. Therefore, the stack cooling water flows through the circulation supply pipe 21 in this case.
[0040]
Such a circulation supply line 21 in the fuel cell system inevitably increases or decreases in height position due to the layout of each device and each device constituting the system. In such a circulation supply pipe 21 that flows while changing its height, the plurality of pipe portions 21a, 21b, 21c, and the height positions in the vertical direction are relatively higher than the pipe parts before and after that. A gas-liquid separation tank 27 for venting air as an air discharge container is provided at each upper part of the vicinity of the suction port 21 d of the water circulation pump 23.
[0041]
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. The lower end of the gas-liquid separation tank 27 is connected to the upper end of a branch pipe 29 extending in the vertical direction, and the lower end of the branch pipe 29 is connected to the circulation supply pipe 21. In the gas-liquid separation tank 27, a predetermined amount of water circulating in the circulation supply pipe 21 is always present.
[0042]
In the water circulation device shown in FIG. 1, when the water circulation pump 23 operates, the water discharged from the water circulation pump 23 is supplied to the water utilization device 25, and the water used here is discharged from the water utilization device 25. Then, it again flows through the circulation supply pipe 21 and returns to the water circulation pump 23.
[0043]
At this time, even if a gas such as air is mixed in the circulation supply pipe 21, the steam and water are separated into relatively high places (a plurality of locations 21 a, 21 b, 21 c) in the circulation supply pipe 21. Since the tank 27 is installed, a gas such as air is easily guided into the air / water separation tank 27 through the branch pipe 29 while the water is circulated. This eliminates the need for extra driving work of the water circulation pump 23 for securing a substantial amount of circulating water for venting air, and improves the energy efficiency of the entire water circulation device including the water utilization device 25.
[0044]
Further, since the air / water separation tank 27 is also installed near the suction port 21d of the water circulation pump 23, even if air is present in the circulation supply line 21 near the suction port 21d of the water circulation pump 23, for example. Air can be easily moved into the steam-water separation tank 27. Thereby, the air mixing state in the circulation supply pipe 21 is quickly eliminated, the water circulation pump 23 can always discharge a stable amount of water, and the operability of the entire water circulation device is improved.
[0045]
FIG. 3 is a schematic overall configuration diagram of a water circulation device showing a second embodiment of the present invention. The second embodiment is applied to a humidified pure water circulation device of a solid polymer electrolyte fuel cell system. The humidified water used to humidify the fuel and oxidant gas supplied to the fuel cell stack may be pure water with low conductivity that does not contain ionic components in order to prevent short circuit between battery electrodes. It is common.
[0046]
The circulation supply line 31 in this water circulation device includes a pure water circulation pump 33 as a circulation pump for circulating pure water filled in the circulation supply line 31, and humidification as a water utilization device that uses the purified water to circulate. A membrane humidifier 35 and a heat exchanger 37 as means are provided.
[0047]
The membrane humidifier 35 is connected to the circulation supply pipe 31 described above, and is also connected to a humidified gas pipe 39 through which fuel or oxidant as the humidified gas flows. Are formed with a humidified water flow path and a humidified gas flow path connected to the circulation supply pipes 31 and the humidified gas pipe 39, respectively. A moisture-permeable film is disposed between the humidified water channel and the humidified gas channel, and the humidified water is humidified by directly contacting the humidified gas.
[0048]
The heat exchanger 37 is connected to the circulation supply pipe 31 and a high-temperature fluid pipe 41 through which a high-temperature fluid such as cooling water of the fuel cell stack flows, and the high-temperature fluid in the high-temperature fluid pipe 41 is connected. And the humidified water flowing through the circulation supply pipe 31 exchanges heat.
[0049]
A pure water storage tank 45 is connected to the circulation supply line 31 in the vicinity of the suction port 31 b of the pure water circulation pump 33 via a pure water supply pipe 43.
[0050]
And in the above-mentioned circulation supply pipeline 31, in the location 31a of the piping portion where the height position in the vertical direction is relatively higher than that of the front and rear piping portions, and in the vicinity of the suction port 31b of the pure water circulation pump 33 A gas-liquid separation tank for venting air connected to the circulation supply pipe 31 via the branch pipe 29 at the upper part of each upstream side of the connection part of the pure water supply pipe 43 as shown in FIG. 27 are provided.
[0051]
In the circulation supply pipe 31, there is one pipe portion 31a whose height in the vertical direction is relatively higher than that of the front and rear pipe portions. However, as shown in FIG. The gas-liquid separation tanks 27 may be provided at the plurality of locations.
[0052]
In the water circulation device shown in FIG. 3, the pure water stored in the pure water storage tank 45 is first sucked into the pure water circulation pump 33 and discharged to the outlet side. The discharged pure water is supplied to the membrane humidifier 35 through the circulation supply pipe 31. Inside the membrane humidifier 35, as described above, the humidified gas that passes through the humidified gas flow path and the pure water come into contact with each other through the membrane, thereby humidifying the humidified gas.
[0053]
At the same time, a part of the heat of pure water is also given to the humidified gas, so that the temperature of the humidified gas also rises. The pure water having a lowered temperature flowing out from the membrane humidifier 35 is supplied to the heat exchanger 37 through the circulation supply pipe 31 again. In the heat exchanger 37, heat exchange is performed between the high-temperature fluid such as the cooling water of the fuel cell stack passing through the high-temperature fluid conduit 41 and the pure water from which heat has been removed by the humidifier 35. The pure water is circulated through the circulation supply line 31 by flowing through the circulation supply line 31 and returning to the suction port side of the pure water circulation pump 33 after obtaining heat and increasing the temperature.
[0054]
At this time, even if a gas such as air is mixed in the circulation supply pipe 31, the air / water separation tank 27 is installed in a relatively high place (location 31 a) in the circulation supply pipe 31. Therefore, while the pure water is circulated, a gas such as air is easily introduced into the gas / water separation tank 27. This eliminates the need for extra driving work of the pure water circulation pump 33 for securing the amount of pure circulating pure water for air removal, and improves the energy efficiency of the entire fuel cell system.
[0055]
Further, since the steam / water separation tank 27 is also installed near the suction port 31b of the pure water circulation pump 33, air exists in the circulation supply pipe 31 in the vicinity of the suction port 31b of the pure water circulation pump 33, for example. Even in this case, the air can be easily moved into the air / water separation tank 27. Thereby, the air mixing state in the circulation supply pipe 31 is quickly eliminated, and the pure water circulation pump 33 can always discharge a stable amount of pure water, thereby improving the operability of the fuel cell system.
[0056]
FIG. 4 is a schematic overall configuration diagram of a water circulation device showing a third embodiment of the present invention. This third embodiment is applied to a cooling water circulation device for a fuel cell stack of a solid polymer electrolyte fuel cell system.
[0057]
The circulation supply pipe 51 in this water circulation device includes a cooling water circulation pump 53 as a circulation pump for circulating the cooling water filled in the circulation supply pipe 51, and a fuel cell as a water utilization device using the circulating cooling water. A stack 55, a heat exchanger 57, and a radiator 59 are provided.
[0058]
The fuel cell stack 55 is connected with the above-described circulation supply pipe 51 and a reaction gas pipe 61 through which a reaction gas flows, and each of these circulation supply pipes 51 is connected to the fuel cell stack 55. A cooling water channel and a reaction gas channel connected to the reaction gas pipe 61 are formed.
[0059]
The heat exchanger 57 is connected to the circulation supply pipe 51 described above, and is connected to a low-temperature fluid pipe 63 through which a low-temperature fluid such as pure water after passing through the humidifier of the fuel cell stack 55 flows. The low-temperature fluid in the passage 63 and the cooling water flowing through the circulation supply pipe 51 exchange heat.
[0060]
A cooling water storage tank 67 is connected to the circulation supply pipe line 51 near the suction port 51 b of the cooling water circulation pump 53 via a pure water supply pipe 65.
[0061]
And in the above-mentioned circulation supply pipe line 51, in the upper part of the part 51a of the pipe part where the height position in the vertical direction is relatively higher than the pipe parts before and after that, as shown in FIG. Similarly, a gas-liquid separation tank 27 for venting air connected to the circulation supply pipe 51 via the branch pipe 29 is provided.
[0062]
In the circulation supply pipe 51, the number of the pipe parts 51a whose height in the vertical direction is relatively higher than that of the front and rear pipe parts is one. However, as shown in FIG. The gas-liquid separation tanks 27 may be provided at the plurality of locations.
[0063]
In the water circulation device shown in FIG. 4, the pure water stored in the cooling water storage tank 67 is first sucked into the cooling water circulation pump 53 and discharged to the outlet side. The discharged cooling water is supplied to the fuel cell stack 55 through the circulation supply pipe 51. Inside the fuel cell stack 55, the fuel gas flowing from the reaction gas pipe 61 reacts with the oxidant gas to generate electric power, and at that time, extra heat is supplied to the cooling water flowing through the circulation supply pipe 51. The internal temperature of the fuel cell stack 55 is maintained appropriately.
[0064]
The high-temperature cooling water flowing out from the fuel cell stack 55 is supplied to the heat exchanger 57 through the circulation supply pipe 51 again. In the heat exchanger 57, heat exchange is performed between the low-temperature fluid such as pure water that has passed through the humidifier passing through the low-temperature fluid conduit 63 and the cooling water that has been heated in the fuel cell stack 55. The cooling water discharges heat, lowers the temperature, and further flows through the circulation supply pipe 51 to release extra heat into the atmosphere by the radiator 59, thereby lowering the temperature, and the inlet of the cooling water circulation pump 53 By returning to the side, the circulating supply pipe 51 is circulated.
[0065]
At this time, even if a gas such as air is mixed in the circulation supply pipe 51, the air / water separation tank 27 is installed at a relatively high place (location 51a) in the circulation supply pipe 51. Therefore, a gas such as air is easily guided into the air / water separation tank 27 while the cooling water is circulating. This eliminates the need for extra driving work of the cooling water circulation pump 53 for venting air or securing a substantial amount of circulating cooling water, thereby improving the energy efficiency of the entire fuel cell system.
[0066]
In this example as well, as in the case of FIG. 3, the gas / water separation tank 27 is installed near the suction port 51 b of the cooling water circulation pump 53, so that the circulation supply of the vicinity 51 b of the cooling water circulation pump 53 is performed. Even when air is present in the pipeline 51, the air can be easily moved into the steam / water separation tank 27. Thereby, the air mixing state in the circulation supply pipe 51 is quickly eliminated, and the cooling water circulation pump 53 can always discharge a stable amount of cooling water, and the operability of the fuel cell system is improved.
[0067]
FIG. 5 schematically shows the internal configuration of the membrane humidifier 35 in the water circulation apparatus according to the second embodiment of FIG.
[0068]
Inside the membrane humidifier 35, there are a humidified gas channel 390 and a humidified water channel 310, respectively, and the humidified gas and the humidified water (pure water) are brought into contact with each other with a moisture-permeable film (not shown) interposed therebetween. The humidified gas is humidified. The humidified gas channel 390 is connected to the humidified gas channel 39, and the humidified water channel 310 is connected to the circulation supply channel 31.
[0069]
In this embodiment, the upper part of the membrane humidifier 35 is connected to the humidified water flow path 310 (circulation supply line 31) via the branch pipe 29, similar to that shown in FIG. A gas-liquid separation tank 27 for venting air is provided.
[0070]
Since the humidified water flow path 310 inside the membrane humidifier 35 is narrow and complicated, it is generally difficult for the air inside to escape, but with this configuration, the humidified water flow path inside the membrane humidifier 35 The air present in 310 can be easily driven to the steam separation tank 27.
[0071]
In particular, during operation immediately after exchanging pure water (humidified water), it becomes possible to quickly fill the humidified water flow path 310 inside the membrane humidifier 35 with pure water, and maximize the humidification performance of the membrane humidifier 35. Can be used. Since the pure water circulation pump 33 (see FIG. 3) only needs to circulate only the amount necessary for humidification, the extra pump driving work is reduced, and as a result, the energy efficiency of the entire fuel cell system is further improved. To do.
[0072]
Here, as shown in FIG.In the upper part of the steam / water separation tank 27 shown in FIG.IsAn atmosphere release passage 69 for releasing the tank internal pressure to the atmosphere is provided, and an atmosphere release valve 71 is provided in the middle of the atmosphere release passage 69 as an atmosphere release means for blocking and opening the passage.Need tois there.
[0073]
thisCaseDuring the operation of the fuel cell system, the air release valve 71 is temporarily opened when the amount of air that is sent from the circulation supply pipe 21 into the air / water separation tank 27 and stays increased. Thereby, the air in the steam-water separation tank 27 can be released into the atmosphere by the differential pressure between the internal pressure of the steam-water separation tank 27 and the atmospheric pressure without stopping the operation, and the air storage capacity of the steam-water separation tank 27 is regenerated. This improves the operability of the system.
[0074]
In addition, the air release passage 69 can be used as an inlet for water injection into the circulation supply pipe 21 and can be injected from a relatively high place in the circulation supply pipe 21, so that air can be injected. Water can be exchanged efficiently without being confined in the circulation supply pipe 21.
[0075]
Here, as shown in FIG. 7 (a), when the air / water separation tank 27 is not provided with the atmosphere opening passage 69 as shown in FIG. Assume that point B is assumed to be when the fuel cell system is operated for a certain period of time and the operation is stopped and left after warming up when the temperature of the circulating water is higher than the normal temperature. In this case, as shown in FIG. 7B, the water temperature gradually decreases with the passage of time after the operation is stopped, and the volume of the circulating water contracts as the temperature drops.
[0076]
For this reason, in the case of FIG. 7A in which the air-water separation tank 27 is hermetically sealed and there is no air opening passage, the pressure at point A is determined by the atmospheric pressure + tank water level immediately after the system is stopped. However, as shown in FIG. 7B, the pressure gradually decreases, and when a certain time elapses, the pressure becomes lower than the point B pressure (atmospheric pressure) and becomes negative.
[0077]
On the other hand, as shown in FIG. 8A, in the steam / water separation tank 27 provided with the air release passage 69, the air release passage 69 is opened from the time when the fuel cell system is stopped until the next time the operation is started. As shown in FIG. 7 (b), the A point pressure is always kept higher than the B point pressure as shown in FIG. 8 (c) even when the circulating water is naturally cooled and the volume contracts. be able to.
[0078]
FIG. 9 is a flowchart of control for opening the atmosphere release valve 71 in FIG. 6, and the algorithm will be described below.
[0079]
First, it is determined whether or not the rotation of the water circulation pump 23 has stopped (step 901). If not stopped, the process returns to step 901 again. If it is determined that the process has stopped, the atmosphere release valve 71 is fully opened (step 903).
[0080]
FIG. 10 is a flowchart of control for closing the atmosphere release valve 7 in FIG. 6, and the algorithm will be described below.
[0081]
First, after starting the system (step 1001), the atmosphere release valve 71 is fully closed (step 1003). Subsequently, the operation of the water circulation pump 23 is started (step 1005).
[0082]
In this way, the air / water separation tank 27 is provided with the air release passage 69 provided with the air release valve 71 and the control as shown in FIGS. 9 and 10 is performed, so that the circulation supply is performed at the time of cooling after the fuel cell system operation is stopped. It can avoid that each part in the pipe line 21 becomes a negative pressure, and can prevent the suction | inhalation of the air from the joint line etc. of the circulation supply pipe line 21. FIG. For this reason, the air venting operation at the start of the next operation is facilitated, and the starting characteristics of the fuel cell system are improved.
[0083]
At this time, by performing control to open only the air release valve 71 at the upper part of the tank among the plurality of air / water separation tanks 27 installed in the circulation supply pipe 21, Due to the difference in water level between the steam-water separation tanks 27, water does not overflow from the steam-water separation tank 27 at a low position, which is preferable in terms of system operation.
[0084]
In FIG. 11, a liquid level sensor 73 as a liquid level detecting means for detecting the liquid level in the tank is installed in the steam / water separation tank 27 in the configuration of FIG. In the liquid level sensor 73, the float 73a floating on the liquid level in the tank moves up and down while being guided by the guide rod 73b corresponding to the upper and lower levels of the liquid level, and the detection unit 73c detects the vertical position. To do. The liquid level signal from the liquid level sensor 73 is sent to the control unit 75, and a valve opening / closing signal is transmitted to the atmosphere release valve 71 according to the liquid level.
[0085]
FIG. 12 is a flowchart for controlling the opening and closing of the air release valve 71 shown in FIG. 11, and the algorithm will be described below.
[0086]
First, it is determined whether the liquid level in the steam separation tank 27 has fallen below a predetermined lower limit (step 1201). If the predetermined lower limit has not yet been reached, the process returns to step 1201. If the predetermined lower limit is not reached, it is determined that a large amount of air has accumulated in the steam separation tank 27 and the air release valve 71 is fully opened. (Step 1203).
[0087]
If the system is in operation at this time, since the inside of the circulation supply line 21 is pressurized by the water circulation pump 23, it is at a positive pressure. Therefore, due to the pressure difference between the inside of the steam separation tank 27 and the atmosphere. The air accumulated in the steam / water separation tank 27 is released to the atmosphere, and the liquid level in the steam / water separation tank 27 rises.
[0088]
In this process, it is determined whether or not the liquid level in the steam / water separation tank 27 has exceeded a predetermined upper limit (step 1205). Here, if the liquid level has not yet reached the predetermined upper limit, the process returns to step 1205 again. However, if the liquid level has exceeded the predetermined upper limit, it is determined that the air in the steam separation tank 27 has been almost expelled. Then, the atmosphere release valve 71 is fully closed (step 1207).
[0089]
By performing the control as shown in FIG. 12 in the configuration shown in FIG. 11, it is possible to effectively release the air remaining in each steam separation tank 27 into the atmosphere at an appropriate timing. As a result, the air venting performance in each steam separation tank 27 can be stably maintained even during operation of the fuel cell system, and the operability of the system can be further improved.
[0090]
The air release passage 69, the air release valve 71, the liquid level sensor 73, and the control unit 75 are not limited to the water circulation device in FIG. 1, but are also applied to the air / water separation tank 27 in the water circulation device in FIGS. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram of a water circulation device showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
FIG. 3 is a schematic overall configuration diagram of a water circulation device showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic overall configuration diagram of a water circulation device showing a third embodiment of the present invention.
5 is a block diagram schematically showing a membrane humidifier in a water circulation device according to a second embodiment of FIG. 3; FIG.
FIG. 6 is a configuration diagram in which an air release passage having an air release valve is connected to the upper part of the air / water separation tank shown in FIG. 2;
7A is a configuration diagram in which an air release passage is not provided in the upper part of the air / water separation tank, FIG. 7B is a change characteristic diagram of water temperature after the system operation is stopped, and FIG. 7C is a circulation supply after the operation is stopped. It is a change characteristic figure of pressure in a pipe line.
FIG. 8A is a configuration diagram in which an air release passage is provided in the upper part of the steam-water separation tank, and FIG. 8B is a change characteristic diagram of the pressure in the circulation supply pipe after the operation is stopped.
FIG. 9 is a flowchart of control for opening the atmosphere release valve in FIG. 6;
10 is a flowchart of control for closing an air release valve in FIG. 6;
11 is a configuration diagram in which a liquid level sensor is installed in the steam / water separation tank in the configuration of FIG. 6;
12 is a flowchart for opening / closing control of an air release valve shown in FIG. 11;
FIG. 13 is a schematic view showing a configuration of a general solid polymer electrolyte fuel cell stack.
[Explanation of symbols]
23 Water circulation pump (circulation pump)
21, 31, 51 Circulation supply line
21d, 31b Near the inlet
27 Air / water separation tank (air discharge container)
29 Branch pipe
33 Pure water circulation pump (circulation pump)
35 Membrane humidifier (humidifying means)
53 Cooling water circulation pump (circulation pump)
55 Fuel cell stack
69 Open air passage
71 Air release valve (atmosphere release means)
73 Liquid level sensor (Liquid level detection means)
310 Humidified water flow path
390 Humidified gas flow path
