JP4007105B2

JP4007105B2 - On-vehicle fuel cell system

Info

Publication number: JP4007105B2
Application number: JP2002212309A
Authority: JP
Inventors: 隆志橋本; 静雄山元; 勝幸藤井; 均下野園
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2022-07-22
Also published as: JP2004055378A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両に搭載される燃料電池、とくにその起動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池スタックにおける加湿方法としては、水の状態で直接スタック内まで導き、多孔質材を介して供給ガスを加湿するものが、特開平０９−００７６２１号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような燃料電池スタックの加湿構造では、絶縁性等のことを考えるとスタックに導く加湿用の水は、極めて電気伝導度の低い純水であることが必要条件となる。この場合、氷点下２０℃レベルの極低温下においてはスタックの冷却も兼ねる純水が凍ってしまい、燃料電池システムを起動させることが不可能となるという問題点があった。加えて、凍結時の相変態により純水に体積変化が発生するので、熱交換器等を破損させてしまう可能性もある。
【０００４】
本発明の目的は、極低温時にも加湿することのできる、凍結のおそれのない燃料電池システムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池スタックに供給するガスを純水により加湿するようにした燃料電池システムにおいて、減圧雰囲気で不凍液より純水を選択的に分離透過するパーべーパレーション膜（浸透気化膜：ｐｅｒｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）を備える膜モジュールと、不凍液をこの膜モジュールに供給する不凍液の供給系と、膜モジュールに減圧雰囲気を及ぼして透過した純水を前記燃料電池スタックに供給する供給ガス中に混入する加湿手段と、
不凍液の供給系に備えられ不凍液を蓄えるリザーバタンクと、燃料電池スタックの排出ガス通路に設けた熱交換器と、熱交換器において排出ガス中から復水した純水を、燃料電池スタックの発電中にリザーバタンクに導く供給路と、を備えている。
【０００６】
【作用・効果】
本発明によれば、不凍液より純水を選択的に透過可能なパーべーパレーション膜を用いることで、基本的にシステム内に存在する液相は不凍液のみになり、純水系を持たずに燃料電池の起動時の加湿が可能となり、従って氷点下温度環境下においても、凍結のおそれなく、供給ガスを加湿させ起動させることができる。さらに本発明によれば、燃料電池スタックの発電中に、燃料電池スタックの排出ガス中から復水した純水を、不凍液を蓄えるリザーバタンクに導くことができる。
【０００７】
【実施形態】
以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
【０００８】
図１は第１実施形態であり、車両に搭載された燃料電池システムを概略的に示している。
【０００９】
１４は燃料電池スタックで、供給ガス通路１５及び排出ガス通路１６を有している。ただし、この場合、供給ガス通路１５は、燃料電池スタック１４の空気極に供給する空気（酸素）の供給系のみを示し、燃料ガスである水素の供給系は図示を省略してある。供給ガス通路１５には、空気を加圧するコンプレッサ１１と、加圧空気を冷却するアフタークーラ１２と、空気に純水を供給して加湿する加湿器１３が備えられる。
【００１０】
燃料電池スタック１４では、図示しない燃料ガスの供給系から供給される水素と、空気中の酸素とを反応させて発電し、この反応後の排出ガスが排出ガス通路１６に導かれる。この排出ガス通路１６には排出ガスを冷却し、排出ガス中に含まれる水蒸気を復水させるための、フィンなどよる自然空冷、あるいは冷却源をもつ、熱交換器２８が設けられる。
【００１１】
１７は車両冷却系１０に備えられるリザーバタンクであり、このリザーバタンク１７には極低温時にも凍結することのない不凍液が蓄えられ、車両冷却系１０に循環させられる。不凍液としては、たとえば、ロングライフクーラント（水とエチレングリコールの混合液）を使用する。このリザーバタンク１７には、前記熱交換器２８において復水した水を環流するため、熱交換器２８の下流から分岐した環流路２８ａが接続される。
【００１２】
一方、リザーバタンク１７から、不凍液の一部をパーベーパレーション膜モジュール（以下単に膜モジュールという）２２に循環させる循環経路２１が設けられ、この膜モジュール２２によって不凍液中から純水を分離抽出する。
【００１３】
このため、膜モジュール２２の入口部２２ａに接続する循環経路２１には、開閉バルブ１９ａ、フィルタ２０、供給ポンプ１８が配置され、膜モジュール２２の出口部２２ｄからリザーバタンク１７に戻る循環経路２１には開閉バルブ１９ｂが配置される。
【００１４】
膜モジュール２２の内部はＡ型ゼオライト膜、ポリビニール膜などで構成される浸透気化膜である、パーベーパレーション膜２２ｃで仕切られ、このパーベーパレーション膜２２ｃの外側領域には前記入口部２２ａと出口部２２ｄが接続され、これに対してパーベーパレーション膜２２ｃを透過した純水が抽出される内側領域は、モジュール透過出口部２２ｂが連通する。
【００１５】
この透過出口部２２ｂには前記加湿器１３に接続する透過純水経路２７が接続し、この純水経路２７には切替バルブ２４が設けられ、互いに並列な補助タンク２３ａとバイパス路２３ｂ、さらにその下流に遮断バルブ２５、減圧ポンプ２６が配置される。
【００１６】
減圧ポンプ２６の作動でパーベーパレーション膜２２ｃの下流側を吸引減圧することにより、上流側の不凍液から純水がパーベーパレーション膜２２ｃを透過して純水経路２７側へと分離抽出される。
【００１７】
５０はコントローラであり、コントローラ５０によって燃料電池スタック１４の極低温からの起動時など、前記供給ポンプ１８、減圧ポンプ２６、切替バルブ２４、遮断バルブ２５などが制御され、不凍液中の純水を抽出して加湿器１３に供給するようにしている。
【００１８】
コントローラ５０には、燃料電池スタック１４もしくは補助タンク２３ａの内部温度を検出する温度センサ５５、燃料電池スタック１４の供給ガスの湿度を検出する湿度センサ５６（もしくは燃料電池スタック電極膜の電気伝導度を測定可能なセンサ）などからの信号が入力し、これらに基づいて供給ガスに対する純水による加湿制御が行われる。
【００１９】
図２にはコントローラ５０による制御動作のルーチンを示し、図２を参照しながら併せて作用について説明する。
【００２０】
まず、ステップＳ１０で燃料電池の起動命令を読み込むと、ステップＳ１１で切替バルブ２４をバイパス路２３ｂ側に切り替える。
【００２１】
そして、ステップＳ１２で供給ポンプ１８、減圧ポンプ２６を駆動する。
【００２２】
これにより、車両冷却系１０より分岐された不凍液循環経路２１を介して膜モジュール２２に不凍液が供給される。膜モジュール２２の透過下流側に接続するは純水経路２７は、減圧ポンプ２６により減圧雰囲気に保たれる。このため膜モジュール２２の不凍液供給側と透過側とで圧力差が生じ、この圧力差を利用してパーべーパレーション膜２２ｃは、供給側の不凍液から透過側へ純水成分のみを選択して透過する。このように分離抽出された純水は、バイパス路２３ａ、遮断バルブ２５、減圧ポンプ２６から加湿器１３に導かれる。
【００２３】
ステップＳ１３では加湿器１３による燃料電池スタック１４の供給ガスに対する加湿を開始する。ステップＳ１４では前記湿度センサ５６の検出したスタック電極膜の湿度を発電反応に必要な湿度に相当する所定値と比較し、湿度が所定値を越えたなら、ステップＳ１５に進んで、燃料電池スタック１４に燃料ガスとしての水素ガスの供給を開始し、燃料電池スタック１４を始動する。
【００２４】
そして、燃料電池スタック１４の始動後は、ステップＳ１６で補助タンク２３ａの温度を、温度センサ５５の検出値から判断し、氷点下以下ならば、ステップＳ１７で、切替バルブ２４をバイパス路２３ｂ側に保ち続け、膜モジュール２２で透過抽出した純水を、そのままバイパス路２３ｂから加湿器１３へ導き、加湿を行う。
【００２５】
温度センサ５５の出力から氷点下以上になったことを検出したら、ステップＳ１８に進んで、切替バルブ２４を補助タンク２３ａ側に切り替える。これにより膜モジュール２２で分離抽出した純水は、一部が補助タンク２３ａに蓄えられながら、必要量が加湿器１３へと送り込まれる。
【００２６】
このようにして燃料電池スタック１４への供給ガスを加湿し、良好な発電反応を実行させることができるが、車両冷却系１０の不凍液は、水の抽出により次第にその水分濃度が低下していく。しかし、熱交換器２８において燃料電池スタック１４からの排出ガス中に含まれる水蒸気が復水され、これが環流路２８ａを介してリザーバタンク１７に導入されるので、不凍液の濃度を一定に維持することが可能となる。なお、排出ガス中に水分量は、燃料ガスの流量に応じたものとなり、通常は膜モジュール２２で抽出される純水量よりも多くなるので、環流路２８ａを流れる流量を、膜モジュール２２での純水の抽出量に一致させるように制御すると、不凍液の濃度を一定にすることが可能となる。
【００２７】
燃料電池起動時の温度が氷点下よりも高いとき、つまり凍結のおそれのないときは、切替バルブ２４を補助タンク２３ａ側に切替ておくことにより、始動後、直ちに補助タンク２３ａに蓄えられている純水を加湿のために供給できるので、燃料電池の起動時間を純水系を備えるものと同じように短縮できる。
【００２８】
また、減圧ポンプ２６については、常時駆動するのではなく、膜モジュール２２が所定の減圧雰囲気にあれば、遮断バルブ２５を閉じて、停止することができる。つまり、膜モジュール２２の下流側の圧力を検出する圧力センサを設置し、検出圧力が所定の減圧状態を維持するように、コントローラ５０により減圧ポンプ２６の作動と遮断バルブ２５の開閉を制御することで、減圧ポンプ２６の駆動を最小限にしながら、純水の分離抽出を行うことができる。
【００２９】
このように本実施形態によれば、膜モジュール２２によって不凍液中から透過抽出した純水を加湿器１３に供給するので、極低温時にも系内が凍結することなく、供給ガスの加湿を行うことが可能となる。
【００３０】
また、燃料電池スタック１４からの排出ガス中から水蒸気を復水してリザーバタンク１７に環流することで、不凍液の水分濃度が低下するのを防止できる。
【００３１】
さらに、膜モジュール２２において純水を分離された不凍液に対しては、排出ガス中から水分を回収して補充することにより、燃料電池システムとしての水収支を、別の水分補給手段を備えることなく、成立させることもできる。
【００３２】
燃料電池スタック１４に対する燃料ガスである水素の供給は、必要な加湿状態を得てから開始するので、燃料ガスの起動消費量を最小限することができる。
【００３３】
次に、図３に示す第２の実施形態を説明する。
【００３４】
ただし、以下の説明では、第１の実施形態と異なる部分を中心にして説明することにする。
【００３５】
膜モジュール２２は、図示するように、不凍液の供給側である入口部２２ａが、膜モジュール２２の鉛直下方に位置するように設けられ、その出口部２２ｄｔが上方に位置する。循環経路２１には入口側の開閉バルブ１９ａ、フィルタ２０、出口側の開閉バルブ１９ｂが設けられる。また、膜モジュール２２から分離した純水を取り出す透過出口部２２ｂが下方に設けられる。
【００３６】
これにより、循環経路２１に前記供給ポンプ１８を設けなくても、自然対流により膜モジュール２２に不凍液を供給することが可能となっている。
【００３７】
そして、膜モジュール２２の周囲にはヒータ２９が配置され、コントローラ５０によって通電を制御し、膜モジュール２２の温度を一定以上に保持し、不凍液中からの純水の分離機能を高めている。
【００３８】
なお、このために膜モジュール２２の温度を検出する温度センサ５８が設けられ、この検出値がコントローラ５０に入力されるようになっている。
【００３９】
次に、コントローラ５０の実行する制御動作を示す図４のフローチャートを参照しながら、作用を説明する。
【００４０】
この制御ルーチンは、膜モジュール２２の加熱動作を除いて、図２と同じであり、したがって、主として異なる部分についてのみ説明する。
【００４１】
ステップＳ１０、ステップＳ１１で燃料電池の起動後に、切替バルブ２４をバイパス側に切替えたら、前述した不凍液の透過制御である、ステップＳ１２以降に移行するとともに、ステップＳ２２以降の動作も同時に実行する。
【００４２】
すなわち、ステップＳ２２ではヒータ２９に通電し、加熱を開始する。ステップＳ２３で温度センサ５８の出力を、膜モジュール２２、ないしは不凍液の温度が６０〜８０℃に相当する設定値と比較する。膜モジュール２２の温度が設定値に達したならば、ステップＳ２４に進んでヒータ２９への通電を停止し、設定値以下ならば通電を維持し、このようにして膜モジュール２２の温度をパーベーパレーション膜２２ｃによる純水の分離効率が良好な状態に保持される。
【００４３】
このようにして本実施形態によれば、膜モジュール２２を加熱しながら純水の透過分離を同時に行うので、純水を効率よく透過させることができ、燃料電池スタック１４の起動までの時間を短縮することができる。
【００４４】
また、膜モジュール２２への不凍液の供給を自然対流を利用して行うので、供給ポンプが省け、かつその制御も不要となり、システムの簡略化が図れる。
【００４５】
さらに第３の実施形態を図５に基づいて説明する。
【００４６】
この実施形態では、純水経路２７に減圧ポンプ２６の代わりにエゼクタ３１を設けて、膜モジュール２２の透過下流側を減圧するようにしている。
【００４７】
供給ガス通路１５のコンプレッサ１１の上流にエゼクタ３１を配置し、このエゼクタ３１にコンプレッサ１１に吸い込まれる供給ガスを流し、エゼクタ３１に接続した純水経路２７を減圧するようにした。
【００４８】
この場合には、コンプレッサ１１によりエゼクタ３１を通過する供給ガスを加速し、このとき発生するに負圧により純水経路２７を減圧し、膜モジュール２２のパーベーパレーション膜２２ｃの上流と下流に圧力差を生じさせる。
【００４９】
このようにして膜モジュール２２では不凍液から純水を分離抽出し、これを純水経路２７を経由してエゼクタ３１により吸い込んで、供給ガスに混入する。したがって、この場合、加湿器を設けなくても供給ガスを加湿することも可能となる。
【００５０】
なお、膜モジュール２２の周囲を加熱するヒータ２９を併設することにより、上記と同じく膜モジュール２２での純水透過効率を良好に維持できる。
【００５１】
また、膜モジュール２２については、図３の実施形態と同じように、自然対流を利用して不凍液を循環させる構成とすることもできる。
【００５２】
したがって本実施形態にあっては、エゼクタ３１により膜モジュール２２に必要な減圧雰囲気と、供給ガスの加湿を行うことができるので、減圧ポンプ、加湿器を省略でき、システム構成の簡略化がはかれる。
【００５３】
第４の実施形態につき図６に基づいて説明する。
【００５４】
この実施形態では、システムの起動時に燃料ガスの供給を開始する前に、供給ガスとしての空気の加湿を効率よく行うもので、供給ガスの循環経路３５を構成してある。
【００５５】
このため、図５に示す第３の実施形態の構成を基本として、エゼクタ３１と燃料電池スタック１４をバイパスして循環経路３５が形成される。循環経路３５は燃料電池スタック１４の排出ガス通路１６の熱交換器２８の上流より分岐し、エゼクタ３１の上流側に接続する。循環経路３５の途中には循環バルブ３６ａが設けられ、また、熱交換器２８の入口側に循環バルブ３６ｂ、エゼクタ３１の上流側にも循環バルブ３６ｃがそれぞれ設けられる。
【００５６】
そして、システムの起動時には循環バルブ３６ａを開き、循環バルブ３６ｂ、３６ｃを閉じることで、コンプレッサ１１の作動により供給ガスが密閉型の循環経路３５を循環し、より効率よく加湿が行えるようになっている。
【００５７】
コントローラ５０が実行する図７に示すフローチャートを参照しながら、制御動作を説明する。
【００５８】
図４のフローチャートと異なる部分を中心に説明すると、起動指令後にステップＳ１２ａで、循環バルブ３６ａ〜３６ｃの開閉を行う。この場合、循環バルブ３６ａは開き、循環バルブ３６ｂ、３６ｃは閉じる。ステップＳ１２ｂでは、エアコンプレッサ１１を作動させ、エゼクタ３１による加湿を開始する。
【００５９】
このとき、循環経路３５は完全に密閉された循環系を構成し、エアコンプレッサ１１の作動により空気は、燃料電池スタック１４、排出ガス通路１６、循環経路３５、エゼクタ３１を経てエアコンプレッサ１１に戻る。
【００６０】
膜モジュール２２はエゼクタ３１により減圧され、純水経路１６には分離抽出された純水が導かれ、エゼクタ３１より循環する空気中に混入される。循環ガスの流速は高められ、純水経路１６は減圧度が増すため、膜モジュール２２による純水の分離作用が促進される。同時に、循環経路内の供給ガスは循環に伴って加湿されていき、飽和蒸気圧が上昇するので、より多くの水蒸気を効率良く取込むことが可能となる。
【００６１】
このようにして、供給ガスの湿度が、ステップＳ１４で、スタック電極膜の湿度を発電反応に必要な湿度に相当する所定値を越えたなら、ステップＳ１５ａに進んで、循環バルブ３６ａ〜３６ｃを通常の状態に戻し、つまり、循環バルブ３６ａを閉じ、循環バルブ３６ｂと３６ｃを開き、供給ガスが燃料電池スタック１４から排出ガス通路２６、熱交換器２８へと流れるように、流路切替を行う。さらに、ステップＳ１５ｂに進んで、燃料電池スタック１４に燃料ガスとしての水素ガスの供給を開始し、燃料電池スタック１４を始動する。
【００６２】
この以降のルーチンは、図２のフローチャートと同じであり、説明は省略するが、このようにして、燃料ガスである水素の供給を開始するまでの間に、供給ガスとしての空気を十分に加湿することができる。
【００６３】
したがって、本実施形態によれば、システムの起動時に密閉型の循環経路３５でエアコンプレッサ１１を作動させることで、循環ガスの流速を高め、エゼクタ３１による膜モジュール２２に対する減圧度を高め、純水の透過効率を向上させられる。また、循環する供給ガスに対する加湿による飽和水蒸気圧が上昇し、より効率のよい加湿が可能となり、このため起動時間の短縮がはかれる。
【００６４】
なお、膜モジュール２２に対する不凍液の供給は図３と同じように自然対流を利用して行うようにすることもできる。
【００６５】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、また発明の技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることはいうまでもない。
【００６６】
なお、不凍液から純水を選択的に透過させる機能を有するパーべーパレーション膜の具体例としては、上記のとおり、Ａ型ゼオライト膜やポリビニール膜等が挙げられるが、上記説明に合致し、本発明にて適用可能なものであれば、この限りではない。また不凍液の具体例としては、ロングライフクーラントなどが挙げられるが、極低温にて凍結することがなく、かつ不凍液から純水を選択的に透過させる機能を有するパーべーパレーション膜にて分離することが可能である（即ち、互いの分子の大きさが上記パーべーパレーション膜にて純水と分離可能な大きさを有する）純水との混合液体であれば、本発明における不凍液に含まれる。
【００６７】
なお、本発明における一連の説明で、氷点下、極低温と言っているのは、特別な併記をしていない限りは、−５０［℃］レベルまでも含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る車両搭載用燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】同じくその制御動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る車両搭載用燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図４】同じくその制御動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第３実施形態に係る車両搭載用燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る車両搭載用燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図７】同じくその制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０車両冷却系（不凍液循環系）
１１エアコンプレッサ
１２アフタークーラ
１３加湿器
１４燃料電池スタック
１５供給ガス通路
１６排出ガス通路
１７リザーバタンク
１８供給ポンプ
２１不凍液循環経路
２２パーべーパレーション膜モジュール
２２ｃパーべーパレーション膜
２３ａ補助タンク
２３ｂバイパス路２４
２４切替バルブ
２６純水経路
２７減圧ポンプ
２８熱交換器
２９ヒータ
３１エゼクタ
３５循環経路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell mounted on a vehicle, and more particularly to an activation system thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a humidification method in a fuel cell stack, Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-007621 discloses a method of directly guiding water into a stack and humidifying a supply gas through a porous material.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a humidifying structure of the fuel cell stack, it is necessary that the water for humidification led to the stack is pure water having a very low electrical conductivity in consideration of insulation and the like. In this case, there has been a problem in that the pure water that also serves to cool the stack freezes at an extremely low temperature of 20 ° C. below freezing point, making it impossible to start the fuel cell system. In addition, a volume change occurs in the pure water due to the phase transformation during freezing, which may damage the heat exchanger and the like.
[0004]
An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be humidified even at an extremely low temperature and has no risk of freezing.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a pervaporation membrane (pervaporation membrane) that selectively separates and permeates pure water from antifreeze liquid in a reduced pressure atmosphere in a fuel cell system in which gas supplied to a fuel cell stack is humidified with pure water. A non-freezing liquid supply system for supplying anti-freezing liquid to the membrane module, and a humidifying means for mixing pure water that has permeated and passed through the membrane module into the supply gas supplied to the fuel cell stack,
A reservoir tank for storing the antifreeze liquid provided in the antifreeze liquid supply system, a heat exchanger provided in the exhaust gas passage of the fuel cell stack, and pure water condensed from the exhaust gas in the heat exchanger is being generated by the fuel cell stack. And a supply path leading to the reservoir tank .
[0006]
[Action / Effect]
According to the present invention, by using a pervaporation membrane that can selectively permeate pure water from antifreeze, the liquid phase existing in the system is basically only antifreeze, and the fuel cell does not have a pure water system. Therefore, even when the temperature is below freezing temperature, the supply gas can be humidified and activated without any risk of freezing. Further, according to the present invention, during the power generation of the fuel cell stack, the pure water condensed from the exhaust gas of the fuel cell stack can be guided to the reservoir tank that stores the antifreeze liquid.
[0007]
Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0008]
FIG. 1 is a first embodiment schematically showing a fuel cell system mounted on a vehicle.
[0009]
A fuel cell stack 14 includes a supply gas passage 15 and an exhaust gas passage 16. However, in this case, the supply gas passage 15 shows only the supply system of air (oxygen) supplied to the air electrode of the fuel cell stack 14, and the supply system of hydrogen as the fuel gas is not shown. The supply gas passage 15 includes a compressor 11 that pressurizes air, an aftercooler 12 that cools the pressurized air, and a humidifier 13 that supplies pure water to the air to humidify it.
[0010]
In the fuel cell stack 14, hydrogen supplied from a fuel gas supply system (not shown) reacts with oxygen in the air to generate power, and the exhaust gas after this reaction is guided to the exhaust gas passage 16. The exhaust gas passage 16 is provided with a heat exchanger 28 having natural air cooling such as fins or a cooling source for cooling the exhaust gas and condensing water vapor contained in the exhaust gas.
[0011]
Reference numeral 17 denotes a reservoir tank provided in the vehicle cooling system 10. The reservoir tank 17 stores antifreeze liquid that does not freeze even at an extremely low temperature and is circulated to the vehicle cooling system 10. As the antifreeze, for example, a long life coolant (mixed solution of water and ethylene glycol) is used. The reservoir tank 17 is connected to an annular flow path 28 a branched from the downstream side of the heat exchanger 28 in order to circulate the water condensed in the heat exchanger 28.
[0012]
On the other hand, a circulation path 21 for circulating a part of the antifreeze liquid from the reservoir tank 17 to the pervaporation membrane module (hereinafter simply referred to as a membrane module) 22 is provided, and the membrane module 22 separates and extracts pure water from the antifreeze solution.
[0013]
For this reason, an opening / closing valve 19a, a filter 20, and a supply pump 18 are arranged in the circulation path 21 connected to the inlet portion 22a of the membrane module 22, and the circulation path 21 returning from the outlet portion 22d of the membrane module 22 to the reservoir tank 17 Is provided with an opening / closing valve 19b.
[0014]
The inside of the membrane module 22 is partitioned by a pervaporation membrane 22c, which is a pervaporation membrane composed of an A-type zeolite membrane, a polyvinyl membrane or the like, and the inlet portion 22a and the outer portion of the pervaporation membrane 22c The module permeation outlet portion 22b communicates with the inner region where the outlet portion 22d is connected and the pure water that has permeated through the pervaporation membrane 22c is extracted.
[0015]
A permeation pure water path 27 connected to the humidifier 13 is connected to the permeation outlet 22b, and a switching valve 24 is provided in the pure water path 27, and an auxiliary tank 23a and a bypass path 23b that are parallel to each other, and further A shutoff valve 25 and a decompression pump 26 are disposed downstream.
[0016]
By depressurizing and depressurizing the downstream side of the pervaporation membrane 22c by the operation of the decompression pump 26, pure water passes through the pervaporation membrane 22c from the upstream antifreeze and is separated and extracted to the pure water path 27 side.
[0017]
Reference numeral 50 denotes a controller. The controller 50 controls the supply pump 18, the decompression pump 26, the switching valve 24, the shutoff valve 25, and the like when starting the fuel cell stack 14 from an extremely low temperature, and extracts pure water in the antifreeze liquid. Thus, the humidifier 13 is supplied.
[0018]
The controller 50 includes a temperature sensor 55 that detects the internal temperature of the fuel cell stack 14 or the auxiliary tank 23a, and a humidity sensor 56 that detects the humidity of the gas supplied to the fuel cell stack 14 (or the electric conductivity of the fuel cell stack electrode film). A signal from a measurable sensor or the like is input, and based on these, humidification control with pure water is performed on the supply gas.
[0019]
FIG. 2 shows a routine of the control operation by the controller 50, and the operation will be described with reference to FIG.
[0020]
First, when a fuel cell start command is read in step S10, the switching valve 24 is switched to the bypass path 23b side in step S11.
[0021]
In step S12, the supply pump 18 and the decompression pump 26 are driven.
[0022]
As a result, the antifreeze is supplied to the membrane module 22 through the antifreeze circulation path 21 branched from the vehicle cooling system 10. The pure water path 27 connected to the permeate downstream side of the membrane module 22 is maintained in a reduced pressure atmosphere by the reduced pressure pump 26. For this reason, a pressure difference is generated between the antifreeze liquid supply side and the permeate side of the membrane module 22, and by using this pressure difference, the permeation membrane 22c selectively transmits only the pure water component from the supply side antifreeze liquid to the permeate side. To do. The pure water separated and extracted in this way is guided to the humidifier 13 from the bypass path 23a, the shutoff valve 25, and the decompression pump 26.
[0023]
In step S13, humidification of the gas supplied to the fuel cell stack 14 by the humidifier 13 is started. In step S14, the humidity of the stack electrode film detected by the humidity sensor 56 is compared with a predetermined value corresponding to the humidity required for the power generation reaction. If the humidity exceeds the predetermined value, the process proceeds to step S15, and the fuel cell stack 14 Then, supply of hydrogen gas as fuel gas is started, and the fuel cell stack 14 is started.
[0024]
After starting the fuel cell stack 14, the temperature of the auxiliary tank 23a is determined from the detection value of the temperature sensor 55 in step S16. If the temperature is below the freezing point, the switching valve 24 is kept on the bypass path 23b side in step S17. Subsequently, the pure water permeated and extracted by the membrane module 22 is directly introduced from the bypass path 23b to the humidifier 13 to perform humidification.
[0025]
If it is detected from the output of the temperature sensor 55 that the temperature is below the freezing point, the process proceeds to step S18, and the switching valve 24 is switched to the auxiliary tank 23a side. Thereby, a part of the pure water separated and extracted by the membrane module 22 is sent to the humidifier 13 while being stored in the auxiliary tank 23a.
[0026]
In this way, the gas supplied to the fuel cell stack 14 can be humidified and a good power generation reaction can be performed, but the water concentration of the antifreeze liquid in the vehicle cooling system 10 gradually decreases due to the extraction of water. However, since the water vapor contained in the exhaust gas from the fuel cell stack 14 is condensed in the heat exchanger 28 and introduced into the reservoir tank 17 via the annular flow path 28a, the concentration of the antifreeze liquid is maintained constant. Is possible. Note that the amount of water in the exhaust gas depends on the flow rate of the fuel gas, and is usually larger than the amount of pure water extracted by the membrane module 22. When the control is performed so as to match the extraction amount of pure water, the concentration of the antifreeze can be made constant.
[0027]
When the temperature at the start of the fuel cell is higher than the freezing point, that is, when there is no risk of freezing, the switching valve 24 is switched to the auxiliary tank 23a side so that the pure tank stored in the auxiliary tank 23a immediately after starting Since water can be supplied for humidification, the start-up time of the fuel cell can be shortened in the same way as with a pure water system.
[0028]
The decompression pump 26 is not always driven, and can be stopped by closing the shutoff valve 25 if the membrane module 22 is in a predetermined decompressed atmosphere. In other words, a pressure sensor for detecting the pressure downstream of the membrane module 22 is installed, and the controller 50 controls the operation of the decompression pump 26 and the opening / closing of the shutoff valve 25 so that the detected pressure maintains a predetermined decompressed state. Thus, separation and extraction of pure water can be performed while driving the decompression pump 26 to a minimum.
[0029]
As described above, according to the present embodiment, pure water permeated and extracted from the antifreeze liquid by the membrane module 22 is supplied to the humidifier 13, so that the supply gas is humidified without freezing the system even at an extremely low temperature. Is possible.
[0030]
Further, by condensing water vapor from the exhaust gas from the fuel cell stack 14 and circulating it to the reservoir tank 17, it is possible to prevent the moisture concentration of the antifreeze liquid from decreasing.
[0031]
Furthermore, the antifreeze from which the pure water has been separated in the membrane module 22 is recovered and replenished with water from the exhaust gas, thereby providing a water balance as a fuel cell system without providing another water replenishing means. It can also be established.
[0032]
Since the supply of hydrogen, which is a fuel gas, to the fuel cell stack 14 is started after obtaining a necessary humidified state, the startup consumption of the fuel gas can be minimized.
[0033]
Next, a second embodiment shown in FIG. 3 will be described.
[0034]
However, in the following description, the description will focus on parts that are different from the first embodiment.
[0035]
As shown in the figure, the membrane module 22 is provided such that an inlet portion 22a on the antifreeze supply side is positioned vertically below the membrane module 22, and its outlet portion 22dt is positioned above. The circulation path 21 is provided with an opening / closing valve 19a on the inlet side, a filter 20, and an opening / closing valve 19b on the outlet side. Further, a permeation outlet 22b for taking out pure water separated from the membrane module 22 is provided below.
[0036]
Thereby, it is possible to supply the antifreeze liquid to the membrane module 22 by natural convection without providing the supply pump 18 in the circulation path 21.
[0037]
A heater 29 is disposed around the membrane module 22, and energization is controlled by the controller 50 to maintain the temperature of the membrane module 22 at a certain level or more, thereby enhancing the function of separating pure water from the antifreeze.
[0038]
For this purpose, a temperature sensor 58 for detecting the temperature of the membrane module 22 is provided, and this detected value is input to the controller 50.
[0039]
Next, the operation will be described with reference to the flowchart of FIG. 4 showing the control operation executed by the controller 50.
[0040]
This control routine is the same as that shown in FIG. 2 except for the heating operation of the membrane module 22, and therefore only the different parts will be mainly described.
[0041]
When the switching valve 24 is switched to the bypass side after the fuel cell is started in Step S10 and Step S11, the process proceeds to Step S12 and subsequent steps, which are the above-described antifreeze permeation control, and the operation after Step S22 is also executed simultaneously.
[0042]
That is, in step S22, the heater 29 is energized and heating is started. In step S23, the output of the temperature sensor 58 is compared with a set value corresponding to a temperature of the membrane module 22 or antifreeze liquid of 60 to 80 ° C. If the temperature of the membrane module 22 reaches the set value, the process proceeds to step S24 to stop energization of the heater 29, and if it is equal to or less than the set value, the energization is maintained. The separation efficiency of pure water by the membrane 22c is maintained in a good state.
[0043]
Thus, according to the present embodiment, the permeation and separation of pure water is simultaneously performed while heating the membrane module 22, so that the pure water can be efficiently permeated and the time until the start of the fuel cell stack 14 is shortened. can do.
[0044]
In addition, since the antifreeze liquid is supplied to the membrane module 22 using natural convection, the supply pump can be omitted and the control thereof is not required, and the system can be simplified.
[0045]
Further, a third embodiment will be described with reference to FIG.
[0046]
In this embodiment, an ejector 31 is provided in the pure water path 27 instead of the decompression pump 26 so that the permeation downstream side of the membrane module 22 is decompressed.
[0047]
The ejector 31 is disposed upstream of the compressor 11 in the supply gas passage 15, and the supply gas sucked into the compressor 11 is caused to flow through the ejector 31, so that the pure water path 27 connected to the ejector 31 is decompressed.
[0048]
In this case, the supply gas passing through the ejector 31 is accelerated by the compressor 11, and the pure water passage 27 is decompressed by the negative pressure generated at this time, and the pressure is increased upstream and downstream of the pervaporation membrane 22 c of the membrane module 22. Make a difference.
[0049]
In this way, the membrane module 22 separates and extracts pure water from the antifreeze solution, and the pure water is sucked by the ejector 31 via the pure water path 27 and mixed into the supply gas. Therefore, in this case, the supply gas can be humidified without providing a humidifier.
[0050]
Note that by providing a heater 29 for heating the periphery of the membrane module 22, the pure water permeation efficiency in the membrane module 22 can be maintained well as described above.
[0051]
Moreover, about the membrane module 22, it can also be set as the structure which circulates antifreeze using natural convection similarly to embodiment of FIG.
[0052]
Therefore, in the present embodiment, the ejector 31 can humidify the decompressed atmosphere and the supply gas necessary for the membrane module 22, so that the decompression pump and the humidifier can be omitted, and the system configuration can be simplified.
[0053]
A fourth embodiment will be described with reference to FIG.
[0054]
In this embodiment, the supply gas circulation path 35 is configured to efficiently humidify the air as the supply gas before starting the supply of the fuel gas when the system is started.
[0055]
Therefore, on the basis of the configuration of the third embodiment shown in FIG. 5, the circulation path 35 is formed by bypassing the ejector 31 and the fuel cell stack 14. The circulation path 35 branches from the upstream side of the heat exchanger 28 in the exhaust gas passage 16 of the fuel cell stack 14 and is connected to the upstream side of the ejector 31. A circulation valve 36 a is provided in the middle of the circulation path 35, and a circulation valve 36 b is provided on the inlet side of the heat exchanger 28, and a circulation valve 36 c is also provided on the upstream side of the ejector 31.
[0056]
When the system is started, the circulation valve 36a is opened and the circulation valves 36b and 36c are closed, so that the supply gas circulates through the closed circulation path 35 by the operation of the compressor 11, and humidification can be performed more efficiently. Yes.
[0057]
The control operation will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0058]
4 will be mainly described. In step S12a after the start command, the circulation valves 36a to 36c are opened and closed. In this case, the circulation valve 36a is opened and the circulation valves 36b and 36c are closed. In step S12b, the air compressor 11 is operated and humidification by the ejector 31 is started.
[0059]
At this time, the circulation path 35 constitutes a completely sealed circulation system, and air is returned to the air compressor 11 through the fuel cell stack 14, the exhaust gas passage 16, the circulation path 35, and the ejector 31 by the operation of the air compressor 11. .
[0060]
The membrane module 22 is decompressed by the ejector 31, and the pure water separated and extracted is guided to the pure water path 16 and mixed into the air circulating from the ejector 31. Since the flow rate of the circulating gas is increased and the degree of decompression of the pure water path 16 is increased, the separation action of pure water by the membrane module 22 is promoted. At the same time, the supply gas in the circulation path is humidified as it is circulated, and the saturated vapor pressure rises, so that more water vapor can be taken in efficiently.
[0061]
In this way, if the humidity of the supply gas exceeds the predetermined value corresponding to the humidity required for the power generation reaction in step S14, the process proceeds to step S15a, where the circulation valves 36a to 36c are normally set. In other words, the circulation valve 36a is closed, the circulation valves 36b and 36c are opened, and the flow path is switched so that the supply gas flows from the fuel cell stack 14 to the exhaust gas passage 26 and the heat exchanger 28. Furthermore, it progresses to step S15b, supply of the hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell stack 14 is started, and the fuel cell stack 14 is started.
[0062]
The subsequent routine is the same as the flowchart in FIG. 2 and will not be described. However, the air as the supply gas is sufficiently humidified until the supply of hydrogen as the fuel gas is started in this way. can do.
[0063]
Therefore, according to the present embodiment, the air compressor 11 is operated in the sealed circulation path 35 at the time of starting the system, thereby increasing the flow rate of the circulating gas, increasing the degree of decompression of the membrane module 22 by the ejector 31, and Can improve the transmission efficiency. In addition, the saturated water vapor pressure due to humidification of the circulating supply gas is increased, and more efficient humidification is possible, thereby shortening the start-up time.
[0064]
The antifreeze liquid can be supplied to the membrane module 22 using natural convection as in FIG.
[0065]
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea of the invention.
[0066]
Specific examples of the pervaporation membrane having a function of selectively allowing pure water to permeate from the antifreeze liquid include an A-type zeolite membrane and a polyvinyl membrane as described above. The present invention is not limited to this as long as it is applicable in the invention. Specific examples of antifreeze liquids include long-life coolant, but they must be separated by a pervaporation membrane that does not freeze at extremely low temperatures and has a function of selectively allowing pure water to permeate from the antifreeze liquid. Any liquid mixture of pure water that can be separated from each other (that is, each molecule has a size that can be separated from the pure water by the pervaporation membrane) is included in the antifreeze liquid in the present invention.
[0067]
In the series of explanations in the present invention, the term “below freezing point and extremely low temperature” includes the level of −50 [° C.] unless otherwise specified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a vehicle-mounted fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing the control operation.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a vehicle-mounted fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart showing the control operation in the same manner.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a vehicle-mounted fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a vehicle-mounted fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart showing the control operation.
[Explanation of symbols]
10 Vehicle cooling system (antifreeze circulation system)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Air compressor 12 After cooler 13 Humidifier 14 Fuel cell stack 15 Supply gas path 16 Exhaust gas path 17 Reservoir tank 18 Supply pump 21 Antifreeze circulation path 22 Pervaporation membrane module 22c Pervaporation membrane 23a Auxiliary tank 23b Bypass path 24
24 Switching valve 26 Pure water path 27 Pressure reducing pump 28 Heat exchanger 29 Heater 31 Ejector 35 Circulation path

Claims

In the fuel cell system in which the gas supplied to the fuel cell stack is humidified with pure water,
A membrane module comprising a pervaporation membrane that selectively separates and permeates pure water from antifreeze in a reduced-pressure atmosphere;
An antifreeze supply system for supplying antifreeze to the membrane module;
Humidification means that mixes pure water permeated through a reduced pressure atmosphere in the membrane module into the supply gas supplied to the fuel cell stack;
A reservoir tank that is provided in the antifreeze supply system and stores the antifreeze;
A heat exchanger provided in an exhaust gas passage of the fuel cell stack;
A fuel cell system comprising: a supply path for guiding pure water condensed from exhaust gas in the heat exchanger to the reservoir tank during power generation of the fuel cell stack .

The membrane module is partitioned by a pervaporation membrane, an antifreeze liquid supply system is connected to an upstream region thereof, and a pure water path for guiding permeated pure water is connected to a downstream region of the membrane module. Fuel cell system.

3. The fuel cell according to claim 2, wherein the humidifying unit includes a decompression pump that decompresses a pure water path on a pure water permeation side of the membrane module, and a humidifier that mixes pure water sucked by the decompression pump into a supply gas. system.

The humidifying means includes an ejector connected to depressurize a pure water passage on the pure water permeation side of the membrane module, and an air compressor arranged in series with the ejector with respect to a supply gas passage. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein pure water is sucked and mixed into the supply gas passing through the ejector by the operation of.

The pure water path on the pure water permeation side of the membrane module includes a switching valve, an auxiliary tank branched from the switching valve and arranged in parallel, and a bypass path. Fuel cell system.

6. The fuel cell system according to claim 5, comprising means for detecting the water temperature of the auxiliary tank and means for switching a switching valve to the auxiliary tank side when the water temperature is not frozen.

The fuel cell system according to claim 3, wherein the pure water path includes a shutoff valve disposed upstream of the pressure reducing pump.

Wherein the supply system of the antifreeze pure water path of the pure water permeate side, to so that a reduced pressure is maintained in the purified water path as the pervaporation membrane is transmitted by selecting only pure water components, vacuum 8. The fuel cell system according to claim 7, further comprising means for controlling the pump and the shutoff valve.

Means for detecting the humidified state of the fuel cell stack, and supply of fuel gas is started after the humidity of the stack electrode film of the fuel cell stack reaches a humidified state corresponding to the humidity required for power generation reaction at the time of system startup The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, further comprising a control unit.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the membrane module is provided with a heater.

Means for detecting the temperature of the membrane module, and means for controlling the energization of the heater to maintain the temperature of the membrane module the temperature as function of separating pure water is increased in a good good from the antifreeze A fuel cell system according to claim 10.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11, wherein the supply system of the antifreeze liquid includes a reservoir tank connected to a vehicle cooling system and a pump that supplies the antifreeze liquid from the reservoir tank to the membrane module.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 11, wherein the supply system of the antifreeze liquid includes a reservoir tank connected to a vehicle cooling system and a supply path for supplying the antifreeze liquid from the reservoir tank to the membrane module by natural convection. system.

A circulation path that short-circuits from the exhaust gas passage of the fuel cell stack to the supply gas passage upstream of the ejector, and this circulation path can be switched to a sealed flow path that sequentially circulates the supply gas through the ejector, the compressor, and the fuel cell stack. The fuel cell system according to claim 4, further comprising a circulation valve, wherein the fuel gas is humidified while the supply gas is circulated through the circulation path when the system is started.

The fuel gas supply that closes the circulation path and starts the supply of the fuel gas to the fuel cell stack after the humidity of the stack electrode film of the fuel cell stack reaches a humidified state corresponding to the humidity required for the power generation reaction. The fuel cell system according to claim 14, comprising: means.