JP4222116B2

JP4222116B2 - Fuel cell system

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Publication number: JP4222116B2
Application number: JP2003170261A
Authority: JP
Inventors: 信雄藤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2023-06-16
Also published as: JP2005005228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池で生成される水の凍結を抑制するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給部と、酸化ガス供給部と、を備えている。燃料電池は、燃料ガス供給部から供給された燃料ガスに含まれる水素ガスと、酸化ガス供給部から供給された酸化ガス（空気）に含まれる酸素ガスと、を利用して発電する。
【０００３】
燃料電池内部で水素ガスと酸素ガスとが反応すると、水（生成水）が生成される。生成水は、酸化オフガス通路や燃料オフガス通路を介して、外部に排出される。しかしながら、寒冷地で燃料電池システムの運転が実行される場合には、生成される水が酸化オフガス通路や燃料オフガス通路内で凍結してしまう虞がある。
【０００４】
特許文献１では、燃料ガス供給部は、メタノールを改質することによって水素ガスを生成する。そして、原料であるメタノールを凍結抑制剤として酸化オフガス通路内に供給することにより、生成水の凍結を抑制している。
【特許文献１】
特開平１０−２２３２４９号公報
【０００５】
また、他の従来技術としては、以下の文献が挙げられる。
【特許文献２】
特開平８−１８５８７７号公報
【特許文献３】
特開２０００−３１３６０３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置では、生成水とメタノールとの混合液は、改質原料として消費される。このため、メタノールが不足する場合には、生成水が凍結してしまう虞がある。そして、生成水が凍結すると、酸化オフガス通路や燃料オフガス通路が塞がれ、燃料電池システムの運転が妨げられてしまう。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、凍結抑制剤の不足に起因する水の凍結を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排出ガスが通る排出ガス通路と、
前記燃料電池から排出され、前記排出ガス通路を通る水の凍結を抑制するために、前記排出ガス通路内に凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この装置では、凍結抑制剤循環部が設けられているため、凍結抑制剤の不足を防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、排出ガス通路内で水が凍結するのを抑制することができる。
【００１０】
上記の装置において、
前記凍結抑制剤循環部は、
前記排出ガス通路の上流側部分に凍結抑制剤を供給するための供給部と、
前記排出ガス通路の下流側部分から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、
を備えることが好ましい。
【００１１】
こうすれば、排出ガス通路内に供給される凍結抑制剤の濃度の低下を抑制することができ、排出ガス通路の上流側部分から下流側部分までにおける水の凍結を抑制することができる。
【００１２】
本発明の第２の装置は、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排出ガスが通る排出ガス通路と、
前記排出ガス通路に設けられ、前記燃料電池から排出された水を貯留するための水貯留部と、
前記水貯留部に貯留される水の凍結を抑制するために、前記水貯留部内に凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
この装置では、凍結抑制剤循環部が設けられているため、凍結抑制剤の不足を防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、水貯留部内で水が凍結するのを抑制することができる。
【００１４】
上記の装置において、さらに、
前記排出ガス通路に設けられ、排出ガスに含まれる水蒸気を分離するための気液分離部を備え、
前記気液分離部は、分離後の水を貯留するための前記水貯留部を含むようにしてもよい。
【００１５】
上記の装置において、
前記凍結抑制剤循環部は、
前記水貯留部内に凍結抑制剤を供給するための供給部と、
前記水貯留部から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、
を備えることが好ましい。
【００１６】
こうすれば、水貯留部内に供給される凍結抑制剤の濃度の低下を抑制することができ、水貯留部における水の凍結を抑制することができる。
【００１７】
上記の第１および第２の装置において、さらに、
前記回収精製部によって精製された凍結抑制剤を貯蔵するための貯蔵部を備えることが好ましい。
【００１８】
こうすれば、貯蔵部内に精製済みの凍結抑制剤を貯蔵することができるため、貯蔵部内で精製済みの凍結抑制剤が水と混合して精製済みの凍結抑制剤の濃度が低下してしまうのを抑制することができる。
【００１９】
上記の第１および第２の装置において、
前記回収精製部は、ヒータを備えており、
前記回収精製部は、水と凍結抑制剤との沸点の相違を利用して、前記精製を実行するようにしてもよい。
【００２０】
あるいは、上記の第１および第２の装置において、
前記回収精製部は、分離膜を備えており、
前記回収精製部は、水と凍結抑制剤との分子サイズの相違を利用して、前記精製を実行するようにしてもよい。
【００２１】
このように、回収精製部は、種々の手法で混合液中の凍結抑制剤を精製することができる。
【００２２】
なお、本発明は、燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載した移動体などの装置、燃料電池システムにおける凍結抑制剤の循環方法、等の種々の態様で実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
【００２４】
図示するように、燃料電池システムは、燃料電池１００と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部２００と、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部３００と、燃料電池システム全体の動作を制御するための制御部６００と、を備えている。
【００２５】
燃料電池１００には、燃料ガス供給部２００から供給される燃料ガスが通る燃料ガス通路２０１と、使用済みの燃料オフガスが通る燃料オフガス通路２０２と、が接続されている。なお、燃料ガス通路２０１と燃料オフガス通路２０２との間には、循環通路２０３が設けられている。また、燃料電池１００には、酸化ガス供給部３００から供給される酸化ガスが通る酸化ガス通路３０１と、使用済みの酸化オフガスが通る酸化オフガス通路３０２と、が接続されている。
【００２６】
燃料電池１００（図１）は、発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。図２は、図１に示す燃料電池１００の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、燃料電池１００は、複数の単電池（単セル）１１０が積層されて形成されている。そして、各単セル間には、セパレータ１２０が配置されている。
【００２７】
単セル１１０は、電解質膜１１２と、アノード（水素極）１１４ａと、カソード（酸素極）１１４ｃと、を含んでおり、電解質膜１１２は、２つの電極１１４ａ，１１４ｃによって挟まれている。各セパレータ１２０は、隣接する一方の単セル内のアノード１１４ａに接するとともに、他方の単セル内のカソード１１４ｃに接するように、配置されている。セパレータ１２０の両面には、複数の溝が形成されており、アノード１１４ａとセパレータ１２０との間、および、カソード１１４ｃとセパレータ１２０との間には、それぞれ複数の小通路１２１，１２２が形成される。
【００２８】
アノード側通路１２１には、燃料ガス供給部２００から水素ガスを含む燃料ガスが供給され、カソード側通路１２２には、酸化ガス供給部３００から酸素ガスを含む酸化ガスが供給される。そして、以下に示す電気化学反応が進行する。
【００２９】
Ｈ₂→ ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→ Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→ Ｈ₂Ｏ …（３）
【００３０】
式（１）はアノード１１４ａにおける反応を示しており、式（２）はカソード１１４ｃにおける反応を示している。そして、全体では、式（３）に示す反応が進行する。なお、カソード１１４ｃにおいて生成される水（水蒸気）は、「生成水」と呼ばれる。
【００３１】
燃料ガス供給部２００（図１）は、水素ガスを含む燃料ガスを燃料電池１００に供給する。燃料ガス供給部２００は、水素タンク２１０と、減圧器２２０と、流量制御弁２３０と、を備えている。
【００３２】
水素タンク２１０は、水素ガスを高い圧力で貯蔵する。減圧器２２０は、水素タンクから供給された水素ガスを所定の圧力に減圧する。流量制御弁２３０は、燃料電池システムの運転期間中には、間欠的に開状態に設定され、運転停止期間中には閉状態に設定される。流量制御弁２３０が開状態に設定される場合には、燃料ガスは、燃料ガス通路２０１を介して、燃料電池１００に供給される。
【００３３】
燃料ガス供給部２００は、さらに、循環ポンプ２７０と、気液分離部２８０と、遮断弁２９０と、を備えている。循環ポンプ２７０は、循環通路２０３に設けられており、気液分離部２８０と遮断弁２９０とは、燃料オフガス通路２０２に設けられている。循環ポンプ２７０は、水素ガス濃度の比較的低い燃料オフガスを、燃料ガスとして燃料ガス通路２０１内に戻す機能を有している。この構成によって、燃料ガスは、循環ポンプ２７０と燃料電池１００との間の環状通路内を循環する。このように燃料ガスを循環させることにより、燃料電池１００内部に単位時間当たりに供給される水素ガス流量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を増大させることができ、この結果、燃料電池１００における反応効率を向上させることができる。ただし、燃料電池１００における電気化学反応が進むに連れて、環状通路内の燃料ガスに含まれる水素ガス量（ｍｏｌ）は低減する。また、燃料電池１００内部の電解質膜１１２を介して、カソード側通路１２２内の酸化ガスに含まれる窒素ガスや水蒸気（生成水）などがアノード側通路１２１内の燃料ガス中に侵入する。このため、燃料ガス中の水素ガス濃度（体積百分率）は次第に低下する。そこで、本実施例では、流量制御弁２３０と遮断弁２９０とを間欠的に開状態に設定して、水素ガス濃度の高い燃料ガスを燃料電池１００に供給すると共に、水素ガス濃度の低い燃料オフガスを燃料電池１００から排出する。使用済みの燃料オフガスは、燃料オフガス通路２０２を介して大気に排出される。なお、気液分離部２８０は、燃料オフガス中に含まれる水蒸気を除去する機能を有している。具体的には、気液分離部２８０は、例えば、サイクロン方式によって気液分離を実行する。分離後の水は、一旦、水貯留部２８２に蓄えられ、排水弁２８４を介して外部に排出される。
【００３４】
酸化ガス供給部３００（図１）は、空気ブロワ３１０を備えており、酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を、酸化ガス通路３０１を介して燃料電池１００に供給する。使用済みの酸化オフガスは、酸化オフガス通路３０２を介して大気に排出される。なお、酸化オフガス通路３０２には、排気音を低減させるためのマフラ３２０が設けられている。
【００３５】
燃料電池システムは、さらに、凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部４００を備えている。燃料電池システムでは、上記の式（２）に示すように、カソード側で生成水が生成される。生成水は、酸化オフガス通路３０２を通る。燃料電池システムの運転が寒冷地で実行される場合には、生成水は、酸化オフガス通路３０２内で凍結し得る。そして、生成水が凍結すると、酸化オフガス通路３０２が閉塞されたり、酸化オフガス通路３０２内のガスが流通可能な領域が狭くなったりする虞がある。このような場合には、燃料電池１００内部に酸化ガスを供給することが困難となり、燃料電池１００は、発電を行うことが困難となる。このため、本実施例では、生成水の凍結を抑制するために、凍結抑制剤が使用されている。なお、本実施例では、凍結抑制剤としてエチレングリコールが利用されている。
【００３６】
Ａ−２．凍結抑制剤循環部の構成：
図１に示すように、凍結抑制剤循環部４００は、酸化オフガス通路３０２内に凍結抑制剤を供給するための凍結抑制剤供給部４１０と、酸化オフガス通路３０２を通る生成水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための凍結抑制剤回収精製部４２０と、を備えている。
【００３７】
凍結抑制剤供給部（以下、単に「供給部」と呼ぶ）４１０は、酸化オフガス通路３０２の上流側部分に凍結抑制剤を注入する。具体的には、供給部４１０は、注入通路４１２と、注入通路４１２の途中に設けられたポンプ４１４と、を備えている。供給部４１０は、酸化オフガス通路３０２と注入通路４１２との接続部分に形成された注入口を介して、酸化オフガス通路３０２の上流側部分に凍結抑制剤を注入する。なお、凍結抑制剤は、酸化オフガス通路３０２の上流側の端部付近で供給されることが好ましい。また、注入口にインジェクタを設け、インジェクタが酸化オフガス通路内に凍結抑制剤を噴霧するようにしてもよい。
【００３８】
凍結抑制剤回収精製部（以下、単に「回収精製部」と呼ぶ）４２０は、酸化オフガス通路３０２の下流側部分から生成水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、混合液を加熱することによって生成水と凍結抑制剤とを分離する。すなわち、本実施例の回収精製部４２０は、加熱濃縮部として機能する。具体的には、回収精製部４２０は、回収した混合液が蓄えられる混合液タンク４２２と、混合液タンク内の混合液を加熱することによって水を蒸発させるためのヒータ４２４と、を備えている。混合液が加熱されると、混合液中の生成水は、蒸発し、酸化オフガス通路３０２を介して大気へ排出される。一方、混合液中の凍結抑制剤は、混合液タンク４２２に残り、生成水の蒸発に伴って、その濃度が高められる。すなわち、本実施例の回収精製部４２０は、生成水の沸点（１００℃）と凍結抑制剤（エチレングリコール）の沸点（約１９７．６℃）との相違を利用して、凍結抑制剤を精製する。混合液タンク４２２内の凍結抑制剤濃度が高められた精製済み混合液は、ポンプ４１４によって、注入通路４１２を介して酸化オフガス通路３０２内に注入される。なお、混合液は、酸化オフガス通路３０２の下流側の端部付近で回収されることが好ましい。上記のように、回収精製部４２０が凍結抑制剤を精製することにより、供給部４１０によって供給される凍結抑制剤の濃度の低下が抑制される。
【００３９】
このように、凍結抑制剤を酸化オフガス通路３０２内に供給すれば、生成水の凝固点が低下するため、生成水の凍結を抑制することができる。また、凍結抑制剤を循環させれば、凍結抑制剤が不足することを防止することができる。この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、酸化オフガス通路３０２内で水が凍結するのを確実に防止することが可能となる。さらに、凍結抑制剤を循環させれば、凍結抑制剤を補充する手間を省略することができると共に、環境汚染を防止することもできるという利点がある。
【００４０】
ところで、本実施例の燃料電池システムでは、外気の温度を検出するための温度センサ６１０と、燃料電池１００から出力される電流を検出するための電流計６２０とが、設けられている。制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果と、電流計６２０からの検出結果と、に応じて、凍結抑制剤循環部４００を制御する。
【００４１】
具体的には、制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果が所定の温度以下である場合には、生成水が凍結する虞があると判断して、凍結抑制剤循環部４００に凍結抑制剤を循環させる。そして、制御部６００は、電流計６２０からの検出結果に応じて、ポンプ４１４およびヒータ４２４を動作させる。上記の式（２）に示すように、燃料電池１００から出力される単位時間あたりの電流は、生成水の生成量に比例する。このため、燃料電池１００の単位時間あたりの出力電流に応じて、ポンプ４１４およびヒータ４２４の動作を決定すれば、単位時間あたりに生成される生成水の量に応じて、凍結抑制剤を精製して供給することが可能となる。例えば、燃料電池１００の単位時間あたりの出力電流が比較的大きい場合には、ヒータ４２４の出力が比較的大きく設定される。このとき、ヒータ４２４は、比較的多く生成される生成水を迅速に蒸発させることによって、混合液タンク４２２内の凍結抑制剤濃度をほぼ一定に維持する。そして、ポンプ４１４は、酸化オフガス通路３０２内に、比較的多くの精製済み混合液を注入する。このようにすれば、酸化オフガス通路３０２を通る混合液の凍結抑制剤濃度を、ほぼ所定の濃度に維持することができる。なお、混合液の凍結温度は、凍結抑制剤濃度に依存する。このため、酸化オフガス通路３０２を通る混合液の凍結抑制剤濃度は、温度センサ６１０からの検出結果に応じて変更されることが好ましい。
【００４２】
一方、制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果が所定の温度以上である場合には、生成水が凍結する虞が無いと判断して、凍結抑制剤循環部４００に凍結抑制剤の循環を停止させる。具体的には、制御部６００は、ポンプ４１４の動作を停止させ、ヒータ４２４のみを動作させる。このように、ヒータ４２４を動作させれば、混合液タンク４２２に順次流入する生成水を順次蒸発させて、大気に排出することができる。
【００４３】
なお、本実施例では、凍結抑制剤は、連続的に循環しているが、これに代えて、間欠的に循環するようにしてもよい。この場合には、ポンプ４１４の動作は、凍結抑制剤を注入する直前における燃料電池１００の単位時間あたりの出力電流に応じて決定されればよい。こうすれば、酸化オフガス通路３０２を通る現行の生成水量に応じて、凍結抑制剤を供給することができる。また、ヒータ４２４の動作は、燃料電池１００の累積出力電流量に応じて決定されればよい。こうすれば、混合液タンク４２２内に既に蓄えられた生成水を蒸発させることができる。
【００４４】
また、本実施例では、凍結抑制剤は、燃料電池システムの運転期間中に注入されているが、これに代えて、燃料電池システムの運転停止の際のみに注入されるようにしてもよい。この場合には、次回の燃料電池システムの運転期間中に凍結抑制剤を精製し、次回の燃料電池システムの運転停止の際に精製された凍結抑制剤を再度注入すればよい。こうすれば、燃料電池システムの運転停止期間中における酸化オフガス通路３０２内の凍結を確実に抑制することができる。もちろん、燃料電池システムの運転期間中および運転停止時の双方で、凍結抑制剤が注入されるようにしてもよい。
【００４５】
Ａ−３．第１実施例の第１の変形例：
図３は、第１実施例の第１の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図３は、図１とほぼ同じであるが、凍結抑制剤循環部４００Ａに含まれる回収精製部４３０が変更されている。
【００４６】
具体的には、回収精製部４３０では、移送弁４３２と、貯蔵タンク４３４と、が追加されている。移送弁４３２は、混合液タンク４２２内で凍結抑制剤濃度が高められた精製済み混合液を、貯蔵タンク４３４に移送する。貯蔵タンク４３４は、移送された精製済み混合液を蓄える。そして、供給部４１０は、貯蔵タンク４３４内の精製済み混合液を酸化オフガス通路３０２内に注入する。
【００４７】
この構成を採用する場合にも、凍結抑制剤を循環させることによって、凍結抑制剤が不足することを防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、酸化オフガス通路３０２内で水が凍結するのを確実に防止することができる。
【００４８】
また、図３では、貯蔵タンク４３４が設けられているため、精製済み混合液の凍結抑制剤濃度の低下を防止することができるという利点がある。すなわち、混合液タンク４２２には、常に生成水が流入する。このため、ヒータ４２４による加熱が比較的長い期間中断される場合には、混合液タンク４２２内の凍結抑制剤濃度は、次第に低下してしまう。一方、図３に示すように、貯蔵タンク４３４が設けられている場合には、精製済み混合液を貯蔵タンク４３４内に蓄えることができるため、混合液タンク４２２への生成水の流入に起因して、貯蔵タンク４３４内の精製済み混合液の凍結抑制剤濃度が低下することが無い。
【００４９】
Ａ−４．第１実施例の第２の変形例：
図４は、第１実施例の第２の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図４は、図１とほぼ同じであるが、凍結抑制剤循環部４００Ｂに含まれる回収精製部４４０が変更されている。
【００５０】
具体的には、図１の回収精製部４２０は、水と凍結抑制剤との沸点の相違を利用して凍結抑制剤を精製しているが、図４の回収精製部４４０は、水と凍結抑制剤との分子サイズの相違を利用して凍結抑制剤を精製している。
【００５１】
図示するように、回収精製部４４０は、混合液タンク４４２と、移送弁４４４と、濾過器４４６と、ポンプ４４８と、排水弁４４９と、を備えている。
【００５２】
混合液タンク４４２は、回収された混合液を蓄える。移送弁４４４は、蓄えられた混合液の少なくとも一部を濾過器４４６に移送する。濾過器４４６は、限外濾過膜４４６ｆを備えており、移送された混合液の凍結抑制剤濃度を高める。具体的には、ポンプ４４８によって、濾過器４４６内部の圧力が高められると、限外濾過膜４４６ｆは、混合液中の水のみを選択的に透過させる。限外濾過膜４４６ｆを透過した水は、排水弁４４９を介して外部に排出される。一方、混合液中の凍結抑制剤は、濾過器４４６内に残り、水の透過に伴って、その濃度が高められる。このように、本実施例の回収精製部４４０は、水と凍結抑制剤（エチレングリコール）との分子サイズの相違を利用して、凍結抑制剤を精製する。濾過器４４６内の凍結抑制剤濃度が高められた精製済み混合液は、ポンプ４１４によって、注入通路４１２を介して酸化オフガス通路３０２内に注入される。なお、限外濾過膜４４６ｆが本発明における分離膜に相当する。
【００５３】
この構成を採用する場合にも、凍結抑制剤を循環させることによって、凍結抑制剤が不足することを防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、酸化オフガス通路３０２内で水が凍結するのを確実に防止することができる。
【００５４】
Ｂ．第２実施例：
前述したように、カソード側通路１２２（図２）内で生成された生成水（水蒸気）は、アノード側通路１２１内に侵入する。なお、この現象は、電解質膜１１２の両側における水蒸気の濃度差に起因して発生する。アノード側通路１２１に侵入した生成水（水蒸気）は、燃料オフガス通路２０２を通る。このため、燃料オフガス通路２０２には、燃料オフガス中の水蒸気（生成水）を分離するための気液分離部２８０が設けられている。
【００５５】
気液分離部２８０において分離された水（生成水）は、水貯留部２８２において凍結し得る。水貯留部２８２内で生成水が凍結すると、燃料電池１００内部に燃料ガスを供給することが困難となる場合があり、このとき、燃料電池１００は、発電を行うことが困難となる。そこで、本実施例では、水貯留部２８２に蓄えられた生成水の凍結を抑制できるように工夫している。
【００５６】
図５は、第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図５は、図１とほぼ同じであるが、第１の凍結抑制剤循環部４００に加えて、第２の凍結抑制剤循環部５００が設けられている。なお、第２の凍結抑制剤循環部５００は、水貯留部２８２に接続されている。
【００５７】
第２の凍結抑制剤循環部５００は、第１の凍結抑制剤循環部４００と同様の構成を有している。具体的には、凍結抑制剤循環部５００は、水貯留部２８２内に凍結抑制剤を供給するための供給部５１０と、水貯留部２８２から生成水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部５２０と、を備えている。
【００５８】
供給部５１０は、供給部４１０と同様に、注入通路５１２と、注入通路５１２の途中に設けられたポンプ５１４と、を備えている。供給部５１０は、注入通路５１２の先端に形成された注入口を介して、水貯留部２８２内に凍結抑制剤を注入する。
【００５９】
回収精製部５２０は、回収精製部４２０と同様に、混合液タンク５２２と、ヒータ５２４と、を備えている。また、回収精製部５２０は、回収通路５２６と、回収通路５２６の途中に設けられたポンプ５２８と、を備えている。ポンプ５２８によって回収通路５２６を介して回収された混合液は、混合液タンク５２２に蓄えられる。ヒータ５２４によって混合液が加熱されると、混合液中の生成水は、蒸発し、排気弁５２３を介して大気へ排出される。一方、混合液中の凍結抑制剤は、混合液タンク５２２に残り、生成水の蒸発に伴って、その濃度が高められる。このように、本実施例の回収精製部５２０も、生成水と凍結抑制剤との沸点の相違を利用して、凍結抑制剤を精製する。混合液タンク５２２内の精製済み混合液は、ポンプ５１４によって、注入通路５１２を介して水貯留部２８２内に注入される。上記のように、回収精製部５２０が凍結抑制剤を精製することにより、供給部５１０から供給される凍結抑制剤の濃度の低下が抑制される。
【００６０】
このように、凍結抑制剤を水貯留部２８２内に供給すれば、気液分離部２８０で分離された生成水の凍結を抑制することが可能となる。また、凍結抑制剤を循環させることによって、凍結抑制剤が不足することを防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、水貯留部２８２内で水が凍結するのを確実に防止することができる。
【００６１】
本実施例の燃料電池システムでも、制御部６００は、第１実施例で説明したように、第２の凍結抑制剤循環部５００を制御する。具体的には、制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果に応じて、凍結抑制剤を循環させ、電流計６２０からの検出結果に応じて、２つのポンプ５１４，５２８とヒータ５２４とを動作させる。なお、凍結抑制剤は、連続的に循環するように設定されていてもよいし、間欠的に循環するように設定されていてもよい。また、凍結抑制剤は、燃料電池システムの運転期間中に注入されるようにしてもよいし、燃料電池システムの運転停止の際に注入されるようにしてもよい。
【００６２】
なお、本実施例では、気液分離部２８０内部の水貯留部２８２に、図１に示す凍結抑制剤循環部４００と同様の凍結抑制剤循環部５００が接続される場合について説明したが、これに代えて、図３に示す凍結抑制剤循環部４００Ａと同様の貯蔵タンク４３４を有する凍結抑制剤循環部が接続されるようにしてもよいし、図４に示す凍結抑制剤循環部４００Ｂと同様の限外濾過膜を有する凍結抑制剤循環部が接続されるようにしてもよい。
【００６３】
また、本実施例の燃料電池システムでは、第１の凍結抑制剤循環部４００と第２の凍結抑制剤循環部５００との双方が設けられているが、第１の凍結抑制剤循環部４００を省略するようにしてもよい。
【００６４】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６５】
（１）上記実施例では、凍結抑制剤としてエチレングリコールが利用されているが、これに代えて、プロピレングリコールなどの他のアルコールを利用するようにしてもよい。なお、本実施例では、水よりも沸点の高いエチレングリコールが利用されているが、水よりも沸点の低いアルコールを利用するようにしてもよい。
【００６６】
（２）上記実施例では、回収精製部は、水と凍結抑制剤との沸点の相違、または、水と凍結抑制剤との分子サイズの相違を利用して、凍結抑制剤の精製を実行しているが、他の手法を利用するようにしいてもよい。また、複数種類の手法を組み合わせて、凍結抑制剤の精製を実行するようにしてもよい。
【００６７】
（３）上記実施例では、対象部位から凍結抑制剤濃度が比較的低い混合液が回収され、凍結抑制剤濃度が比較的高い精製済み混合液が対象部位に供給されている。すなわち、供給部は、水を含む精製済みの混合液を対象部位に供給している。しかしながら、これに代えて、供給部は、水を含まない高濃度の凍結抑制剤を、対象部位に供給するようにしてもよい。なお、この場合には、回収精製部は、混合液中の凍結抑制剤を単独で抽出すればよい。
【００６８】
一般には、凍結抑制剤循環部は、対象部位に凍結抑制剤を供給するための供給部と、対象部位から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、を備えていればよい。
【００６９】
（４）第１実施例では、凍結抑制剤循環部は、酸化オフガス通路内に凍結抑制剤を循環させているが、これに代えて、燃料オフガス通路内に凍結抑制剤を循環させるようにしてもよい。
【００７０】
一般には、凍結抑制剤循環部は、燃料電池から排出され、排出ガス通路を通る水の凍結を抑制するために、排出ガス通路内に凍結抑制剤を循環させればよい。
【００７１】
（５）第２実施例では、水貯留部は、燃料オフガスに含まれる水蒸気を分離するための気液分離部内に設けられているが、水貯留部は、単独で燃料オフガス通路に設けられていてもよい。
【００７２】
また、第２実施例では、凍結抑制剤循環部は、燃料オフガス通路に設けられた水貯留部内に凍結抑制剤を循環させているが、酸化オフガス通路に水貯留部が設けられている場合には、酸化オフガス通路に設けられた水貯留部に凍結抑制剤を循環させるようにしてもよい。
【００７３】
一般には、燃料電池システムは、燃料電池から排出された水を貯留するための水貯留部と、水貯留部内に凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、を備えていればよい。
【００７４】
（６）上記実施例では、燃料電池で生成される生成水に注目して説明したが、実際には、燃料電池システムでは、加湿器が設けられている場合が多い。この場合には、加湿器からの水蒸気も、混合液タンクに回収される。そして、回収精製部は、加湿に利用された水を含む混合液中の凍結抑制剤を精製する。一般には、凍結抑制剤は、燃料電池から排出された水の凍結を抑制するために利用されればよい。
【００７５】
（７）上記実施例では、燃料ガス供給部２００は、水素タンク２１０を備えているが、これに代えて、水素吸蔵合金を備えていてもよいし、アルコールや、天然ガス、ガソリン、エーテル、アルデヒドなどを改質して水素ガスを生成する改質部を備えていてもよい。
【００７６】
（８）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、他のタイプの燃料電池にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】図１に示す燃料電池１００の内部構成を模式的に示す説明図である。
【図３】第１実施例の第１の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図４】第１実施例の第２の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図５】第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１００…燃料電池
１１０…単セル
１１２…電解質膜
１１４ａ…アノード
１１４ｃ…カソード
１２０…セパレータ
１２１…アノード側通路
１２２…カソード側通路
２００…燃料ガス供給部
２０１…燃料ガス通路
２０２…燃料オフガス通路
２０３…循環通路
２１０…水素タンク
２２０…減圧器
２３０…流量制御弁
２７０…循環ポンプ
２８０…気液分離部
２８２…水貯留部
２８４…排水弁
２９０…遮断弁
３００…酸化ガス供給部
３０１…酸化ガス通路
３０２…酸化オフガス通路
３１０…空気ブロワ
３２０…マフラ
４００，４００Ａ，４００Ｂ…凍結抑制剤循環部
４１０…凍結抑制剤供給部
４１２…注入通路
４１４…ポンプ
４２０…凍結抑制剤回収精製部
４２２…混合液タンク
４２４…ヒータ
４３０…凍結抑制剤回収精製部
４３２…移送弁
４３４…貯蔵タンク
４４０…凍結抑制剤回収精製部
４４２…混合液タンク
４４６…濾過器
４４６ｆ…限外濾過膜
４４８…ポンプ
４４９…排水弁
５００…凍結抑制剤循環部
５１０…凍結抑制剤供給部
５１２…注入通路
５１４…ポンプ
５２０…凍結抑制剤回収精製部
５２２…混合液タンク
５２３…排気弁
５２４…ヒータ
５２６…回収通路
５２８…ポンプ
６００…制御部
６１０…温度センサ
６２０…電流計[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a technique for suppressing freezing of water generated in a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell system includes a fuel cell, a fuel gas supply unit, and an oxidizing gas supply unit. The fuel cell generates power using hydrogen gas contained in the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit and oxygen gas contained in the oxidizing gas (air) supplied from the oxidizing gas supply unit.
[0003]
When hydrogen gas and oxygen gas react inside the fuel cell, water (product water) is generated. The generated water is discharged to the outside through the oxidizing offgas passage and the fuel offgas passage. However, when the operation of the fuel cell system is performed in a cold region, the generated water may freeze in the oxidizing offgas passage or the fuel offgas passage.
[0004]
In Patent Document 1, the fuel gas supply unit generates hydrogen gas by reforming methanol. And the freezing of produced | generated water is suppressed by supplying methanol which is a raw material into an oxidation off-gas channel | path as a freezing inhibitor.
[Patent Document 1]
JP-A-10-223249
[0005]
Moreover, the following literature is mentioned as another prior art.
[Patent Document 2]
JP-A-8-185877
[Patent Document 3]
JP 2000-313603 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional apparatus, the mixed liquid of produced water and methanol is consumed as a reforming raw material. For this reason, when methanol is insufficient, generated water may freeze. When the generated water freezes, the oxidation offgas passage and the fuel offgas passage are blocked, and the operation of the fuel cell system is hindered.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing freezing of water due to a lack of a freezing inhibitor in a fuel cell system.
[0008]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to solve at least a part of the problems described above, a first device of the present invention is a fuel cell system,
A fuel cell;
An exhaust gas passage connected to the fuel cell and through which exhaust gas discharged from the fuel cell passes;
A freezing inhibitor circulation unit for circulating a freezing inhibitor in the exhaust gas passage in order to suppress freezing of water discharged from the fuel cell and passing through the exhaust gas passage. .
[0009]
In this apparatus, since the freezing inhibitor circulation part is provided, it is possible to prevent the shortage of the freezing inhibitor. As a result, the water is frozen in the exhaust gas passage due to the shortage of the freezing inhibitor. Can be suppressed.
[0010]
In the above apparatus,
The freezing inhibitor circulating part is
A supply unit for supplying a freezing inhibitor to the upstream portion of the exhaust gas passage;
A recovery and purification unit for recovering a mixed solution containing water and a freezing inhibitor from a downstream portion of the exhaust gas passage, and purifying the freezing inhibitor;
It is preferable to provide.
[0011]
If it carries out like this, the fall of the density | concentration of the freezing inhibitor supplied in an exhaust gas channel can be suppressed, and freezing of the water from the upstream part of a exhaust gas channel to a downstream part can be suppressed.
[0012]
A second device of the present invention is a fuel cell system,
A fuel cell;
An exhaust gas passage connected to the fuel cell and through which exhaust gas discharged from the fuel cell passes;
A water storage section provided in the exhaust gas passage for storing water discharged from the fuel cell;
In order to suppress freezing of water stored in the water storage unit, a freezing inhibitor circulation unit for circulating a freezing inhibitor in the water storage unit,
It is characterized by providing.
[0013]
In this apparatus, since the freezing inhibitor circulating part is provided, it is possible to prevent the shortage of the freezing inhibitor. As a result, the water is frozen in the water storage part due to the shortage of the freezing inhibitor. Can be suppressed.
[0014]
In the above apparatus,
Provided in the exhaust gas passage, comprising a gas-liquid separation unit for separating water vapor contained in the exhaust gas,
The gas-liquid separation unit may include the water storage unit for storing the separated water.
[0015]
In the above apparatus,
The freezing inhibitor circulating part is
A supply unit for supplying a freezing inhibitor into the water storage unit;
A recovery and purification unit for recovering a mixed solution containing water and a freeze inhibitor from the water reservoir, and purifying the freeze inhibitor;
It is preferable to provide.
[0016]
If it carries out like this, the fall of the density | concentration of the freezing inhibitor supplied in a water storage part can be suppressed, and freezing of the water in a water storage part can be suppressed.
[0017]
In the first and second devices described above,
It is preferable to provide a storage unit for storing the freezing inhibitor purified by the recovery and purification unit.
[0018]
In this way, since the purified cryosuppressant can be stored in the storage unit, the purified cryosuppressant in the storage unit is mixed with water and the concentration of the purified cryosuppressant decreases. Can be suppressed.
[0019]
In the first and second devices described above,
The recovery and purification unit includes a heater,
The recovery / purification unit may perform the purification by utilizing the difference in boiling points between water and the freezing inhibitor.
[0020]
Alternatively, in the first and second devices described above,
The recovery and purification unit includes a separation membrane,
The recovery / purification unit may perform the purification by utilizing a difference in molecular size between water and the freezing inhibitor.
[0021]
Thus, the recovery and purification unit can purify the freeze inhibitor in the mixed solution by various methods.
[0022]
The present invention can be realized in various modes such as a fuel cell system, a device such as a moving body equipped with the fuel cell system, a method of circulating a freeze inhibitor in the fuel cell system, and the like.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A. First embodiment:
A-1. Overall configuration of the fuel cell system:
Next, embodiments of the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system in the first embodiment. The fuel cell system is mounted on a vehicle.
[0024]
As shown, the fuel cell system includes a fuel cell 100, a fuel gas supply unit 200 for supplying fuel gas to the fuel cell, an oxidizing gas supply unit 300 for supplying oxidizing gas to the fuel cell, And a control unit 600 for controlling the operation of the entire battery system.
[0025]
The fuel cell 100 is connected to a fuel gas passage 201 through which fuel gas supplied from the fuel gas supply unit 200 passes and a fuel off gas passage 202 through which used fuel off gas passes. A circulation passage 203 is provided between the fuel gas passage 201 and the fuel off gas passage 202. The fuel cell 100 is connected to an oxidizing gas passage 301 through which the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply unit 300 passes and an oxidizing off gas passage 302 through which the used oxidizing off gas passes.
[0026]
The fuel cell 100 (FIG. 1) is a polymer electrolyte fuel cell that is excellent in power generation efficiency. FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the internal configuration of the fuel cell 100 shown in FIG. As illustrated, the fuel cell 100 is formed by stacking a plurality of single cells (single cells) 110. And the separator 120 is arrange | positioned between each single cell.
[0027]
The single cell 110 includes an electrolyte membrane 112, an anode (hydrogen electrode) 114a, and a cathode (oxygen electrode) 114c. The electrolyte membrane 112 is sandwiched between two electrodes 114a and 114c. Each separator 120 is disposed so as to be in contact with the anode 114a in one adjacent single cell and in contact with the cathode 114c in the other single cell. A plurality of grooves are formed on both surfaces of the separator 120, and a plurality of small passages 121 and 122 are formed between the anode 114a and the separator 120 and between the cathode 114c and the separator 120, respectively. .
[0028]
A fuel gas containing hydrogen gas is supplied from the fuel gas supply unit 200 to the anode side passage 121, and an oxidizing gas containing oxygen gas is supplied from the oxidizing gas supply unit 300 to the cathode side passage 122. And the electrochemical reaction shown below advances.
[0029]
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ^- ... (1)
(1/2) O ₂ + 2H ⁺ + 2e ^- → H ₂ O ... (2)
H ₂ + (1/2) O ₂ → H ₂ O ... (3)
[0030]
Equation (1) shows the reaction at the anode 114a, and Equation (2) shows the reaction at the cathode 114c. As a whole, the reaction shown in Formula (3) proceeds. The water (steam) generated at the cathode 114c is referred to as “generated water”.
[0031]
The fuel gas supply unit 200 (FIG. 1) supplies a fuel gas containing hydrogen gas to the fuel cell 100. The fuel gas supply unit 200 includes a hydrogen tank 210, a decompressor 220, and a flow control valve 230.
[0032]
The hydrogen tank 210 stores hydrogen gas at a high pressure. The decompressor 220 decompresses the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to a predetermined pressure. The flow control valve 230 is intermittently set to the open state during the operation period of the fuel cell system, and is set to the closed state during the operation stop period. When the flow control valve 230 is set to the open state, the fuel gas is supplied to the fuel cell 100 via the fuel gas passage 201.
[0033]
The fuel gas supply unit 200 further includes a circulation pump 270, a gas-liquid separation unit 280, and a cutoff valve 290. The circulation pump 270 is provided in the circulation passage 203, and the gas-liquid separator 280 and the shutoff valve 290 are provided in the fuel off-gas passage 202. The circulation pump 270 has a function of returning a fuel off gas having a relatively low hydrogen gas concentration into the fuel gas passage 201 as a fuel gas. With this configuration, the fuel gas circulates in the annular passage between the circulation pump 270 and the fuel cell 100. By circulating the fuel gas in this manner, the flow rate of hydrogen gas (mol / sec) supplied per unit time into the fuel cell 100 can be increased, and as a result, the reaction efficiency in the fuel cell 100 is improved. be able to. However, as the electrochemical reaction in the fuel cell 100 proceeds, the amount of hydrogen gas (mol) contained in the fuel gas in the annular passage decreases. Further, nitrogen gas, water vapor (generated water), etc. contained in the oxidizing gas in the cathode side passage 122 enter the fuel gas in the anode side passage 121 through the electrolyte membrane 112 inside the fuel cell 100. For this reason, the hydrogen gas concentration (volume percentage) in the fuel gas gradually decreases. Therefore, in this embodiment, the flow control valve 230 and the shut-off valve 290 are intermittently set to the open state so that the fuel gas having a high hydrogen gas concentration is supplied to the fuel cell 100 and the fuel off-gas having a low hydrogen gas concentration is supplied. Is discharged from the fuel cell 100. The spent fuel off gas is discharged to the atmosphere through the fuel off gas passage 202. The gas-liquid separation unit 280 has a function of removing water vapor contained in the fuel off gas. Specifically, the gas-liquid separation unit 280 performs gas-liquid separation by, for example, a cyclone method. The separated water is once stored in the water storage unit 282 and discharged to the outside through the drain valve 284.
[0034]
The oxidizing gas supply unit 300 (FIG. 1) includes an air blower 310 and supplies an oxidizing gas (air) containing oxygen gas to the fuel cell 100 through the oxidizing gas passage 301. The used oxidizing off gas is discharged to the atmosphere via the oxidizing off gas passage 302. The oxidizing off gas passage 302 is provided with a muffler 320 for reducing exhaust noise.
[0035]
The fuel cell system further includes a freezing inhibitor circulation unit 400 for circulating the freezing inhibitor. In the fuel cell system, generated water is generated on the cathode side as shown in the above equation (2). The produced water passes through the oxidizing off gas passage 302. When the operation of the fuel cell system is performed in a cold region, the generated water can be frozen in the oxidation offgas passage 302. If the generated water freezes, the oxidation off gas passage 302 may be blocked, or the region in the oxidation off gas passage 302 through which the gas can flow may be narrowed. In such a case, it becomes difficult to supply the oxidizing gas into the fuel cell 100, and it becomes difficult for the fuel cell 100 to generate power. For this reason, in the present Example, the freezing inhibitor is used in order to suppress freezing of produced water. In this example, ethylene glycol is used as a freezing inhibitor.
[0036]
A-2. Configuration of the freeze inhibitor circulation part:
As shown in FIG. 1, the freezing inhibitor circulation unit 400 includes a freezing inhibitor supply unit 410 for supplying a freezing inhibitor into the oxidation offgas passage 302, generated water and freezing inhibitor passing through the oxidation offgas passage 302, and And a freezing inhibitor recovery and purification unit 420 for purifying the freezing inhibitor.
[0037]
Freezing inhibitor supply section (hereinafter simply referred to as “supply section”) 410 injects a freezing inhibitor into the upstream portion of oxidation offgas passage 302. Specifically, the supply unit 410 includes an injection passage 412 and a pump 414 provided in the middle of the injection passage 412. The supply unit 410 injects the freezing inhibitor into the upstream portion of the oxidation off-gas passage 302 through an injection port formed at the connection portion between the oxidation off-gas passage 302 and the injection passage 412. The freezing inhibitor is preferably supplied in the vicinity of the upstream end of the oxidation off gas passage 302. Further, an injector may be provided at the injection port, and the injector may spray the freezing inhibitor into the oxidation off gas passage.
[0038]
A freeze inhibitor recovery and purification unit (hereinafter simply referred to as “recovery and purification unit”) 420 recovers a mixed solution containing generated water and a freeze inhibitor from a downstream portion of the oxidation offgas passage 302 and heats the mixed solution. By doing so, the produced water and the freezing inhibitor are separated. That is, the recovery and purification unit 420 of the present example functions as a heating and concentration unit. Specifically, the recovery and purification unit 420 includes a mixed liquid tank 422 in which the collected mixed liquid is stored, and a heater 424 for evaporating water by heating the mixed liquid in the mixed liquid tank. . When the mixed solution is heated, the generated water in the mixed solution evaporates and is discharged to the atmosphere through the oxidizing off gas passage 302. On the other hand, the freezing inhibitor in the mixed solution remains in the mixed solution tank 422, and the concentration thereof is increased as the produced water evaporates. That is, the recovery and purification unit 420 of the present example purifies the freezing inhibitor using the difference between the boiling point of the produced water (100 ° C.) and the freezing inhibitor (ethylene glycol) (about 197.6 ° C.). To do. The purified mixed liquid having an increased freezing inhibitor concentration in the mixed liquid tank 422 is injected into the oxidizing off gas passage 302 via the injection passage 412 by the pump 414. Note that the mixed liquid is preferably recovered in the vicinity of the downstream end portion of the oxidizing off-gas passage 302. As described above, the recovery and purification unit 420 purifies the freezing inhibitor, so that a decrease in the concentration of the freezing inhibitor supplied by the supply unit 410 is suppressed.
[0039]
Thus, if a freezing inhibitor is supplied in the oxidation off-gas channel | path 302, since the freezing point of produced water will fall, freezing of produced water can be suppressed. Moreover, if the freezing inhibitor is circulated, it is possible to prevent the freezing inhibitor from being insufficient. As a result, it is possible to reliably prevent water from freezing in the oxidizing off gas passage 302 due to the lack of the freezing inhibitor. Furthermore, if the freezing inhibitor is circulated, there is an advantage that it is possible to eliminate the trouble of replenishing the freezing inhibitor and to prevent environmental pollution.
[0040]
By the way, in the fuel cell system of the present embodiment, a temperature sensor 610 for detecting the temperature of the outside air and an ammeter 620 for detecting the current output from the fuel cell 100 are provided. The control unit 600 controls the freezing inhibitor circulation unit 400 according to the detection result from the temperature sensor 610 and the detection result from the ammeter 620.
[0041]
Specifically, when the detection result from the temperature sensor 610 is equal to or lower than a predetermined temperature, the control unit 600 determines that the generated water may be frozen, and causes the freezing inhibitor circulation unit 400 to prevent freezing. Circulate the agent. Then, control unit 600 operates pump 414 and heater 424 in accordance with the detection result from ammeter 620. As shown in the above equation (2), the current per unit time output from the fuel cell 100 is proportional to the amount of generated water. For this reason, if the operation of the pump 414 and the heater 424 is determined according to the output current per unit time of the fuel cell 100, the freeze inhibitor is purified according to the amount of produced water generated per unit time. Can be supplied. For example, when the output current per unit time of the fuel cell 100 is relatively large, the output of the heater 424 is set to be relatively large. At this time, the heater 424 keeps the concentration of the freezing inhibitor in the mixed liquid tank 422 substantially constant by quickly evaporating the generated water that is generated in a relatively large amount. Then, the pump 414 injects a relatively large amount of the purified mixed solution into the oxidizing off gas passage 302. In this way, the concentration of the freezing inhibitor in the mixed solution passing through the oxidizing off gas passage 302 can be maintained at a substantially predetermined concentration. The freezing temperature of the mixed solution depends on the freezing inhibitor concentration. For this reason, it is preferable that the freezing inhibitor concentration of the mixed liquid passing through the oxidizing off gas passage 302 is changed according to the detection result from the temperature sensor 610.
[0042]
On the other hand, when the detection result from the temperature sensor 610 is equal to or higher than the predetermined temperature, the control unit 600 determines that there is no possibility that the generated water will freeze and circulates the freezing inhibitor into the freezing inhibitor circulation unit 400. Stop. Specifically, the control unit 600 stops the operation of the pump 414 and operates only the heater 424. As described above, when the heater 424 is operated, the generated water that sequentially flows into the mixed liquid tank 422 can be sequentially evaporated and discharged to the atmosphere.
[0043]
In this embodiment, the freezing inhibitor is continuously circulated, but instead, it may be circulated intermittently. In this case, the operation of the pump 414 may be determined according to the output current per unit time of the fuel cell 100 immediately before injecting the freezing inhibitor. In this way, the freezing inhibitor can be supplied according to the current amount of generated water that passes through the oxidizing off-gas passage 302. Further, the operation of the heater 424 may be determined according to the accumulated output current amount of the fuel cell 100. In this way, the generated water already stored in the mixed liquid tank 422 can be evaporated.
[0044]
In this embodiment, the freeze inhibitor is injected during the operation period of the fuel cell system. Instead, it may be injected only when the operation of the fuel cell system is stopped. In this case, the freezing inhibitor may be purified during the operation period of the next fuel cell system, and the purified antifreeze agent may be injected again when the fuel cell system is stopped next time. In this way, freezing in the oxidant off-gas passage 302 during the operation stop period of the fuel cell system can be reliably suppressed. Of course, the freezing inhibitor may be injected both during the operation period of the fuel cell system and when the fuel cell system is stopped.
[0045]
A-3. First modification of the first embodiment:
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as a first modification of the first embodiment. FIG. 3 is substantially the same as FIG. 1 except that the recovery and purification unit 430 included in the freezing inhibitor circulation unit 400A is changed.
[0046]
Specifically, in the recovery and purification unit 430, a transfer valve 432 and a storage tank 434 are added. The transfer valve 432 transfers the purified mixed liquid whose freezing inhibitor concentration is increased in the mixed liquid tank 422 to the storage tank 434. The storage tank 434 stores the transferred purified mixed liquid. Then, the supply unit 410 injects the purified mixed solution in the storage tank 434 into the oxidizing off gas passage 302.
[0047]
Even in the case of adopting this configuration, it is possible to prevent the freezing inhibitor from being insufficient by circulating the freezing inhibitor, and as a result, due to the shortage of the freezing inhibitor, the inside of the oxidation off gas passage 302 can be prevented. Thus, it is possible to reliably prevent water from freezing.
[0048]
Moreover, in FIG. 3, since the storage tank 434 is provided, there exists an advantage that the fall of the freezing inhibitor density | concentration of a refined liquid mixture can be prevented. That is, the generated water always flows into the mixed liquid tank 422. For this reason, when the heating by the heater 424 is interrupted for a relatively long period, the concentration of the freezing inhibitor in the mixed liquid tank 422 is gradually increased. In It will decline. On the other hand, as shown in FIG. 3, when the storage tank 434 is provided, the purified mixed liquid can be stored in the storage tank 434, which is caused by the inflow of generated water into the mixed liquid tank 422. Thus, the concentration of the freezing inhibitor in the purified mixed solution in the storage tank 434 does not decrease.
[0049]
A-4. Second modification of the first embodiment:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as a second modification of the first embodiment. FIG. 4 is substantially the same as FIG. 1, except that the recovery and purification unit 440 included in the freezing inhibitor circulation unit 400B is changed.
[0050]
Specifically, the recovery and purification unit 420 in FIG. 1 purifies the freeze inhibitor using the difference in boiling points between water and the freeze inhibitor, but the recovery and purification unit 440 in FIG. The freezing inhibitor is purified by utilizing the difference in molecular size with the inhibitor.
[0051]
As shown in the figure, the recovery and purification unit 440 includes a mixed liquid tank 442, a transfer valve 444, a filter 446, a pump 448, and a drain valve 449.
[0052]
The mixed liquid tank 442 stores the collected mixed liquid. The transfer valve 444 transfers at least a part of the stored mixed liquid to the filter 446. The filter 446 includes an ultrafiltration membrane 446f, and increases the concentration of the freezing inhibitor in the transferred liquid mixture. Specifically, when the pressure inside the filter 446 is increased by the pump 448, the ultrafiltration membrane 446f selectively permeates only water in the mixed solution. The water that has passed through the ultrafiltration membrane 446f is discharged to the outside through the drain valve 449. On the other hand, the freezing inhibitor in the mixed solution remains in the filter 446, and the concentration thereof is increased with the permeation of water. As described above, the recovery and purification unit 440 of the present example purifies the freeze inhibitor using the difference in molecular size between water and the freeze inhibitor (ethylene glycol). The purified mixed liquid in which the concentration of the freezing inhibitor in the filter 446 is increased is injected into the oxidizing off-gas passage 302 through the injection passage 412 by the pump 414. The ultrafiltration membrane 446f corresponds to the separation membrane in the present invention.
[0053]
Even in the case of adopting this configuration, it is possible to prevent the freezing inhibitor from being insufficient by circulating the freezing inhibitor, and as a result, due to the shortage of the freezing inhibitor, the inside of the oxidation off gas passage 302 can be prevented. Thus, it is possible to reliably prevent water from freezing.
[0054]
B. Second embodiment:
As described above, the generated water (water vapor) generated in the cathode side passage 122 (FIG. 2) enters the anode side passage 121. This phenomenon occurs due to a difference in water vapor concentration on both sides of the electrolyte membrane 112. The generated water (water vapor) that has entered the anode-side passage 121 passes through the fuel off-gas passage 202. For this reason, the fuel off-gas passage 202 is provided with a gas-liquid separator 280 for separating water vapor (product water) in the fuel off-gas.
[0055]
The water (product water) separated in the gas-liquid separation unit 280 can be frozen in the water storage unit 282. If the generated water freezes in the water storage unit 282, it may be difficult to supply fuel gas into the fuel cell 100, and at this time, the fuel cell 100 will be difficult to generate power. Therefore, in the present embodiment, the invention is devised so that freezing of the generated water stored in the water storage unit 282 can be suppressed.
[0056]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system in the second embodiment. FIG. 5 is substantially the same as FIG. 1, but a second freeze inhibitor circulating unit 500 is provided in addition to the first freeze inhibitor circulating unit 400. The second freezing inhibitor circulation unit 500 is connected to the water storage unit 282.
[0057]
The second freezing inhibitor circulating unit 500 has the same configuration as that of the first freezing inhibitor circulating unit 400. Specifically, the freezing inhibitor circulating unit 500 collects the supply liquid 510 for supplying the freezing inhibitor into the water storage unit 282 and the mixed liquid containing the generated water and the freezing inhibitor from the water storage unit 282. And a recovery and purification unit 520 for purifying the freeze inhibitor.
[0058]
Similar to the supply unit 410, the supply unit 510 includes an injection passage 512 and a pump 514 provided in the middle of the injection passage 512. The supply unit 510 injects the freezing inhibitor into the water storage unit 282 via an injection port formed at the tip of the injection passage 512.
[0059]
Similar to the recovery / purification unit 420, the recovery / purification unit 520 includes a mixed liquid tank 522 and a heater 524. The recovery / purification unit 520 includes a recovery passage 526 and a pump 528 provided in the middle of the recovery passage 526. The liquid mixture collected by the pump 528 via the collection passage 526 is stored in the liquid mixture tank 522. When the mixed liquid is heated by the heater 524, the generated water in the mixed liquid evaporates and is discharged to the atmosphere via the exhaust valve 523. On the other hand, the freezing inhibitor in the mixed solution remains in the mixed solution tank 522, and the concentration thereof is increased as the produced water evaporates. As described above, the recovery and purification unit 520 of the present embodiment also purifies the freezing inhibitor using the difference in boiling point between the generated water and the freezing inhibitor. The purified mixed solution in the mixed solution tank 522 is injected into the water storage unit 282 through the injection passage 512 by the pump 514. As described above, the recovery and purification unit 520 purifies the freezing inhibitor, so that a decrease in the concentration of the freezing inhibitor supplied from the supply unit 510 is suppressed.
[0060]
Thus, if the freezing inhibitor is supplied into the water reservoir 282, it is possible to suppress freezing of the produced water separated by the gas-liquid separator 280. Further, by circulating the freeze inhibitor, it is possible to prevent the lack of the freeze inhibitor, and as a result, the water is frozen in the water reservoir 282 due to the lack of the freeze inhibitor. It can be surely prevented.
[0061]
Also in the fuel cell system of the present embodiment, the control unit 600 controls the second freezing inhibitor circulation unit 500 as described in the first embodiment. Specifically, the control unit 600 circulates the freezing inhibitor in accordance with the detection result from the temperature sensor 610, and controls the two pumps 514 and 528 and the heater 524 in accordance with the detection result from the ammeter 620. Make it work. In addition, the freezing inhibitor may be set to circulate continuously or may be set to circulate intermittently. Further, the freezing inhibitor may be injected during the operation period of the fuel cell system, or may be injected when the operation of the fuel cell system is stopped.
[0062]
In addition, although the present Example demonstrated the case where the freezing inhibitor circulation part 500 similar to the freezing inhibitor circulation part 400 shown in FIG. 1 was connected to the water storage part 282 inside the gas-liquid separation part 280, this. Instead of this, a freezing inhibitor circulating unit having the same storage tank 434 as the freezing inhibitor circulating unit 400A shown in FIG. 3 may be connected, or similar to the freezing inhibitor circulating unit 400B shown in FIG. A freezing inhibitor circulating part having an ultrafiltration membrane may be connected.
[0063]
In the fuel cell system of the present embodiment, both the first freezing inhibitor circulating unit 400 and the second freezing inhibitor circulating unit 500 are provided. It may be omitted.
[0064]
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0065]
(1) In the above embodiment, ethylene glycol is used as the freezing inhibitor, but other alcohols such as propylene glycol may be used instead. In this embodiment, ethylene glycol having a boiling point higher than that of water is used, but alcohol having a boiling point lower than that of water may be used.
[0066]
(2) In the above embodiment, the recovery and purification unit performs purification of the freezing inhibitor using the difference in boiling point between water and the freezing inhibitor, or the difference in molecular size between water and the freezing inhibitor. However, other methods may be used. Moreover, you may make it perform the refinement | purification of a freezing inhibitor by combining several types of methods.
[0067]
(3) In the said Example, the liquid mixture with a comparatively low freezing inhibitor concentration is collect | recovered from the object site | part, and the refined liquid mixture with a comparatively high freezing inhibitor concentration is supplied to the object site | part. That is, the supply unit supplies a purified mixed liquid containing water to the target site. However, instead of this, the supply unit may supply a high concentration freezing inhibitor containing no water to the target site. In this case, the recovery and purification unit may extract the freezing inhibitor in the mixed solution alone.
[0068]
In general, the freezing inhibitor circulation unit collects a supply unit for supplying the freezing inhibitor to the target site, and a mixture containing water and the freezing inhibitor from the target site, and purifies the freezing inhibitor. And a recovery and purification unit.
[0069]
(4) In the first embodiment, the freezing inhibitor circulating part circulates the freezing inhibitor in the oxidation offgas passage, but instead, the freezing inhibitor is circulated in the fuel offgas passage. Also good.
[0070]
In general, the freezing inhibitor circulation unit may circulate the freezing inhibitor in the exhaust gas passage in order to suppress freezing of water discharged from the fuel cell and passing through the exhaust gas passage.
[0071]
(5) In the second embodiment, the water reservoir is provided in the gas-liquid separator for separating the water vapor contained in the fuel offgas, but the water reservoir is provided alone in the fuel offgas passage. May be.
[0072]
Further, in the second embodiment, the freezing inhibitor circulating part circulates the freezing inhibitor in the water storage part provided in the fuel offgas passage, but when the water storage part is provided in the oxidation offgas passage. May be made to circulate a freezing inhibitor in the water storage part provided in the oxidation off gas passage.
[0073]
Generally, the fuel cell system only needs to include a water storage unit for storing water discharged from the fuel cell, and a freezing inhibitor circulation unit for circulating the freezing inhibitor in the water storage unit. .
[0074]
(6) In the above-described embodiment, the description has been made by paying attention to the generated water generated in the fuel cell. However, in actuality, the fuel cell system is often provided with a humidifier. In this case, water vapor from the humidifier is also collected in the liquid mixture tank. Then, the recovery and purification unit purifies the freeze inhibitor in the liquid mixture containing water used for humidification. Generally, the freezing inhibitor may be used for suppressing freezing of water discharged from the fuel cell.
[0075]
(7) In the above embodiment, the fuel gas supply unit 200 includes the hydrogen tank 210. However, instead of this, the fuel gas supply unit 200 may include a hydrogen storage alloy, alcohol, natural gas, gasoline, ether, A reforming unit that reforms aldehyde or the like to generate hydrogen gas may be provided.
[0076]
(8) In the above embodiment, the case where the present invention is applied to a solid polymer type fuel cell has been described. However, the present invention can also be applied to other types of fuel cells.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory view schematically showing the internal configuration of the fuel cell 100 shown in FIG. 1;
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as a first modification of the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as a second modification of the first embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
100: Fuel cell
110 ... Single cell
112 ... electrolyte membrane
114a ... Anode
114c ... cathode
120 ... Separator
121 ... Anode side passage
122 ... Cathode side passage
200 ... Fuel gas supply section
201 ... Fuel gas passage
202 ... Fuel off-gas passage
203 ... circulation passage
210 ... Hydrogen tank
220 ... decompressor
230 ... Flow control valve
270 ... circulation pump
280 ... Gas-liquid separation part
282 ... Water reservoir
284 ... Drain valve
290 ... Shut-off valve
300 ... oxidizing gas supply section
301 ... Oxidizing gas passage
302 ... Oxidized off gas passage
310 ... Air blower
320 ... Muffler
400, 400A, 400B ... Freezing inhibitor circulation part
410 ... Freezing inhibitor supply unit
412: Injection passage
414 ... Pump
420 ... Freezing inhibitor recovery and purification section
422 ... Mixed liquid tank
424 ... Heater
430 ... Freezing inhibitor recovery and purification section
432 ... Transfer valve
434 ... Storage tank
440 ... Freezing inhibitor recovery and purification section
442 ... Mixed liquid tank
446 ... filter
446f ... Ultrafiltration membrane
448 ... Pump
449 ... Drain valve
500 ... Freezing inhibitor circulation part
510 ... Freezing inhibitor supply section
512 ... injection passage
514 ... Pump
520 ... Freezing inhibitor recovery and purification section
522 ... Liquid mixture tank
523 ... Exhaust valve
524 ... Heater
526 ... Collection passage
528 ... Pump
600 ... Control unit
610 ... Temperature sensor
620 ... Ammeter

Claims

A fuel cell system,
A fuel cell;
An exhaust gas passage connected to the fuel cell and through which exhaust gas discharged from the fuel cell passes;
In order to suppress the freezing of water through the discharge gas passage is discharged from the fuel cell, the exhaust gas passage freeze inhibitor was added to the thrown into the exhaust gas passage said freeze suppression has flowed through the exhaust gas passage agent was recovered from the exhaust gas passage, and again the discharge by charging the gas passage, wherein the anti-freezing agent circulation unit for circulating the antifreezing agent in the exhaust gas passage,
A fuel cell system comprising:

The fuel cell system according to claim 1, wherein
The freezing inhibitor circulating part is
A supply unit for supplying a freezing inhibitor to the upstream portion of the exhaust gas passage;
A recovery and purification unit for recovering a mixed solution containing water and a freezing inhibitor from a downstream portion of the exhaust gas passage, and purifying the freezing inhibitor;
A fuel cell system comprising:

A fuel cell system,
A fuel cell;
An exhaust gas passage connected to the fuel cell and through which exhaust gas discharged from the fuel cell passes;
A water storage section provided in the exhaust gas passage for storing water discharged from the fuel cell;
In order to suppress freezing of the water stored in the water reservoir , a freezing inhibitor is introduced into the exhaust gas passage, and the freezing inhibitor that has been introduced into the exhaust gas passage and circulated through the exhaust gas passage is discharged. A freezing inhibitor circulating part for circulating a freezing inhibitor in the water storage part by recovering from the gas passage and reintroducing it into the exhaust gas passage ;
A fuel cell system comprising:

The fuel cell system according to claim 3, further comprising:
Provided in the exhaust gas passage, comprising a gas-liquid separation unit for separating water vapor contained in the exhaust gas,
The gas-liquid separation unit is a fuel cell system including the water storage unit for storing the separated water.

The fuel cell system according to claim 3 or 4, wherein
The freezing inhibitor circulating part is
A supply unit for supplying a freezing inhibitor into the water storage unit;
A recovery and purification unit for recovering a mixed solution containing water and a freeze inhibitor from the water reservoir, and purifying the freeze inhibitor;
A fuel cell system comprising:

The fuel cell system according to claim 2 or 5, further comprising:
A fuel cell system comprising a storage unit for storing the freezing inhibitor purified by the recovery and purification unit.

The fuel cell system according to any one of claims 2, 5, and 6,
The recovery and purification unit includes a heater,
The said recovery refinement | purification part is a fuel cell system which performs the said refinement | purification using the difference in the boiling point of water and a freezing inhibitor.

The fuel cell system according to any one of claims 2, 5, and 6,
The recovery and purification unit includes a separation membrane,
The said recovery refinement | purification part is a fuel cell system which performs the said refinement | purification using the difference in the molecular size of water and a freezing inhibitor.