JP4747655B2

JP4747655B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4747655B2
Application number: JP2005120607A
Authority: JP
Inventors: 真規岡田; 慎之高田; 憲二加藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-04-19
Also published as: JP2006302594A

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料電池の酸素室に空気とともに冷却水を噴射する構成を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system having a configuration in which cooling water is injected into an oxygen chamber of a fuel cell together with air.

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として外気）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。 Conventionally, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, a fuel chamber and an oxygen chamber exist on both sides of the electrolyte membrane, and the fuel gas in the fuel chamber passes through the fuel electrode or the oxidizing gas (mainly outside air) in the oxygen chamber. ) Is ionized through the oxygen electrode, and the ions are taken out through the electrolyte membrane to obtain electric power.

上記酸素室からは、電力取得後、酸化ガスが排気室（排気マニホールド）に排出される。
また、上記酸素室への酸化ガスの流入の際、酸素室に、水タンクからの冷却水を噴射流入する。この冷却水は、発電反応により発熱した燃料電池スタックを冷やす作用と、電解質膜を介して反応が可能となるように、電解質膜を湿潤状態に維持する作用がある。 Oxygen gas is discharged from the oxygen chamber into the exhaust chamber (exhaust manifold) after obtaining power.
In addition, when the oxidizing gas flows into the oxygen chamber, the cooling water from the water tank is injected into the oxygen chamber. This cooling water has an action of cooling the fuel cell stack that has generated heat due to the power generation reaction, and an action of maintaining the electrolyte membrane in a wet state so that the reaction is possible via the electrolyte membrane.

一方、酸素室に噴射された水は、酸素室を介して排気室に到達する。排気室に到達した冷却水は、ポンプにより吸い出され、水タンクに戻すように構成されており、この回収された水は、冷却水として繰り返し利用される（特許文献１）。
特開平２００４−２５９５３５号公報。 On the other hand, the water injected into the oxygen chamber reaches the exhaust chamber through the oxygen chamber. The cooling water that has reached the exhaust chamber is sucked out by a pump and returned to the water tank, and the recovered water is repeatedly used as cooling water (Patent Document 1).
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-259535.

一方、燃料電池スタックへの負荷が増大するに従って、発熱量も増大するため、冷却能力をさらに向上させなければならないが、上記従来の構成では、回収された冷却水は、燃料電池スタックにより暖められているので、この回収水を繰り返し使用する構成では、冷却能力をさらに向上させることは難しいという問題がある。 On the other hand, as the load on the fuel cell stack increases, the amount of heat generation also increases, so the cooling capacity must be further improved. However, in the above conventional configuration, the recovered cooling water is warmed by the fuel cell stack. Therefore, in the configuration in which the recovered water is repeatedly used, there is a problem that it is difficult to further improve the cooling capacity.

本発明は、上記事実に鑑み成されたもので、より冷却能力の向上した燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described facts, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system with improved cooling capacity.

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１）燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に挟持される電解質膜とを備えた複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの間にそれぞれ介挿された燃料電池セパレータとを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの各酸素室に酸素を供給する酸素供給手段と、
前記燃料電池スタックに供給される酸素に水を噴射流入する噴射流入手段と、
前記噴射流入手段に噴射される水を供給する水供給手段と、
前記噴射流入手段に供給される水の水温を下降させる水温降下手段とを備え、
前記水温降下手段は、水の水温を下降させる作用を発揮する作動状態と、水温を降下させる作用を停止した非作動状態とに選択する選択手段と、
前記燃料電池スタックの出力電流を検出する電流センサと、
前記電流センサによって検出された燃料電池スタックの電流値から電流密度を算出し、該電流密度が所定値以上である場合には前記水温降下手段を作動状態とし、前記電流密度が所定値より小さい場合には前記水温降下手段を非作動状態となるように前記選択手段が選択するように制御する水温調整手段を有する燃料電池システム。 The present invention for solving the above problems has the following configuration.
(1) A plurality of fuel cells including a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode, an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode. And a fuel cell stack having a fuel cell separator interposed between each of the plurality of fuel cells,
Oxygen supply means for supplying oxygen to each oxygen chamber of the fuel cell stack;
Injection inflow means for injecting water into oxygen supplied to the fuel cell stack;
Water supply means for supplying water to be injected into the injection inflow means;
Water temperature lowering means for lowering the temperature of water supplied to the jet inflow means,
The water temperature lowering means is a selection means for selecting an operating state that exerts an action of lowering the water temperature of water and a non-operating state that stops the action of lowering the water temperature;
A current sensor for detecting an output current of the fuel cell stack;
When the current density is calculated from the current value of the fuel cell stack detected by the current sensor, and when the current density is equal to or higher than a predetermined value, the water temperature lowering means is activated, and the current density is lower than the predetermined value fuel cell system with a water temperature adjusting means for the selecting means so that the coolant temperature drop means a non-operating state is controlled so as to select the.

請求項１記載の発明によれば、水温降下手段によって、噴射流入手段によって供給される水の温度を、噴射流入前に降下させることができるので、燃料電池セパレータの冷却能力を強化することができる。
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池スタックへ供給された水を回収し、これを繰り返し使用する構成においては、回収された水は、燃料電池スタックによって暖められているため、十分な冷却効果が得られない場合があり、この水の水温を、水温降下手段によって、噴射前に降下させることができるので、冷却効果を維持、強化できる。
また、選択手段により水温降下手段を作動状態と、非作動状態とに切り換え可能とすることにより、要時にのみ水温を下降させることができ、冷却作用を効率良く発揮させることが可能となる。
さらに、燃料電池スタックの出力される電流値により、冷却の要、不要を判断するので、温度を検出する方式と比較して、外気温度などによる検出値の誤差が生じにくい、といった利点がある。 According to the first aspect of the present invention, since the temperature of the water supplied by the injection inflow means can be lowered by the water temperature lowering means before the injection inflow, the cooling capacity of the fuel cell separator can be enhanced. .
According to the second aspect of the present invention, in the configuration in which the water supplied to the fuel cell stack is recovered and used repeatedly, the recovered water is warmed by the fuel cell stack. In some cases, the cooling effect cannot be obtained, and the water temperature can be lowered before the injection by the water temperature lowering means, so that the cooling effect can be maintained and enhanced.
Further, by making it possible to switch the water temperature lowering means between the operating state and the non-operating state by the selecting means, the water temperature can be lowered only when necessary, and the cooling action can be efficiently exhibited.
Further, since it is determined whether cooling is necessary or not based on the current value output from the fuel cell stack, there is an advantage that an error in the detection value due to the outside air temperature or the like is less likely to occur compared to a method of detecting the temperature.

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 is roughly configured by a fuel cell stack 100, a fuel supply system 10 including a hydrogen storage tank 11, an air supply system 12, a water supply system 50, and a load system 7. The

この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池セルとしての単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。 The configuration of the fuel cell stack 100 will be described. The fuel cell stack 100 is configured by alternately stacking unit cells 15 as fuel cells and fuel cell separators 13. 2 is an overall front view showing the fuel cell separator 13, FIG. 3 is a partial cross-sectional plan view of the fuel cell stack 100 composed of the fuel cell separator 13 (AA cross-sectional view in FIG. 2), and FIG. FIG. 5 is a partial sectional side view (BB sectional view in FIGS. 2 and 3), FIG. 5 is a partial sectional side view of the fuel cell separator 13 (CC sectional view in FIGS. 2 and 3), and FIG. FIG. 3 is an overall rear view of the fuel cell separator 13.

セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。集電板である集電部材３、４は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。
集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。
凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。 The separator 13 includes current collecting members 3 and 4 for contacting the electrodes of the unit cell 15 and taking out current to the outside, and frame bodies 8 and 9 that are externally mounted on the peripheral ends of the current collecting members 3 and 4. I have. The current collecting members 3 and 4 that are current collecting plates are made of metal. The constituent metal is a metal having conductivity and corrosion resistance, and examples thereof include stainless steel, nickel alloy, titanium alloy and the like subjected to corrosion-resistant conductive treatment.
The current collecting member 3 is in contact with the fuel electrode of the unit cell 15, and the current collecting member 4 is in contact with the oxygen electrode. The current collecting member 3 is formed with a plurality of projecting convex portions 32 by pressing.
The convex portions 32 are arranged at equal intervals along the long side of the plate material in the short side direction. A hydrogen channel 301 is formed between the convex portions 32 by grooves formed between the convex portions 32 arranged along the long side (lateral direction in FIG. 2). A hydrogen flow path 302 is formed by the groove 33 formed in. The surface of the apex portion of the convex portion 32 is a contact portion 321 with which the fuel electrode contacts. Since the current collecting member 3 is a net, the fuel electrode can supply the fuel gas through the hole 320 even in the portion where the contact portion 321 contacts. In addition, hydrogen gas can flow between the hydrogen channel 301 and the hydrogen channel 302 via the holes 320.

集電部材３の両端部には、流通孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この流通孔３５によって水素供給路が構成される。
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、板材の長辺方向へ等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっており、中空部４１の両端は、閉鎖されている。 Through holes 35 are formed at both ends of the current collecting member 3. When the separators 13 are stacked, the through holes 35 form a hydrogen supply path.
The current collecting member 4 is made of a rectangular plate material, and a plurality of convex portions 42 are formed by pressing. The convex portions 42 are continuously formed in a straight line parallel to the short sides of the plate material, and are arranged at equal intervals in the long side direction of the plate material. A groove is formed between the convex portions 42 to form an air flow path 40 through which air flows. The surface of the apex portion of the convex portion 42 is an abutting portion 421 with which the oxygen electrode contacts. Further, the back side of the convex portion 42 is a groove-like hollow portion 41, and both ends of the hollow portion 41 are closed.

以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路４０を通過する空気中に含有される酸素である。 The current collecting members 3 and 4 as described above are overlapped and fixed so that the convex portions 32 and the convex portions 42 are on the outside. At this time, the back side surface 34 of the current collecting member 3 and the back side surface 403 of the air flow path 40 are in contact with each other, so that they can be energized with each other. As shown in FIGS. 3 and 5, the air flow path 40 is overlapped with the unit cell 15, and a tubular flow path is formed by closing the groove opening 400. A part of the inner wall of 40 is composed of an oxygen electrode. Oxygen and water are supplied from the air flow path 40 to the oxygen electrode of the unit cell 15. The oxygen supplied to the oxygen electrode is oxygen contained in the air passing through the air flow path 40.

空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（空気室）として機能する。空気流路４０に流入した霧状の水は、セパレータ１３や酸素極１５ｂを冷却し、各空気流路４０で水による冷却が施されることによって、燃料電池スタック１００全体が冷却される。このような冷却は、供給噴射された水の温度が燃料電池スタック１００の温度よりも低く設定されていることから、水と燃料電池スタック１００との熱エネルギーの交換により行われ、さらに、セパレータ１３や酸素極１５ｂに付着した水が、気化する場合に燃料電池スタック１００から奪う潜熱により行われる。 The opening on one end side of the air flow path 40 is an introduction port 43 through which air and water flow, and the opening at the other end is a discharge port 44 through which air and water flow out. The air flow path 40 and its aggregate from the inlet 43 to the outlet 44 function as an oxygen chamber (air chamber) for supplying oxygen to the solid electrolyte membrane. The mist-like water that has flowed into the air flow path 40 cools the separator 13 and the oxygen electrode 15b, and is cooled by water in each air flow path 40, whereby the entire fuel cell stack 100 is cooled. Such cooling is performed by exchanging thermal energy between the water and the fuel cell stack 100 because the temperature of the supplied and injected water is set lower than the temperature of the fuel cell stack 100. Further, the separator 13 The water adhering to the oxygen electrode 15b is caused by the latent heat taken from the fuel cell stack 100 when it vaporizes.

また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。各中空部４１でも、各空気流路４０内と同様に、流入した霧状の水によって、燃料電池スタック１００の冷却作用が発揮される。 Moreover, the opening part of the one end side of the hollow part 41 becomes the inflow opening port 45 into which air and water flow in, and the opening part of the other end becomes the outflow opening port 46 through which air and water flow out. In the above configuration, the air flow paths 40 and the hollow portions 41 are alternately arranged in parallel and are adjacent to each other with the side wall 47 interposed therebetween. Also in each hollow portion 41, the cooling action of the fuel cell stack 100 is exhibited by the mist-like water that has flowed in, as in each air flow path 40.

集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の流通孔３５に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３と窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。 Frame members 8 and 9 are overlaid on the current collecting members 3 and 4, respectively. As shown in FIG. 2, the frame 8 overlaid on the current collecting member 3 is configured to have the same size as the current collecting member 3, and a window 81 for accommodating the convex portion 32 is formed at the center. ing. Further, in the vicinity of both ends, a hole 83 is formed at a position matching the flow hole 35 of the current collecting member 3, and between the hole 83 and the window 81, the side in contact with the current collecting member 3 is formed. A recess is formed in the plane, and a hydrogen flow path 84 is provided. In addition, a concave portion whose contour is formed along the window 81 is formed on the plane opposite to the surface that contacts the current collecting member 3, and a storage portion 82 for storing the unit cell 15 is provided. Yes. The fuel chamber 30 is defined by the fuel electrode surface of the unit cell 15 housed in the housing portion 82, the hydrogen flow paths 301 and 302, and the window 81. Thus, the fuel chamber is provided adjacent to the fuel electrode, and the oxygen chamber is provided adjacent to the oxygen electrode.

集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３に合致する位置に孔９３が形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３に接続されている。 The frame body 9 overlaid on the current collecting member 4 is configured to have the same size as the frame body 8, and a window 91 for accommodating the convex portion 42 is formed at the center. Further, in the vicinity of both end portions, holes 93 are formed at positions corresponding to the holes 83 of the frame body 8. Grooves are formed along the pair of opposing long sides of the frame 8 on the surface of the frame 8 on which the current collecting member 4 is overlapped. By overlapping the current collecting members 3 and 4, the air flow passage 94 is formed. , 95 is configured. One end of the air flow passage 94 is connected to an opening 941 formed on the end surface on the long side of the frame body 8, and the other end is connected to the introduction port 43 of the air flow path 40.

上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、後述する空気マニホールド５４から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４に接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。 The upstream air flow passage 94 has an end inner wall that is a tapered surface 942 so that the cross-sectional area gradually decreases from the opening 941 side to the air flow path 40 side, and is injected from an air manifold 54 described later. It is easy to take in mist water. On the other hand, one end of the downstream air flow passage 95 is connected to the outlet 44 of the air flow path 40, and the other end is connected to an opening 951 formed on the long side end surface of the frame 8. The air flow passage 95 has an end inner wall as a tapered surface 952 so that the cross-sectional area gradually decreases from the opening 951 side toward the air flow path 40 side. Even when the fuel cell stack 100 is tilted, the tapered surface 952 maintains the discharge of water. In addition, a concave portion having a contour formed along the window 91 is formed on the plane opposite to the surface of the frame body 9 that contacts the current collecting member 4, and the storage unit in which the unit cell 15 is stored. 92 is provided.

図７は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。 FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the unit cell 15. The unit cell 15 includes a solid polymer electrolyte membrane 15a, and an oxygen electrode 15b and a fuel electrode 15c that are oxidant electrodes stacked on both side surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 15a, respectively. The membrane 15a is sandwiched between the oxygen electrode 15b and the fuel electrode 15c. The solid polymer electrolyte membrane 15 a is formed in a size that matches the storage portions 82 and 92, and the oxygen electrode 15 b and the fuel electrode 15 c are formed in a size that matches the windows 91 and 81. Since the thickness of the unit cell 15 is extremely thin compared to the thicknesses of the frame bodies 8 and 9 and the current collecting members 3 and 4, the unit cell 15 is shown as an integral member in the drawing.

空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ₂）等が挙げられる。 The inner wall of the air flow path 40 is subjected to hydrophilic treatment. The surface treatment may be performed so that the contact angle between the inner wall surface and water is 40 ° or less, preferably 30 ° or less. As the treatment method, a method of applying a hydrophilic treatment agent to the surface is taken. Examples of the treating agent to be applied include polyacrylamide, polyurethane resin, titanium oxide (TiO ₂ ), and the like.

以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図８は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、空気マニホールド５４内で、水噴射手段であるノズル５５から噴射された水が同時に流入する。導入口４３から流入した空気と水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。 The separators 13 are configured by holding the current collecting members 3 and 4 by the frames 8 and 9 configured as described above, and the fuel cell stack 100 is configured by alternately stacking the separators 13 and the unit cells 15. . FIG. 8 is a partial plan view of the fuel cell stack 100. A large number of inlets 43 are opened on the upper surface of the fuel cell stack 100. As will be described later, air flows into the inlet 43 from the air manifold 54, and is a water injection means within the air manifold 54. Water sprayed from the nozzle 55 flows in simultaneously. The air and water flowing in from the introduction port 43 cool the current collecting members 3 and 4 by latent heat cooling.

次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。
燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、二次圧センサＳ１、第１ガス供給弁２０及び水素調圧弁２１、第２ガス供給弁２２、三次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端に接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢのＩＮに接続されている。燃料電池スタック１００のガス排出口には、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環ポンプ２５、循環電磁弁２６が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気ダクト１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。 Next, the configuration of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described.
The configuration of the fuel supply system 10 will be described. A hydrogen storage tank 11 that is a fuel gas cylinder is connected to a gas intake port of the fuel cell stack 100 via fuel gas supply channels 201A and 201B. The fuel gas supply passage 201A includes a hydrogen source valve 18, a primary pressure sensor S0, a regulator 19, a secondary pressure sensor S1, a first gas supply valve 20, a hydrogen pressure regulating valve 21, a second gas supply valve 22, and a tertiary pressure sensor. S2 is sequentially provided, and the fuel gas supply channel 201A is connected to one end of the fuel gas supply channel 201B. The other end of the fuel gas supply channel 201B is connected to the IN of the gas inlet 201B of the fuel cell stack 100. One end of a gas discharge channel 202 is connected to the gas discharge port of the fuel cell stack 100, and the other end is connected to the fuel gas supply channel 201B to constitute a fuel gas circulation channel. In the gas discharge channel 202, a trap 24, a circulation pump 25, and a circulation electromagnetic valve 26 are arranged in this order from the gas discharge port side of the fuel cell stack 100. A water level sensor S10 is attached to the trap 24, and one end of the gas outlet path 203 is connected to the trap 24. The other end of the gas outlet path 203 is connected to the air duct 124. An exhaust solenoid valve 27 is provided in the gas outlet passage 203.

次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である空気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。
空気導入路１２３内には、空気マニホールド５４内の直前位置に、冷却水を空気導入路１２３内へ向けて噴射するノズル５５が設けられている。このノズル５５は、空気マニホールド５４内に設けられていてもよい。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口４３に空気を分割して流入させる。 Next, the air supply system 12 will be described. The air supply system 12 includes an air introduction path 123, an air manifold 54, and an air duct 124 that is an air discharge path. In the air introduction path 123, a filter 121, an air fan 122, and an air manifold 54 are provided in this order along the inflow direction.
In the air introduction path 123, a nozzle 55 that injects cooling water into the air introduction path 123 is provided at a position immediately before the air manifold 54. The nozzle 55 may be provided in the air manifold 54. The air manifold 54 divides and flows the air into the inlet 43 of the fuel cell stack 100.

空気ダクト１２４は、燃料電池スタック１００の導出口４４に接続され、導出口４４から流出した空気を合流させ、凝縮器５１を介して外部へ導流する。空気ダクト１２４の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分取り出す。また、ノズル５５から供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。 The air duct 124 is connected to the outlet 44 of the fuel cell stack 100, joins the air that has flowed out from the outlet 44, and guides it outside via the condenser 51. A condenser 51 to which a fan is attached is provided at the end of the air duct 124, and a filter 125 is subsequently connected. The condenser 51 extracts moisture from the air. Further, the water evaporated in the fuel cell stack 100 in the water supplied from the nozzle 55 is also collected here. The air duct 124 is provided with an exhaust temperature sensor S9, and the temperature in the fuel cell stack 100 is indirectly detected.

次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水をノズル５５へ導く給水路５６とを有する。導水路５７には、凝縮器５１から水タンク５３１へ向けて、回収ポンプ６２、ラジエタ６３が順に設けられている。回収ポンプ６２は、燃料電池スタック１００に対して噴射された冷却水と、凝縮器５１で排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。ラジエタ６３は、導水路５７を通過する水を冷却する冷却手段であり、回収された水の熱を外気へ放熱して冷却する。 Next, the water supply system will be described. The water supply system 50 includes a water tank 531 as water storage means, a water conduit 57 that guides the water collected by the condenser 51 to the water tank 531, and a water supply passage 56 that guides the water in the water tank 531 to the nozzle 55. A collection pump 62 and a radiator 63 are sequentially provided in the water conduit 57 from the condenser 51 to the water tank 531. The recovery pump 62 sends the cooling water injected to the fuel cell stack 100 and the water extracted from the exhaust gas by the condenser 51 to the water tank 531. The radiator 63 is a cooling unit that cools the water passing through the water conduit 57, and cools the recovered water by releasing the heat of the water to the outside air.

給水路５６には、フィルタ６４、水供給手段である供給ポンプ６１が順に設けられている。水タンク５３１には、水温センサＳ５と、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。凝縮器５１と、導水路５７と、回収ポンプ６２とによって、水回収手段が構成される。 The water supply path 56 is provided with a filter 64 and a supply pump 61 as water supply means in order. The water tank 531 is provided with a water temperature sensor S5 and a tank water level sensor S7 which is a storage amount detection means. The condenser 51, the water conduit 57, and the recovery pump 62 constitute water recovery means.

燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、スイッチ手段であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。
この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。 A load system 7 is connected to the fuel cell stack 100, and electric power output from the fuel cell stack 100 is supplied to the load system 7. The electrode of the fuel cell stack 100 is connected to an inverter 73 via a wiring 71, and electric power is supplied from the inverter 73 to a load such as a motor. An auxiliary power supply 76 is connected to the inverter 73 via an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 75 which is a switch means. The auxiliary power source 76 can be constituted by, for example, a battery or a capacitor.
The load system 7 is provided with a voltage sensor S4 for detecting the output voltage of the fuel cell stack 100 and a current sensor S3 for detecting the output current.

図９は、本発明の燃料電池システムの制御系の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１の制御系は、各センサＳ０〜Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０の検出値が入力され、レギュレータ１９、各電磁弁１８〜１９２０、２２、２７、各ポンプ２５、６１、６２、ファン１２２、インバータ７３、ＩＧＢＴ７５を制御する制御装置（ＥＣＵ）２００を備えている。この制御装置２００には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。 FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the control system of the fuel cell system of the present invention. The control system of the fuel cell system 1 receives the detection values of the sensors S0 to S5, S7, S9 and S10, the regulator 19, the solenoid valves 18 to 1920, 22, 27, the pumps 25, 61 and 62, the fan. 122, the inverter 73, and the control apparatus (ECU) 200 which controls IGBT75 are provided. An ignition switch (not shown) is connected to the control device 200, and an instruction signal for driving or stopping a drive motor that drives the vehicle is input.

図１０に示すように、上記のように構成された燃料電池システム１は、車両１６１の底部に搭載される。
車両１６１は、駆動部１６２、車室１６３、前車輪Ｗ１、後車輪Ｗ２を備えている。なお、車両１６１の前進方向（図１０中右側）を前、その反対側（同図中左側）を後とする。駆動部６２には、駆動モータが接続され、モータを駆動することによって、車輪Ｗ１を駆動輪として回転させることができる。そして、燃料電池システム１は、車室１６３の図示されない床の直下の前車輪Ｗ１と後車輪Ｗ２との間に、水平に配設される。そのために、燃料電池システム１は比較的偏平な形状にされ、燃料電池システム１を構成する各要素は、トレイ１６６の上に配設される。 As shown in FIG. 10, the fuel cell system 1 configured as described above is mounted on the bottom of a vehicle 161.
The vehicle 161 includes a drive unit 162, a passenger compartment 163, a front wheel W1, and a rear wheel W2. The forward direction (right side in FIG. 10) of the vehicle 161 is the front, and the opposite side (left side in the figure) is the rear. A drive motor is connected to the drive unit 62, and the wheel W1 can be rotated as a drive wheel by driving the motor. The fuel cell system 1 is horizontally disposed between a front wheel W1 and a rear wheel W2 directly below a floor (not shown) of the passenger compartment 163. Therefore, the fuel cell system 1 has a relatively flat shape, and each element constituting the fuel cell system 1 is disposed on the tray 166.

すなわち、図１１にも示すように、トレイ１６６上に、車両１６１を前進走行させる方向、すなわち、走行方向における上流側から下流側にかけて、ファンＡｓｓｙ１３８、燃料電池スタック１００、及び凝縮器５１が配設される。なお、１３６はダクト構造を有する排気管であり、該排気管１３６により、空気が排気される。 That is, as shown in FIG. 11, the fan Assy 138, the fuel cell stack 100, and the condenser 51 are arranged on the tray 166 in the direction in which the vehicle 161 travels forward, that is, from the upstream side to the downstream side in the traveling direction. Is done. Reference numeral 136 denotes an exhaust pipe having a duct structure. Air is exhausted through the exhaust pipe 136.

燃料電池スタック１００と凝縮器５１との間には、水補機箱１６８が配設され、水補機箱１６８内には、前述した供給ポンプ６１、６２、フィルタ６４等が収容される。また、水補機箱１６８に隣接させて水素補機箱１６９が配設され、水素補機箱１６９内に排気電磁弁２７等の水素供給系１０の備える電磁バルブセンサ等の補機が収容される。 A water auxiliary machine box 168 is disposed between the fuel cell stack 100 and the condenser 51, and the above-described supply pumps 61 and 62, the filter 64, and the like are accommodated in the water auxiliary machine box 168. Further, a hydrogen auxiliary machine box 169 is disposed adjacent to the water auxiliary machine box 168, and auxiliary machines such as an electromagnetic valve sensor provided in the hydrogen supply system 10 such as the exhaust electromagnetic valve 27 are accommodated in the hydrogen auxiliary machine box 169.

また、燃料電池スタック１００と凝縮器５１との間には、バッテリＢ１〜Ｂ３から成るバッテリユニット１７１、バッテリＢ４〜Ｂ９から成るバッテリユニット１７２が配設される。各バッテリユニット１７１、１７２は燃料電池スタック１００に対して補助電源７６として使用され、モータの負荷が大きい場合に、バッテリユニット１７１、１７２から電流を供給することができる。また、水タンク５３１は、水補機箱１６８に隣接して設けられ、トレイ１６６の外側端に配置される。水タンク５３１は、冷却が容易となるように、走行中に外気に触れ易い位置に配置される。特に、水タンク５３１の外側には、フィン５３１ｆが複数配置され、フィン５３１ｆに当たる外気流による冷却効果の促進が図られている。 Between the fuel cell stack 100 and the condenser 51, a battery unit 171 composed of batteries B1 to B3 and a battery unit 172 composed of batteries B4 to B9 are disposed. Each battery unit 171, 172 is used as an auxiliary power source 76 for the fuel cell stack 100, and can supply current from the battery unit 171, 172 when the motor load is large. The water tank 531 is provided adjacent to the water auxiliary machine box 168 and is disposed at the outer end of the tray 166. The water tank 531 is disposed at a position where it can easily be exposed to the outside air during traveling so that the water tank 531 can be easily cooled. In particular, a plurality of fins 531f are arranged outside the water tank 531, and the cooling effect by the external airflow hitting the fins 531f is promoted.

また、水タンク５３１の後側には、ラジエタ６３が配置されている。ラジエタ６３は、ファン６３１を回転させて生じる空気流を、複数に分けられた配管の間を通過させることにより、該配管内を通過する水を冷やす機能を有するものである。その場合、熱源となる燃料電池スタック１００に対して、反対側（後側）から外気を導入するようにファン６３１が配置される。また、ファン６３１により送られる送風は、ラジエタ６３内を抜けて、水タンク５３１に当たるため、これによるも水タンク５３１の冷却効果が発揮される。ラジエタ６３は、これに代えて、電動ポンプにより冷媒を圧縮、断熱膨張させることにより冷却作用を生じる冷却装置、あるいは、ペルチェ効果を利用した電子冷却素子等を用いてもよい。 A radiator 63 is disposed on the rear side of the water tank 531. The radiator 63 has a function of cooling the water passing through the pipe by passing an air flow generated by rotating the fan 631 between the pipes divided into a plurality of parts. In that case, the fan 631 is arranged so as to introduce outside air from the opposite side (rear side) to the fuel cell stack 100 serving as a heat source. Further, since the air sent by the fan 631 passes through the radiator 63 and hits the water tank 531, the cooling effect of the water tank 531 is also exhibited. Instead of this, the radiator 63 may use a cooling device that generates a cooling action by compressing and adiabatic expansion of the refrigerant by an electric pump, or an electronic cooling element using the Peltier effect.

また、トレイ１６６の下には、燃料電池スタック１００の全ての導出口４４をカバー（収容）するように、排気マニホールド５４１が設けられ、その下流側に空気ダクト１２４が接続される。排気マニホールド５４１は、複数の導出口４４から排出された空気を束ね、空気ダクト１２４へ送るとともに、各導出口４４から落下する冷却水を受ける。溜められた水は、水タンク５３１へ回収される。 An exhaust manifold 541 is provided under the tray 166 so as to cover (accommodate) all the outlets 44 of the fuel cell stack 100, and an air duct 124 is connected to the downstream side thereof. The exhaust manifold 541 bundles the air discharged from the plurality of outlets 44, sends it to the air duct 124, and receives cooling water falling from each outlet 44. The collected water is collected in the water tank 531.

車外から取り込まれた空気は、図１０の破線の矢印で示されるように、ファンＡｓｓｙ１３８内を流れた後、燃料電池スタック１００に送られ、該燃料電池スタック１００内を垂直方向に上から下に向けて流れ、続いて、燃料電池スタック１００から排出されたガスは、空気ダクト１２４を介して、凝縮器５１に送られ、該凝縮器５１内を流れた後、排気管１３６を介して排出される。 The air taken from the outside of the vehicle flows through the fan Assy 138 and then is sent to the fuel cell stack 100 as indicated by the dashed arrows in FIG. 10, and the fuel cell stack 100 is vertically moved from top to bottom in the fuel cell stack 100. Then, the gas discharged from the fuel cell stack 100 is sent to the condenser 51 through the air duct 124, and after flowing through the condenser 51, is discharged through the exhaust pipe 136. The

以上のように構成された燃料電池システム１の水供給系１０の作用について説明する。噴射ノズル５５から噴射された水は、燃料電池スタック１００に設けられた複数の空気流路４０と中空部４１を通過する際、燃料電池スタック１００を冷却し、開口９５１から下側へ、空気と共に排出される。 The operation of the water supply system 10 of the fuel cell system 1 configured as described above will be described. The water injected from the injection nozzle 55 cools the fuel cell stack 100 when passing through the plurality of air flow paths 40 and the hollow portions 41 provided in the fuel cell stack 100, and together with the air downward from the opening 951. Discharged.

排出された水は、排気マニホールド５４１で受けられ凝縮器５１を介して、又は直接、ポンプ６２により回収され、ラジエタ６３内を通過した後、水タンク５３１に、一旦回収される。水タンク５３１内の水の温度は、センサＳ５によって検出される。水タンク５３１内の水は、フィルタ６４を通り、ポンプ６１により給水路５６を介して噴射ノズル５５から噴射される。 The discharged water is received by the exhaust manifold 541 and collected by the pump 62 via the condenser 51 or directly, and after passing through the radiator 63, is temporarily collected in the water tank 531. The temperature of the water in the water tank 531 is detected by the sensor S5. Water in the water tank 531 passes through the filter 64 and is jetted from the jet nozzle 55 by the pump 61 through the water supply path 56.

制御装置２００は、ラジエタ６３のファン６３１の駆動を制御する。図１２は、制御装置２００の制御内容を示すフローチャートである。制御装置２００は、センサＳ９を介して、燃料電池スタック１００の温度Ｔｓを間接に取得し（ステップS１０１）、次に水タンク５３１の水温Ｔｗを、センサＳ５を介して取得する（ステップＳ１０３）。 The control device 200 controls driving of the fan 631 of the radiator 63. FIG. 12 is a flowchart showing the control contents of the control device 200. The control device 200 indirectly acquires the temperature Ts of the fuel cell stack 100 via the sensor S9 (step S101), and then acquires the water temperature Tw of the water tank 531 via the sensor S5 (step S103).

次に、燃料電池スタック１００の温度Ｔｓと水温Ｔｗとの温度差（Ｔｓ−Ｔｗ）を算出し、予め定められた閾値Ｑと比較し、Ｑより小さいか否か判断する（ステップＳ１０５）。温度差（Ｔｓ−Ｔｗ）の値が大きい程、冷却効果が発揮され、小さい程、冷却効果が低下する。閾値Ｑは、冷却効果が十分に発揮できる値として設定される。小さい場合には、冷却作用を上げるためにラジエタ６３のファン６３１を駆動させて、ラジエタ６３の冷却動作を開始し、水温降下手段を作動状態とする（ステップＳ１０７）。大きい場合には、現在の水温で、冷却作用が足りているので、ラジエタ６３のファン６３１は非作動状態とし、水温降下手段を非作動状態とする（ステップＳ１０９）。 Next, a temperature difference (Ts−Tw) between the temperature Ts of the fuel cell stack 100 and the water temperature Tw is calculated and compared with a predetermined threshold value Q to determine whether or not it is smaller than Q (step S105). The larger the value of the temperature difference (Ts−Tw), the more effective the cooling effect, and the smaller the value, the lower the cooling effect. The threshold value Q is set as a value that can sufficiently exhibit the cooling effect. If it is smaller, the fan 631 of the radiator 63 is driven to increase the cooling action, the cooling operation of the radiator 63 is started, and the water temperature lowering means is activated (step S107). If it is larger, the cooling action is sufficient at the current water temperature, so that the fan 631 of the radiator 63 is deactivated and the water temperature lowering means is deactivated (step S109).

ステップＳ１０５の構成としては、この他、水温Ｔｗのみをモニターし、燃料電池スタック１００の上限許容温度Ｔｐに基づいて設定された水温Ｔ0（＜Ｔｐ）と比較して、Ｔ0より高いか否か判断してもよい。高い場合には、冷却効果が十分に発揮されないので、ラジエタ６３を作動させ、低い場合には、非作動とする。 In addition to this, as the configuration of step S105, only the water temperature Tw is monitored, and compared with the water temperature T0 (<Tp) set based on the upper limit allowable temperature Tp of the fuel cell stack 100, it is determined whether or not it is higher than T0. May be. When it is high, the cooling effect is not sufficiently exhibited, so the radiator 63 is operated, and when it is low, the radiator 63 is not operated.

次に、システムが停止されたか判断し（ステップＳ１１１）、停止された場合には、制御を中止し、停止されていない場合には、リターンする。
以上のように、冷却能力を補強する必要が生じたときのみ、水温降下手段を作動させることにより、システム全体の消費エネルギーの増加を抑制することができる。 Next, it is determined whether the system has been stopped (step S111). If the system has been stopped, the control is stopped, and if it has not been stopped, the process returns.
As described above, an increase in energy consumption of the entire system can be suppressed by operating the water temperature lowering means only when the cooling capacity needs to be reinforced.

図１３は、制御装置２００の他の制御内容を示すフローチャートである。制御装置２００は、センサＳ３により、電流値を取得し（ステップＳ２０１）、燃料電池スタック１００内の電流密度Ｉｄを算出する（ステップＳ２０３）。図１４に示されているように、電流密度が所定値Ｆより大きくなると、冷却水を循環させて使用するのみでは、発電効率が悪化するため、循環水よりも低温の水を冷却水として使用する必要がある。そこで、電流密度Ｉｄが、所定値Ｆ以上か否か判断し（ステップＳ２０５）、以上である場合には、冷却作用を上げるためにラジエタ６３のファン６３１を駆動させて、ラジエタ６３の冷却動作を開始し、水温降下手段を作動状態とする（ステップＳ２０７）。所定値Ｆより小さい場合には、現在の水温で、冷却作用が足りているので、ラジエタ６３のファン６３１は非作動状態とし、水温降下手段を非作動状態とする（ステップＳ２０９）。次に、システムが停止されたか判断し（ステップＳ２１１）、停止された場合には、制御を中止し、停止されていない場合には、リターンする。この構成例によれば、出力される電流値により、冷却の要、不要を判断するので、温度を検出する方式と比較して、外気温度などによる検出値の誤差が生じにくい、といった利点がある。 FIG. 13 is a flowchart showing another control content of the control device 200. The control device 200 acquires a current value by the sensor S3 (step S201), and calculates a current density Id in the fuel cell stack 100 (step S203). As shown in FIG. 14, when the current density is larger than the predetermined value F, the power generation efficiency is deteriorated only by circulating the cooling water, so that water having a lower temperature than the circulating water is used as the cooling water. There is a need to. Therefore, it is determined whether or not the current density Id is equal to or greater than the predetermined value F (step S205). If the current density Id is greater than or equal to the predetermined value F, the fan 631 of the radiator 63 is driven to increase the cooling action. It starts and makes a water temperature fall means into an operating state (step S207). If it is smaller than the predetermined value F, the cooling action is sufficient at the current water temperature, so that the fan 631 of the radiator 63 is deactivated and the water temperature lowering means is deactivated (step S209). Next, it is determined whether the system has been stopped (step S211). If the system has been stopped, the control is stopped, and if it has not been stopped, the process returns. According to this configuration example, whether or not cooling is necessary is determined based on the output current value, so that there is an advantage that an error in the detection value due to the outside air temperature is less likely to occur compared to the method of detecting the temperature. .

図１５は、他の参考例を示す模式図である。この参考例では、空気導入路１２３の中に、給水路５６が配置され、冷却部５６１が設けられている。この冷却部５６１は、空気導入路１２３内の外気流が接触する位置に配置された給水路５６で構成されている。このような構成とすることにより、外気を導入している状態では、常時、冷却水が冷却されていることとなる。この空気導入路１２３内の給水路５６、つまり冷却部５６１を構成する給水路５６は、管体の外側被覆を薄く、又は削除した状態とし、外気流による冷却作用を向上させるような構成とすることができる。また配管の断面形状を扁平にして、外気との接触面積を広く採り、冷却効果を向上させるように構成してもよい。 FIG. 15 is a schematic diagram showing another reference example . In this reference example , a water supply path 56 is disposed in the air introduction path 123 and a cooling unit 561 is provided. The cooling unit 561 is configured by a water supply path 56 disposed at a position where the external airflow in the air introduction path 123 contacts. By setting it as such a structure, in the state which has introduce | transduced external air, cooling water will always be cooled. The water supply path 56 in the air introduction path 123, that is, the water supply path 56 that constitutes the cooling unit 561, has a configuration in which the outer coating of the tubular body is thinned or deleted, and the cooling action by the external airflow is improved. be able to. Further, the cross-sectional shape of the pipe may be flattened so as to increase the contact area with the outside air and improve the cooling effect.

図１６は、水温降下手段の他の構成例を示す、燃料電池システム１のブロック図である。この実施形態では、水供給系５０の導水路５７と、給水路５６の間に、水タンク５３１を迂回するバイパス路５８が設けられ、該バイパス路５８には冷水タンク５３２が設けられている。冷水タンク５３２は、水タンク５３１に溜められている水よりも、水温の低い水が収容されている。また、バイパス路５８と、導水路５７の接続部には、電磁切換弁６５が設けられている。電磁切換弁６５は、回収ポンプ６２から送られてきた水の送水先を、水タンク５３１と冷水タンク５３２の間で選択する。 FIG. 16 is a block diagram of the fuel cell system 1 showing another configuration example of the water temperature lowering means. In this embodiment, a bypass path 58 that bypasses the water tank 531 is provided between the water supply path 57 of the water supply system 50 and the water supply path 56, and a cold water tank 532 is provided in the bypass path 58. The cold water tank 532 contains water having a lower water temperature than the water stored in the water tank 531. In addition, an electromagnetic switching valve 65 is provided at a connection portion between the bypass path 58 and the water guide path 57. The electromagnetic switching valve 65 selects the destination of water sent from the recovery pump 62 between the water tank 531 and the cold water tank 532.

また、バイパス路５８と、給水路５６の接続部には、電磁切換弁６６が設けられている。電磁切換弁６６は、供給ポンプ６１への水の供給源を、水タンク５３１と冷水タンク５３２の間で選択する。図９において、想像線で示されているように、電磁切換弁６５、６６は、制御装置２００に接続され、該装置によって、切換制御がなされる。また、冷水タンク５３２の貯水量は、センサＳ１１で検出され、水温はセンサＳ１２で検出され、各検出値は、制御装置２００にそれぞれ供給される。制御装置２００は、冷水タンク５３２の貯水量をモニターし、所定値より低くなった場合には、電磁切換弁６５を切り換えて、回収ポンプ６２から送られる水を冷水タンク５３２に供給するように制御する。 In addition, an electromagnetic switching valve 66 is provided at a connection portion between the bypass path 58 and the water supply path 56. The electromagnetic switching valve 66 selects a water supply source to the supply pump 61 between the water tank 531 and the cold water tank 532. In FIG. 9, as indicated by an imaginary line, the electromagnetic switching valves 65 and 66 are connected to the control device 200, and switching control is performed by the device. Further, the amount of water stored in the cold water tank 532 is detected by the sensor S11, the water temperature is detected by the sensor S12, and each detected value is supplied to the control device 200. The control device 200 monitors the amount of water stored in the cold water tank 532, and controls the electromagnetic switching valve 65 to switch to supply the water sent from the recovery pump 62 to the cold water tank 532 when it becomes lower than a predetermined value. To do.

図１２は、水タンク５３１と冷水タンク５３２の配置位置関係を示す、燃料電池システム１の全体斜視図である。水タンク５３１は、燃料電池スタック１００の後側に配置され、さらにその後側に冷水タンク５３２が配置される。各タンク５３１、５３２の表面には、冷却フィン５３１ｆ、５３２ｆが設けられ、外気によるタンクの冷却効果が上がるように構成されている。また、冷水タンク５３２は、水タンク５３１の後側に位置しているので、熱源である燃料電池スタック１００よりも遠く、水温が上昇する要素がより少ない位置に配置されている。 FIG. 12 is an overall perspective view of the fuel cell system 1 showing the positional relationship between the water tank 531 and the cold water tank 532. The water tank 531 is disposed on the rear side of the fuel cell stack 100, and the cold water tank 532 is disposed on the rear side thereof. Cooling fins 531f and 532f are provided on the surfaces of the tanks 531 and 532, respectively, so that the tank cooling effect by the outside air is improved. Further, since the cold water tank 532 is located on the rear side of the water tank 531, the cold water tank 532 is disposed farther than the fuel cell stack 100 that is a heat source and at a position where there are fewer elements that increase the water temperature.

冷水タンク５３２は、図１５の想像線で示すように、燃料電池スタック１００の前方に配置されていてもよい。車両の走行中は、前方より後方へ向けて外気が流れるので、燃料電池スタック１００の周囲の暖められた雰囲気は、後方に流れ去ることとなるので、暖かい雰囲気による影響が最も少なく、かつ、暖まる前の外気が当たるので、より高い冷却作用が発揮される。 The cold water tank 532 may be disposed in front of the fuel cell stack 100 as indicated by an imaginary line in FIG. Since the outside air flows from the front toward the rear while the vehicle is traveling, the warmed atmosphere around the fuel cell stack 100 flows away to the rear, so that the warm atmosphere has the least influence and warms up. Since the previous outside air hits, a higher cooling effect is exhibited.

以上のような構成において、図１２に示される制御フローチャートに基づいて、水供給系５０が制御される。通常運転状態の場合には、電磁切換弁６５は、水タンク５３１に回収した水を送る状態に設定され、電磁切換弁６６は、水タンク５３１から水を供給する状態に設定されている。従って、冷水タンク５３２には、回収された水（暖まった水）は供給されないので、冷水タンク５３２内の水は、外気流により冷やされた状態に保たれている。 In the above configuration, the water supply system 50 is controlled based on the control flowchart shown in FIG. In the normal operation state, the electromagnetic switching valve 65 is set to send the collected water to the water tank 531, and the electromagnetic switching valve 66 is set to supply water from the water tank 531. Therefore, since the recovered water (warm water) is not supplied to the cold water tank 532, the water in the cold water tank 532 is kept in a state cooled by the external airflow.

ここで、ステップＳ１０５において、「作動状態に切換」と判断した場合には、電磁切換弁６６を切り換えて、冷水タンク５３２から、循環水よりも低い温度の水を供給ポンプ６１に供給する。これにより、噴射ノズル５５から供給される冷却水は、より低い温度の水となり、燃料電池スタック１００を冷却する効果が向上する。燃料電池スタック１００を通過して回収された水は、冷水タンク５３２が空となるまで、水タンク５３１に回収される。暖まった回収水を冷水タンク５３２に戻すと、冷水タンク５３２内の水温が上昇し、冷却水により冷却効果が半減するからである。水位センサＳ１１により、水位をモニターし、冷水タンク５３２内の水位が所定量より少なくなった時点で、電磁切換弁６５を切り換え、回収水を冷水タンク５３２へ供給する。同時に、電磁切換弁６６を切り換え、水タンク５３１から水を供給する状態とする。さらに、水位センサＳ１１により、水位をモニターし、冷水タンク５３２内の水位が所定量より大きくなった時点で、電磁切換弁６５を切り換え、回収水を水タンク５３１へ供給し、通常状態に戻す。 Here, when it is determined in step S105 that “switch to the operating state”, the electromagnetic switching valve 66 is switched, and water having a temperature lower than the circulating water is supplied from the cold water tank 532 to the supply pump 61. Thereby, the cooling water supplied from the injection nozzle 55 becomes lower temperature water, and the effect of cooling the fuel cell stack 100 is improved. The water collected through the fuel cell stack 100 is collected in the water tank 531 until the cold water tank 532 becomes empty. This is because if the warm recovered water is returned to the cold water tank 532, the water temperature in the cold water tank 532 rises, and the cooling effect is halved by the cooling water. The water level is monitored by the water level sensor S11, and when the water level in the cold water tank 532 becomes less than a predetermined amount, the electromagnetic switching valve 65 is switched to supply the recovered water to the cold water tank 532. At the same time, the electromagnetic switching valve 66 is switched so that water is supplied from the water tank 531. Further, the water level is monitored by the water level sensor S11, and when the water level in the cold water tank 532 becomes larger than a predetermined amount, the electromagnetic switching valve 65 is switched to supply the recovered water to the water tank 531 and return to the normal state.

ステップＳ１０５において、「非作動状態に切換」と判断した場合には、電磁切換弁６６を切り換えず、通常状態のまま維持する。
他の制御例として、ステップＳ１０５において、「作動状態に切換」と判断した場合に、電磁切換弁６５、６６を同時に切り換えて、冷水タンク５３２から水を供給し、回収された水は、冷水タンク５３２に戻す循環経路を構成するように制御してもよい。この切り換った循環経路により水が供給されている間は、水タンク５３１には、回収水は供給されず、フィン５３１ｆなどにより、タンク内の水は冷却されるので、水温は下降する。そして、冷却タンク５３２は、暖まった回収水が、随時供給されるので、水温は上昇する。両タンク５３１、５３２の水温をセンサＳ５、Ｓ１１でモニターし、水温が逆転した場合（つまり、冷水タンク５３２内の水温が、水タンク５３１内の水温より高くなった場合）、再度電磁切換弁６５、６６を同時に切り換えて、水タンク５３１から水を供給するように制御する。この電磁切換弁６５、６６を同時に切り換えるタイミングは、水温が逆転した場合ではなく、水を供給していない方のタンクの水温が、所定値以下となった場合としてもよい。この所定値は、冷却効果が十分発揮できる程度に低い値であり、例えば、燃料電池スタック１００の許容安全駆動温度範囲の上限値よりも５度低い温度などに設定することができる。 If it is determined in step S105 that “switch to non-operating state”, the electromagnetic switching valve 66 is not switched and is maintained in the normal state.
As another control example, when it is determined in step S105 that “switch to the operating state”, the electromagnetic switching valves 65 and 66 are simultaneously switched to supply water from the cold water tank 532, and the recovered water is stored in the cold water tank. Control may be performed so as to configure a circulation path returning to 532. While water is being supplied through the switched circulation path, the recovered water is not supplied to the water tank 531, and the water in the tank is cooled by the fins 531f and the like, so the water temperature falls. The cooling tank 532 is supplied with warm recovered water as needed, so that the water temperature rises. When the water temperatures of the tanks 531 and 532 are monitored by the sensors S5 and S11 and the water temperature is reversed (that is, when the water temperature in the cold water tank 532 becomes higher than the water temperature in the water tank 531), the electromagnetic switching valve 65 is again used. , 66 are switched at the same time so that water is supplied from the water tank 531. The timing at which the electromagnetic switching valves 65 and 66 are switched simultaneously may not be when the water temperature is reversed, but when the water temperature of the tank that is not supplying water becomes equal to or lower than a predetermined value. This predetermined value is a value that is low enough to exhibit a sufficient cooling effect, and can be set to a temperature that is 5 degrees lower than the upper limit value of the allowable safe driving temperature range of the fuel cell stack 100, for example.

この構成は、第１の水タンク（水タンク５３１）と第２の水タンク（冷水タンク５３２）を有し、回収水を供給する回収経路と、噴射ノズル５５に水を供給する供給経路があり、第１と第２の水タンクは、それぞれ切換弁を介して、回収経路と供給経路とに各々接続されており、各タンクの水温を検出するセンサをそれぞれ備え、より低い方の水温のタンクで、噴射と回収からなる循環路が構成され、循環路を構成しない側のタンクでは、フィンなどの冷却手段によって、水の冷却が行われていることを特徴としている。
本明細書は以下の事項を開示する。
（１）燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に挟持される電解質膜とを備えた複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの間にそれぞれ介挿された燃料電池セパレータとを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの各酸素室に酸素を供給する酸素供給手段と、
前記燃料電池スタックに供給される酸素に水を噴射流入する噴射流入手段と、
前記噴射流入手段に噴射される水を供給する水供給手段と、
前記噴射流入手段に供給される水の水温を下降させる水温降下手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
（２）前記水供給手段は、前記噴射流入手段により前記燃料電池スタックへ供給された水を回収する水回収手段と、
前記水回収手段で回収された水を溜める貯水手段と、
前記貯水手段から前記噴射流入手段へ水を供給する送水手段とを備える上記（１）に記載の燃料電池システム。
（３）前記水温降下手段は、前記水回収手段によって回収された水を冷却する冷却手段である上記（２）に記載の燃料電池システム。
（４）前記酸素供給手段は、外気を燃料電池スタックへ導入する導入路を備え、
前記冷却手段は、前記導入路に設けられ、前記導入路を通過する外気流によって水を冷却するラジエタを有する上記（３）に記載の燃料電池システム。
（５）前記水温降下手段は、前記水供給手段で供給される水の水温よりも低温の水を前記噴射流入手段に供給する低温水供給手段を有し、
前記低温水供給手段は、前記水供給手段から独立して設けられている上記（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。
（６）前記水温降下手段は、水の水温を下降させる作用を発揮する作動状態と、水温を降下させる作用を停止した非作動状態とに選択する選択手段を備えた上記（１）〜（５）のいずれか１に記載の燃料電池システム。
（７）前記燃料電池スタックの温度を直接的に又は間接的に検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された燃料電池スタックの温度に応じて、前記選択手段が作動状態を選択するように制御する水温調整手段を有する上記（６）に記載の燃料電池システム。
上記(１)の構成によれば、水温降下手段によって、噴射流入手段によって供給される水の温度を、噴射流入前に降下させることができるので、燃料電池セパレータの冷却能力を強化することができる。
上記(２)の構成によれば、燃料電池スタックへ供給された水を回収し、これを繰り返し使用する構成においては、回収された水は、燃料電池スタックによって暖められているため、十分な冷却効果が得られない場合があり、この水の水温を、水温降下手段によって、噴射前に降下させることができるので、冷却効果を維持、強化できる。
上記(３)の構成によれば、水温降下手段は、水を冷却する冷却手段であるので、回収した水をそのまま循環させて使用することができ、水の追加供給などの必要がなく、メンテナンスを簡略化することができる。
上記(４)の構成によれば、冷却手段を、導入される外気により水を冷却するラジエタとしたので、冷却するためのエネルギー源を必要としないので、冷却手段を設けることによる、システム全体の消費エネルギーの増加を抑制できる。
上記(５)の構成によれば、予め低温の水を供給する低温水供給手段を水供給手段から独立して設けることにより、噴射水に供給する水を冷却する構成が不要となるので、冷却のためのエネルギー消費を抑制することができる。
上記(６)の構成によれば、選択手段により水温降下手段を作動状態と、非作動状態とに切り換え可能とすることにより、要時にのみ水温を下降させることができ、冷却作用を効率良く発揮させることが可能となる。請求項７に記載の発明によれば、燃料電池スタックの温度に応じて、水温降下手段を作動させることができるので、特に冷却が必要な高温状態の場合に、水温降下手段を作動させ、冷却能力を強く維持することができ、冷却作用をより効率よく発揮させることが可能となる。
This configuration has a first water tank (water tank 531) and a second water tank (cold water tank 532), and has a recovery path for supplying recovered water and a supply path for supplying water to the injection nozzle 55. The first and second water tanks are connected to the recovery path and the supply path via switching valves, respectively, and each has a sensor for detecting the water temperature of each tank, and the tank having the lower water temperature. Thus, a circulation path composed of injection and recovery is configured, and the tank on the side not forming the circulation path is characterized in that water is cooled by cooling means such as fins.
This specification discloses the following matters.
(1) A plurality of fuel cells including a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode, an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode And a fuel cell stack having a fuel cell separator interposed between each of the plurality of fuel cells,
Oxygen supply means for supplying oxygen to each oxygen chamber of the fuel cell stack;
Injection inflow means for injecting water into oxygen supplied to the fuel cell stack;
Water supply means for supplying water to be injected into the injection inflow means;
A fuel cell system comprising water temperature lowering means for lowering the temperature of water supplied to the injection inflow means.
(2) The water supply means includes water recovery means for recovering water supplied to the fuel cell stack by the injection inflow means,
Water storage means for storing the water recovered by the water recovery means;
The fuel cell system according to (1), further comprising water supply means for supplying water from the water storage means to the injection inflow means.
(3) The fuel cell system according to (2), wherein the water temperature lowering unit is a cooling unit that cools the water collected by the water collecting unit.
(4) The oxygen supply means includes an introduction path for introducing outside air into the fuel cell stack,
The fuel cell system according to (3), wherein the cooling unit includes a radiator that is provided in the introduction path and cools water by an external airflow passing through the introduction path.
(5) The water temperature lowering means includes low temperature water supply means for supplying water having a temperature lower than the water temperature of the water supplied by the water supply means to the injection inflow means,
The fuel cell system according to (1) or (2), wherein the low-temperature water supply unit is provided independently of the water supply unit.
(6) The water temperature lowering means includes the selecting means (1) to (5) including selection means for selecting an operation state that exhibits an action of lowering the water temperature of water and a non-operation state in which the action of lowering the water temperature is stopped. The fuel cell system according to any one of 1).
(7) temperature detecting means for directly or indirectly detecting the temperature of the fuel cell stack;
The fuel cell system according to (6), further including a water temperature adjusting unit that controls the selection unit to select an operating state according to the temperature of the fuel cell stack detected by the temperature detection unit.
According to the configuration of (1) above, the temperature of the water supplied by the injection inflow means can be lowered by the water temperature lowering means before the injection inflow, so that the cooling capacity of the fuel cell separator can be enhanced. .
According to the configuration of (2) above, in the configuration in which the water supplied to the fuel cell stack is recovered and used repeatedly, the recovered water is warmed by the fuel cell stack, so that it is sufficiently cooled. The effect may not be obtained, and the water temperature can be lowered before the injection by the water temperature lowering means, so that the cooling effect can be maintained and enhanced.
According to the configuration of (3) above, the water temperature lowering means is a cooling means for cooling the water, so that the recovered water can be circulated as it is and there is no need for additional supply of water. Can be simplified.
According to the configuration of the above (4), since the cooling means is a radiator that cools the water by the introduced outside air, an energy source for cooling is not required. Increase in energy consumption can be suppressed.
According to the configuration of (5) above, since the low-temperature water supply means for supplying low-temperature water in advance is provided independently from the water supply means, the configuration for cooling the water supplied to the jet water becomes unnecessary. Energy consumption for can be suppressed.
According to the configuration of (6) above, the water temperature lowering means can be switched between the operating state and the non-operating state by the selecting means, so that the water temperature can be lowered only when necessary, and the cooling effect is efficiently exhibited. It becomes possible to make it. According to the seventh aspect of the invention, since the water temperature lowering means can be operated according to the temperature of the fuel cell stack, the water temperature lowering means is operated to cool the water cell particularly in a high temperature state that requires cooling. The ability can be strongly maintained, and the cooling effect can be exhibited more efficiently.

この発明の燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system of this invention. 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。It is a whole front view which shows the separator for fuel cells. 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。It is a fragmentary sectional top view (AA sectional view) of the fuel cell stack comprised with the fuel cell separator. 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）である。It is a partial section side view (BB sectional view) of a fuel cell stack constituted with a fuel cell separator. 燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。It is a partial cross section side view (CC sectional view) of a fuel cell separator. 燃料電池用セパレータの全体背面図である。1 is an overall rear view of a fuel cell separator. 単位セルの断面図である。It is sectional drawing of a unit cell. 燃料電池スタックの部分平面図である。It is a partial top view of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの制御系の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control system of a fuel cell stack. 燃料電池システムの燃料電池搭載車両への搭載状態を示す側面透視図である。FIG. 3 is a side perspective view showing a state where the fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle. 燃料電池システムの斜視図である。It is a perspective view of a fuel cell system. 燃料電池システムの制御内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control content of a fuel cell system. 他の制御内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the other control content. 低温水で冷却した場合の発電効率を示す、電流密度−電圧曲線図である。It is a current density-voltage curve figure which shows the power generation efficiency at the time of cooling with low temperature water. 水供給系５０の他の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other structure of the water supply system. 他の実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system in other embodiment. 他の実施形態における燃料電池システムの斜視図である。It is a perspective view of the fuel cell system in other embodiments.

Explanation of symbols

１燃料電池システム
１００燃料電池スタック
１５単位セル
１３燃料電池セパレータ
５３１水タンク
５３２冷水タンク
５４空気マニホールド
５４１排気マニホールド
５５噴射ノズル
５６供給路
６１供給ポンプ
６３ラジエタ
２００制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 100 Fuel cell stack 15 Unit cell 13 Fuel cell separator 531 Water tank 532 Cold water tank 54 Air manifold 541 Exhaust manifold 55 Injection nozzle 56 Supply path 61 Supply pump 63 Radiator 200 Control device

Claims

A plurality of fuel cells comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode; A fuel cell stack having a fuel cell separator interposed between each of the plurality of fuel cells; and
Oxygen supply means for supplying oxygen to each oxygen chamber of the fuel cell stack;
Injection inflow means for injecting water into oxygen supplied to the fuel cell stack;
Water supply means for supplying water to be injected into the injection inflow means;
Water temperature lowering means for lowering the temperature of water supplied to the jet inflow means,
The water temperature lowering means is a selection means for selecting an operating state that exerts an action of lowering the water temperature of water and a non-operating state that stops the action of lowering the water temperature;
A current sensor for detecting an output current of the fuel cell stack;
When the current density is calculated from the current value of the fuel cell stack detected by the current sensor, and when the current density is equal to or higher than a predetermined value, the water temperature lowering means is activated, and the current density is lower than the predetermined value fuel cell system with a water temperature adjusting means for the selecting means so that the coolant temperature drop means a non-operating state is controlled so as to select the.