JP4790964B2

JP4790964B2 - Fuel cell with dehumidifying device

Info

Publication number: JP4790964B2
Application number: JP2002372689A
Authority: JP
Inventors: 健牛尾; 義典割石
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: JP2004206951A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給される燃料ガスの除加湿を行う燃料ガス除加湿装置を備えた除加湿装置付き燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
この燃料電池では、アノード電極で燃料ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソード電極に移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。このように、燃料電池での発電には水の生成を伴うので、燃料電池から排出される酸化剤ガス（すなわち、酸化剤オフガス）には水分が含まれている。また、燃料電池から排出される燃料ガス（すなわち、燃料オフガス）にも生成水が固体高分子電解質膜を透過してくることにより水分が含まれている。
また、この種の燃料電池では、一般に、発電に供された後に燃料電池から排出される燃料ガス、すなわち燃料オフガスには未反応の燃料ガスが含まれているので、燃費向上のため、燃料オフガスをリサイクルさせ新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給している。
【０００４】
ところで、この燃料電池にあっては、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、発電出力が低下するため、良好な発電性能を保つために固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。
一方、固体高分子電解質膜への水分供給が過多になると、燃料電池内部のガス流路内で水蒸気が凝縮して該ガス流路を閉塞（フラッディング）し、ガス供給を阻害して発電が不安定になり、発電出力（セル電圧）が低下する場合があるため、この場合には燃料ガスや酸化剤ガスの除湿を行う必要がある。
【０００５】
このため、この種の燃料電池では、燃料電池に供給する燃料ガスや酸化剤ガスの除加湿を行う除加湿装置を備えたものがある。例えば、特許文献１には、燃料電池の上面に除加湿装置を設け、この除加湿装置を燃料電池本体部分と一体化して、小型化、軽量化する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第６１０６９６４号明細書（第３図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術においては、前記除加湿装置を燃料電池の上面に設けているため、発電に供されたオフガスを除加湿用ガスとして前記除加湿装置に供給する場合に、重力に逆らって除加湿用ガスを上側に移動させることになるため、燃料電池の出口側から除加湿装置の供給口間の流路に除加湿用ガス中の水分が滞留し、流路を閉塞する虞があるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料ガスおよび酸化剤ガスの除加湿を効率的に行うことができる除加湿装置付き燃料電池を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されることにより発電を行う複数のセル（例えば、実施の形態における燃料電池セル８）からなるスタックと、前記セルを通過した燃料オフガス（例えば、実施の形態における燃料オフガス１４）の一部を循環させ、前記燃料オフガスを前記燃料ガスと合流させることによって前記燃料ガスとして利用する循環路（例えば、実施の形態における燃料オフガス循環流路２０）と、前記燃料オフガスと除加湿用ガス（例えば、実施の形態における酸化剤ガス１３ｂ、１３ｃ）とをガスの透過を阻止し水蒸気の透過を許容する水透過膜を介して流通させ、前記水透過膜を介して前記除加湿用ガスと前記燃料オフガスとの間で水分を移動させて、前記循環路で未反応の前記燃料ガスを含む前記燃料オフガスの加湿または除湿を行う燃料ガス除加湿装置（例えば、実施の形態における燃料ガス除加湿装置２１）と、前記セルを通過した酸化剤オフガスにより前記酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置（例えば、実施の形態における酸化剤ガス加湿装置３）と、を備え、前記スタックと前記燃料ガス除加湿装置とは隣接して配置され、前記燃料ガス除加湿装置および前記酸化剤ガス加湿装置は前記スタックの下側で前記スタックとユニット化されるよう配置され、前記燃料ガス除加湿装置に供給される前記除加湿用ガスは、前記酸化剤ガス加湿装置を迂回した前記酸化剤ガスが、前記セルを通過した酸化剤オフガスを用いて加湿されたものであり、前記燃料ガス除加湿装置から排出された前記除加湿用ガスは、前記酸化剤ガス加湿装置で加湿された前記酸化剤ガスとともに前記セルに供給されることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記燃料ガス除加湿装置を前記セルより下側に配置した状態でユニット化されているため、前記セルから排出されるオフガス（燃料オフガス、酸化剤オフガス）を燃料ガスの除加湿用ガスとして使用する場合であっても、該除加湿用ガスを重力に逆らわずに前記セルから燃料ガス除加湿装置に供給することができる。このため、前記除加湿用ガスは、その中の水分が保持された状態で燃料ガス除加湿装置に供給され、燃料ガスの除加湿を効率的に行うことが可能となるとともに、燃料電池から除加湿装置までの間に水分が滞留するのを防止することができる。
【００１１】
また、前記セルから排出されるオフガス（燃料オフガス、酸化剤オフガス）を酸化剤ガスの加湿用ガスとして使用する場合であっても、前記燃料ガス除加湿装置に供給する場合と同様に、その中の水分が保持された状態で酸化剤ガス加湿装置に供給されるため、酸化剤ガスの加湿を効率的に行うことが可能となるとともに、燃料電池から除加湿装置までの間に水分が滞留するのを防止することができる。
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載のものであって、前記酸化剤ガス加湿装置を迂回した前記酸化剤ガスを、前記セルを通過した酸化剤オフガスを用いて加湿して前記除加湿用ガスとする除加湿用ガス加湿装置（例えば、実施の形態における除加湿用ガス加湿装置９）を備え、前記除加湿用ガス加湿装置を通過した後、前記燃料ガス除加湿装置に供給される前記除加湿用ガスの流量を制御する第１流量制御弁（例えば、実施の形態における流量制御弁２５）と、前記酸化剤ガス加湿装置、および前記除加湿用ガス加湿装置を迂回した後、前記除加湿用ガスとともに前記燃料ガス除加湿装置に供給される前記酸化剤ガスの流量を制御する第２流量制御弁（例えば、実施の形態における流量制御弁２６）と、を備え、前記燃料ガス除加湿装置へ供給される前記除加湿用ガスの湿度を、前記第１流量制御弁と前記第２流量制御弁とを制御して調整し、前記除加湿用ガス加湿装置は前記スタックの下側で前記スタックとユニット化されるよう配置されていことを特徴とする。
また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記循環路から分岐され、前記燃料ガス除加湿装置を通過する前記燃料オフガスの流量を制御する第１ポンプ（例えば、実施の形態におけるポンプ１６）を備えた第１循環路（例えば、実施の形態における流路２０ａ）と、前記循環路から分岐され、前記燃料ガス除加湿装置を通過しない前記燃料オフガスの流量を制御する第２ポンプ（例えば、実施の形態におけるポンプ２２）を備えた第２循環路（例えば、実施の形態における流路２２ｂ）と、を有することを特徴とする。
また、請求項４係る発明は、請求項１記載のものであって、前記セルを通過した後、前記除加湿用ガスとともに前記燃料ガス除加湿装置に供給される前記酸化剤オフガスの流量を制御する第３流量制御弁（例えば、実施の形態における流量制御弁２９）と、前記酸化剤ガス加湿装置を迂回した後、前記除加湿用ガスとして前記燃料ガス除加湿装置に供給される前記酸化剤ガスの流量を制御する第４流量制御弁（例えば、実施の形態における流量制御弁２６）と、を備え、前記燃料ガス除加湿装置へ供給される前記除加湿用ガスの湿度を、前記第３流量制御弁と前記第４流量制御弁とを制御して調整し、前記燃料ガス除加湿装置から排出された前記除加湿用ガスは、前記セルに供給される替わりに排出されることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、第１の実施の形態における除加湿装置付き燃料電池の概略構成図である。燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセル８を複数積層して構成されたスタックからなり、その両端には電極プレート（図示せず）が設けられている。このスタックの下側には、燃料ガス除加湿装置２１、除加湿用ガス（本実施の形態においては酸化剤ガス）加湿装置９、酸化剤ガス加湿装置３が積層配置され、これらとスタックとが一対のエンドプレート２７ａ、２７ｂで挟持され、スタッドボルト２８で締結している。これにより、各燃料電池セル８と、燃料ガス除加湿装置２１と、除加湿用ガス加湿装置９と、酸化剤ガス加湿装置３とは、積層配置された状態でユニット化されている。
【００１３】
以下、各燃料電池セル８に給排される酸化剤ガス（空気）の流路について説明する。酸化剤ガス流路３１の上流側にはエアクリーナ５、コンプレッサ２が設けられ、大気からエアクリーナ５を介して取り入れられた酸化剤ガスがコンプレッサ２により加圧される。前記酸化剤ガス流路３１は、コンプレッサ２の下流側で酸化剤ガス流路３１ａ〜３１ｃに分岐する。酸化剤ガス流路３１ａ、３１ｂ、３１ｃには、酸化剤ガス加湿装置（膜加湿器）３、除加湿用ガス加湿装置９、燃料ガス除加湿装置２１がそれぞれ設けられている。前記酸化剤ガス流路３１ａを通る酸化剤ガスは酸化剤ガス加湿装置３の加湿側に供給されて加湿された状態で燃料電池１のカソード電極に供給される。
【００１４】
また、酸化剤ガス流路３１ｂを通る酸化剤ガスは除加湿用ガス加湿装置９の加湿側に供給されて加湿され、流量制御弁２５を介して酸化剤ガス流路３１ｃに合流し、前記燃料ガス除加湿装置２１の加湿媒体側に供給される。また、前記酸化剤ガス流路３１ｃは前記除加湿用ガス加湿装置９を迂回するように設けられ、酸化剤ガス流路３１ｃを通る酸化剤ガスは加湿されずに前記燃料ガス除加湿装置２１の加湿媒体側に供給される。前記酸化剤ガス流路３１ｂとの合流部の手前には、流量制御弁２６が設けられている。前記流量制御弁２５、２６を制御することにより、流路３１ｂ、３１ｃを通る酸化剤ガスの流量を制御することができ、燃料ガス除加湿装置２１に供給される酸化剤ガスの湿度を調整することができる。
【００１５】
また、燃料ガス除加湿装置２１に除加湿用ガスとして供給された酸化剤ガスは、前記酸化剤ガス加湿装置３の下流側で、酸化剤ガス流路３１ａの酸化剤ガスと合流して、燃料電池１のカソード電極に供給される。
【００１６】
燃料電池１に供給された酸化剤ガスは発電に供された後、燃料電池１からカソード電極側の生成水と共に酸化剤オフガスとして酸化剤オフガス流路３２（３２ａ、３２ｂ）に排出される。酸化剤オフガス流路３２ａの酸化剤ガスは酸化剤ガス加湿装置３の加湿媒体側に、酸化剤オフガス流路３２ｂの酸化剤オフガスは除加湿用ガス加湿装置９の加湿媒体側にそれぞれ供給された後、外部に排出される。
【００１７】
次に、各燃料電池セル８に給排される燃料ガス（水素ガス）の流路について説明する。燃料ガス供給流路１０の上流には、水素が充填された燃料タンク６が設けられ、該燃料タンク６から燃料ガスが供給される。そして、燃料タンク６の下流にはレギュレータ７が設けられ、前記燃料ガスはレギュレータ７で所定圧力に減圧された後、燃料電池１のアノード電極に供給される。
【００１８】
燃料電池１のアノード電極出口側には、燃料オフガス循環流路２０が接続されている。前記循環流路２０には、アノード電極側の生成水と共に未反応の燃料ガスが、燃料オフガスとして排出される。燃料オフガス循環流路２０は、燃料オフガスをエゼクタ１１を介して燃料ガス供給流路１０に合流させる流路であり、燃料オフガス循環流路２０には燃料ガス除加湿装置２１と燃料ガスポンプ２２が設けられている。
【００１９】
燃料ガス除加湿装置２１は、ガスの透過を阻止し水蒸気の透過だけを許可する非多孔質な透過膜（イオン水和型透過膜あるいは溶解拡散型透過膜など）２１ｃを挟んで第１流路２１ａと第２流路２１ｂを備えており、透過膜２１ｃは透過膜２１ｃの両面に接する流体間で水分量の多い流体から水分量の少ない流体に水分を移動させる性質を有している。透過膜２１ｃの素材としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを例示することができる。
なお、燃料ガス除加湿装置２１の透過膜２１ｃはガスの透過を阻止するので、第１流路２１ａの水素オフガス中の水素ガスが第２流路２１ｂに透過することはなく、また、第２流路２１ｂの酸化剤ガス中の酸素が第１流路２１ａに透過することもない。これは、酸化剤ガス加湿装置３、除加湿用ガス加湿装置９においても同様である。
【００２０】
燃料オフガス循環流路２０は燃料ガス除加湿装置２１の第１流路２１ａに接続されており、その内部流体である燃料オフガスは第１流路２１ａを流通した後、燃料ガスポンプ２２で加圧されてエゼクタ１１に導入され、燃料タンク６から供給される新鮮な燃料ガスと合流して、再び燃料電池１のアノード電極に供給される。
【００２１】
上記のように構成した除加湿装置付き燃料電池１の作用を図２を用いて説明する。図２は、前記除加湿装置付き燃料電池における燃料ガス、酸化剤ガスの流路を示す説明図である。同図に示したように、燃料電池セル８、燃料ガス除加湿装置２１、除加湿用ガス加湿装置９、酸化剤ガス加湿装置３は、積層方向から見て略同一形状に形成され、積層方向から見て略同一位置に連通孔が形成されている。なお、説明を簡単にするため、図２においては、流量制御弁２５、２６や、エンドプレート２７ａを省略している。
【００２２】
まず、燃料ガス１２は、エンドプレート２７ｂの連通孔２７Ａから、酸化剤ガス加湿装置３、除加湿用ガス加湿装置９、燃料ガス除加湿装置２１、燃料電池セル８のそれぞれの連通孔３Ａ、９Ａ、２１Ａ、８Ａを介して、燃料電池セル８のアノード電極に供給され、発電に供される。また、燃料電池セル８のカソード電極にも、後述するように、酸化剤ガス１３が供給される。
【００２３】
このように、各燃料電池セル８のアノード電極に燃料ガス（水素ガス）１２が供給され、カソード電極に酸化剤ガス（酸素を含む空気）１３が供給されると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動して、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード電極側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード電極側に逆拡散するため、アノード電極側にも生成水が存在する。従って、燃料オフガス１４は生成水を含むため、湿度が上昇する。
【００２４】
発電に供された燃料オフガス１４は、燃料電池セル８の連通孔８Ｆから燃料ガス除加湿装置２１の連通孔２１Ｆに向かうが、該連通孔２１Ｆはスペーサにより仕切られているため、燃料オフガスは透過膜２１ｃ表面に沿って第１流路２１ａを通過する。このとき、透過膜２１ｃ裏面に沿って第２流路２１ｂを通過する除加湿用ガス（酸化剤ガス１３ｂ、１３ｃ）により、燃料オフガス１４の湿度が調整される。これについては詳細を後述する。
【００２５】
そして、前記燃料オフガス１４は、燃料ガス除加湿装置２１の連通孔２１Ｂから、除加湿用ガス加湿装置９、酸化剤ガス加湿装置３、エンドプレート２７ｂのそれぞれの連通孔９Ｂ、３Ｂ、２７Ｂを介して燃料電池１外部に排出される。
このようにして除加湿された燃料オフガス１４が燃料オフガス循環流路２０を通って燃料ガス供給流路１０に合流するので、燃料電池１のアノード電極に供給される燃料ガスの湿度を適度に調整することができる。
【００２６】
一方、酸化剤ガス１３は、エンドプレート２７ｂの連通孔２７Ｆから酸化剤ガス加湿装置３の連通孔３Ｆに向かい、この連通孔３Ｆで、酸化剤ガス加湿装置３を通過する酸化剤ガス１３ａと、通過しない酸化剤ガス１３ｂとに分かれる。前記酸化剤ガス１３ａは、酸化剤ガス加湿装置３の加湿側（この場合は裏側）に供給され、加湿された状態で、連通孔３Ｄから、除加湿用ガス加湿装置９、燃料ガス除加湿装置２１の連通孔９Ｄ、２１Ｄを通過して、燃料電池セル８の連通孔８Ｄに向かう。
【００２７】
また、酸化剤ガス１３ｂは、連通孔９Ｆで、除加湿用ガス加湿装置９を通過する酸化剤ガス１３ｂと、通過しない酸化剤ガス１３ｃとに分かれる。前記酸化剤ガス１３ｂは、除加湿用ガス加湿装置９の加湿側（この場合は表側）に供給されて加湿され、この状態で連通孔９Ｅから燃料ガス除加湿装置２１の連通孔２１Ｅに向かう。これらの連通孔９Ｅ、２１Ｅにはスペーサが設けられ、上下が仕切られている。
【００２８】
そして、前記酸化剤ガス１３ｃは、前記連通孔９Ｆから燃料ガス除加湿装置２１の連通孔２１Ｆに向かい、スペーサで仕切られた連通孔２１Ｆから連通孔２１Ｅで前記酸化剤ガス１３ｂと合流する。これらの酸化剤ガス１３ｂ、１３ｃは、燃料オフガス１４の除加湿用ガスとして、燃料ガス除加湿装置２１の除加湿媒体側（この場合は裏面）に供給される。このように、加湿された酸化剤ガス１３ｂと加湿されていない酸化剤ガス１３ｃとを合流させて、除加湿用ガスとしているため、燃料オフガス１４を過度に加湿することを防止でき、ある程度生成水を含んだ燃料オフガス１４を適度に除湿または加湿することができる。従って、燃料電池セル８の固体高分子電解質膜を適度に湿潤に保持するとともに、発電時に発生する生成水を適度に除湿して、効率的に発電を行うことが可能となる。なお、上述した流量制御弁２５、２６（図１参照）を制御することで、除加湿用ガス１３ｂ、１３ｃの湿度をより細やかに調整することが可能となる。
【００２９】
そして、前記酸化剤ガス１３ｂ、１３ｃは、連通孔２１Ｄで前記酸化剤ガス１３ａと合流して、連通孔８Ｄから燃料電池セル８のカソード電極に供給され、発電に供される。このとき、上述したように発電に伴って生成水が発生するため、酸化剤オフガス１５の湿度は前記生成水により高められている。
前記酸化剤オフガス１５は、燃料電池セル８の連通孔８Ｃから除加湿装置２１の連通孔２１Ｃを介して、除加湿用ガス加湿装置９の連通孔９Ｃに向かい、この連通孔９Ｃで除加湿用ガス加湿装置９を通過する酸化剤オフガス１５ｂと、通過しない酸化剤オフガス１５ａとに分かれる。前記酸化剤オフガス１５ｂは、除加湿用ガス加湿装置９の加湿媒体側（この場合は表側）に供給され、前記酸化剤ガス１３ｂを加湿して、連通孔９Ｅに向かう。この連通孔９Ｅは前記スペーサにより上下が仕切られているため、酸化剤オフガス１５ｂは、連通孔９Ｅから酸化剤ガス加湿装置３の連通孔３Ｅに向かう。
【００３０】
また、酸化剤オフガス１５ａは、酸化剤ガス加湿装置３の連通孔３Ｃに向かう。連通孔３Ｃは前記スペーサにより上下が仕切られているため、前記酸化剤オフガス１５ａは、酸化剤ガス加湿装置３の加湿媒体側（表側）を通過して、酸化剤ガス１３ａを加湿しつつ、連通孔３Ｅに向かう。そして、連通孔３Ｅで前記酸化剤オフガス１５ｂと合流し、エンドプレート２７ｂの連通孔２７Ｅから外部に排出される。
【００３１】
このようにして燃料電池１のアノード電極に供給される水素ガスの湿度が適切に調整されるので、燃料電池１のアノード電極で水分が過多になったり過少になるのを防止することができる。したがって、燃料電池１の発電性能の低下を防止することができる。
しかも、燃料ガスを放出することなくアノード電極に供給される燃料ガスの湿度調整ができるので、燃料タンク６から供給された燃料ガスの総てを燃料電池１の発電に利用することができ、燃料電池システム全体としての燃費が向上する。
【００３２】
さらに、各燃料電池セル８に対して燃料ガス除加湿装置２１、及び酸化剤ガス加湿装置３が下側に配置された状態で、ユニット化されていることにより、燃料電池セル８内部の生成水が重力に逆らうことなく速やかに燃料電池セル８から排出されるので、燃料電池８内で生成水が流路を閉塞する事態を防止することができ、発電効率を高めることができる。
また、酸化剤ガス加湿装置３と、燃料ガス除加湿装置２１とをそれぞれ備えることにより、それぞれのガスに応じて適した湿度に調整することが可能となる。
【００３３】
なお、燃料ガス除加湿装置２１は、燃料オフガス循環流路２０に配置する以外にも、上記合流後の燃料ガス供給流路１０に配置してもよい。この場合、燃料ガス除加湿装置２１の第１流路２１ａに合流後の燃料ガス供給流路１０が接続され、水素オフガスと新鮮な水素ガスとが合流した後のガス（これが内部流体である）が第１流路２１ａを流通した後、燃料電池１のアノード電極に供給される。さらに、燃料ガス除加湿装置２１を燃料オフガス循環流路２０と合流後の燃料ガス供給流路１０との両方に配置してもよく、いずれの配置であっても燃料電池１に供給される水素ガスの湿度調整が行われる。
【００３４】
また、燃料電池１の発電性能はアノードの水分過多以外の要因で低下することも考えられる。例えば、水素オフガスの循環利用は水素以外の不純物（例えば、窒素）の濃度上昇を生じさせることがあり、この不純物濃度の上昇が燃料電池１の発電性能を低下させることが考えられる。
そこで、図１において破線で示すように、湿度調整装置２１と燃料ガスポンプ２２を接続する燃料オフガス循環流路２０にパージ弁（パージ用バルブ）２３を設けておき、燃料電池１の発電性能が低下したときに、アノード入口における水素ガスの湿度調整を行っても発電性能が回復しない場合に、パージ弁２３を開放することにより発電性能を回復することができるようにすることも可能である。このようにパージ弁２３を設けた場合であっても、従来よりは水素の放出を極めて少なくすることができる。なお、パージ弁２３から排出される水素オフガスは水素処理器２４によって希釈して排気する。
【００３５】
また、図３は本発明の第２の実施の形態に係る除加湿装置付き燃料電池を示す概略構成図である。同図に示したように、この場合においては、燃料オフガスの循環流路２０のうち、除加湿装置２１を通過しない流路２０ｂを前記ポンプ２２に接続するとともに、除加湿装置２１を通過する流路２０ａをポンプ１６を介して燃料ガス供給流路１０に接続している点が、第１の実施の形態と異なっている。こうした構成にすることにより、排出ガス全量を湿度調整装置に流す場合に対して圧力損失が少なくて済むため、全体のガス循環性をより向上出来、除加湿装置自体も小型化できるようになる。
【００３６】
さらに、図４は本発明の第３の実施の形態に係る除加湿装置付き燃料電池を示す概略構成図である。同図に示したように、前記燃料ガス除加湿装置２１に隣接する（この場合は最下層の）燃料電池セル８に接続されて流量制御弁２９が設けられた酸化剤オフガス流路３３と、前記酸化剤ガス流路３１ｃとが合流され、この合流流路３４が燃料ガス除加湿装置２１の加湿媒体側に接続される。そして、除加湿装置２１下流側の合流流路３４は、前記酸化剤オフガス流路３２に合流している点が第１の実施の形態と異なっている。
【００３７】
このような構成にする事により、酸化剤流路３１ｃから供給される酸化剤ガスと、酸化剤オフガス流路３３から供給される湿度の高い酸化剤オフガスとが、流量制御弁２９、２６により流量及び湿度が調整された状態で合流し、合流流路３４から燃料ガス除加湿装置２１の加湿側に供給される。そして、燃料ガス除加湿装置２１通過後は酸化剤ガス加湿装置３から排出される酸化剤オフガスと合流して排出される。したがって、燃料ガスの除加湿用に使用した酸化剤ガスを燃料電池セル８、あるいは酸化剤ガス加湿装置３を経ずに排出する損失分はあるものの、装置全体から除加湿用酸化剤ガス加湿装置９を省いた構成とすることができるため、装置全体を小型化することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、燃料ガスの除加湿を効率的に行うことが可能となる。
また、請求項２に係る発明によれば、さらに、酸化剤ガスの除加湿を効率的に行うことが可能となる。
さらにこれら発明による一体化によって、各装置間の流体からの外部放熱を減らしたり圧力損失を低減することとなり、除加湿や加湿用の膜面積を減らして装置の小型軽量化を促進できる。加えて、酸化剤ガス用コンプレッサや燃料ガスポンプのエネルギ消費を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る除加湿装置付き燃料電池を示す概略構成図である。
【図２】前記除加湿装置付き燃料電池における燃料ガス、酸化剤ガスの流路を示す説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る除加湿装置付き燃料電池を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る除加湿装置付き燃料電池を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１除加湿装置付き燃料電池
３酸化剤ガス加湿装置
８燃料電池セル
２１燃料ガス除加湿装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell with a dehumidifying / humidifying device provided with a fuel gas dehumidifying / humidifying device for dehumidifying and humidifying fuel gas supplied to the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like includes an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode, and an oxidant gas (for example, oxygen or oxygen) is supplied to the cathode. There is a type in which chemical energy related to the oxidation-reduction reaction of these gases is directly extracted as electric energy.
[0003]
In this fuel cell, the fuel gas is ionized at the anode electrode and moves through the solid polymer electrolyte, and the electrons move through the external load to the cathode electrode, where they react with oxygen to produce water. Electrical energy from the reaction can be taken out. As described above, since power generation in the fuel cell involves generation of water, the oxidant gas (that is, oxidant off-gas) discharged from the fuel cell contains moisture. In addition, the fuel gas discharged from the fuel cell (that is, the fuel off gas) also contains moisture due to the generated water permeating through the solid polymer electrolyte membrane.
In this type of fuel cell, in general, the fuel gas discharged from the fuel cell after being used for power generation, that is, the fuel off gas contains unreacted fuel gas. Is recycled, mixed with fresh fuel gas, and supplied to the fuel cell again.
[0004]
By the way, in this fuel cell, when the solid polymer electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity is lowered and the power generation output is lowered. Therefore, in order to maintain good power generation performance, the solid polymer electrolyte membrane is used. It is necessary to supply moisture.
On the other hand, if the water supply to the solid polymer electrolyte membrane becomes excessive, water vapor condenses in the gas flow path inside the fuel cell, and the gas flow path is blocked (flooding), hindering the gas supply and preventing power generation. In this case, it is necessary to dehumidify the fuel gas and the oxidant gas because the power generation output (cell voltage) may be reduced.
[0005]
For this reason, some fuel cells of this type include a dehumidifying / humidifying device that dehumidifies and humidifies the fuel gas and oxidant gas supplied to the fuel cell. For example, Patent Document 1 discloses a technique in which a dehumidifying / humidifying device is provided on the upper surface of a fuel cell and the dehumidifying / humidifying device is integrated with a fuel cell main body portion to reduce the size and weight.
[0006]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,106,964 (FIG. 3)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the prior art, since the dehumidifying / humidifying device is provided on the upper surface of the fuel cell, when the off-gas supplied for power generation is supplied to the dehumidifying / humidifying device as the dehumidifying / humidifying device, the dehumidifying / humidifying device is removed against gravity. Since the humidifying gas is moved upward, moisture in the dehumidifying / humidifying gas may stay in the flow path between the outlet of the fuel cell and the supply port of the dehumidifying device, which may block the flow path. There was a problem.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell with a dehumidifying / humidifying device that can efficiently dehumidify and humidify a fuel gas and an oxidant gas.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 of the present invention made to achieve the above object includes a plurality of cells (for example, the fuel cell 8 in the embodiment) that generate power by being supplied with a fuel gas and an oxidant gas. ) And a part of the fuel off-gas that has passed through the cell (for example, the fuel off-gas 14 in the embodiment) is circulated, and the fuel off-gas is combined with the fuel gas to be used as the fuel gas. The passage of the fuel (eg, the fuel off-gas circulation passage 20 in the embodiment) and the fuel off-gas and the dehumidifying / humidifying gas (eg, the oxidant gas 13b, 13c in the embodiment) are prevented from permeating the water. Through the water permeable membrane that allows the moisture to move between the dehumidifying and humidifying gas and the fuel off gas through the water permeable membrane, Humidifying or dehumidifying fuel gas dehumidification apparatus for performing the fuel off-gas containing the unreacted fuel gas in Ring Road (e.g., fuel gas dehumidification device 21 in the embodiment) and by an oxidant-off gas which has passed through the cell An oxidant gas humidifier (for example, an oxidant gas humidifier 3 in an embodiment) for humidifying the oxidant gas, the stack and the fuel gas dehumidifier / humidifier are disposed adjacent to each other, and the fuel A gas dehumidifying / humidifying device and the oxidant gas humidifying device are arranged to be united with the stack below the stack, and the dehumidifying / humidifying gas supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device is the oxidant gas. before the oxygen-containing gas which bypasses the humidifier is, which has been humidified with the oxidizing agent off-gas which has passed through the cell, which has been discharged from the fuel gas dehumidification device Dehumidification gas is characterized in that together with the oxidant gas humidified by the oxidizing gas humidifier is supplied to the cell.
[0010]
According to the present invention, since the fuel gas dehumidifying / humidifying device is unitized with the cell disposed below the cell, offgas (fuel offgas, oxidant offgas) discharged from the cell is removed from the fuel gas. Even when the gas is used as a humidifying gas, the dehumidifying / humidifying gas can be supplied from the cell to the fuel gas dehumidifying / humidifying device without resisting gravity. For this reason, the dehumidifying / humidifying gas is supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device in a state in which the moisture in the dehumidifying / humidifying gas is retained, and the fuel gas can be efficiently dehumidified / humidified and removed from the fuel cell. It is possible to prevent moisture from staying up to the humidifier.
[0011]
Further, even when off-gas (fuel off-gas, oxidant off-gas) discharged from the cell is used as a humidifying gas for the oxidant gas, as in the case of supplying to the fuel gas dehumidifying / humidifying device, Since the moisture is supplied to the oxidant gas humidifier while the moisture is retained, it is possible to efficiently humidify the oxidant gas and to retain the moisture between the fuel cell and the dehumidifier. Can be prevented.
The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the oxidant gas bypassing the oxidant gas humidifier is humidified using the oxidant off-gas that has passed through the cell, and the oxidant gas is humidified. A dehumidifying / humidifying gas humidifying device (for example, the dehumidifying / humidifying gas humidifying device 9 in the embodiment) as a dehumidifying / humidifying gas is provided and supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device after passing through the dehumidifying / humidifying gas humidifying device. first flow control valve for controlling the flow rate of the dehumidification gas to be (e.g., flow rate control valve 25 in the embodiment) and the oxidant gas humidifying device, and after bypassing the dehumidification gas humidifier A second flow rate control valve (for example, a flow rate control valve 26 in the embodiment) for controlling the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device together with the dehumidifying / humidifying gas , and the fuel Gas dehumidification / humidification And adjusting the humidity of the dehumidifying / humidifying gas supplied to the apparatus by controlling the first flow rate control valve and the second flow rate control valve, and the dehumidifying / humidifying gas humidifying device is located on the lower side of the stack. It is arranged to be unitized with the stack.
The invention according to claim 3, arrangement as claimed in claim 1 or claim 2, is branched from the circulation path, the controlling the flow rate of the fuel off-gas passing through the fuel gas dehumidification device A first circulation path (for example, the flow path 20a in the embodiment) including one pump (for example, the pump 16 in the embodiment), and the fuel branched from the circulation path and not passing through the fuel gas dehumidifying / humidifying device. And a second circulation path (for example, the flow path 22b in the embodiment) provided with a second pump (for example, the pump 22 in the embodiment) for controlling the flow rate of the off gas.
The invention according claim 4 is that of claim 1, wherein, after passing through the cell, the flow rate of the oxidant-off gas together with the dehumidification gas supplied to the fuel gas dehumidification device The third flow control valve to be controlled (for example, the flow control valve 29 in the embodiment) and the oxidant gas humidifier are bypassed and then supplied to the fuel gas dehumidifier as the dehumidifying / humidifying gas. A fourth flow rate control valve (for example, the flow rate control valve 26 in the embodiment) that controls the flow rate of the oxidant gas, and the humidity of the dehumidifying / humidifying gas supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device is The third flow control valve and the fourth flow control valve are controlled and adjusted, and the dehumidifying / humidifying gas discharged from the fuel gas dehumidifying / humidifying device is discharged instead of being supplied to the cell. Features.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell with a dehumidifying / humidifying device in the first embodiment. The fuel cell 1 is composed of a stack formed by laminating a plurality of cells 8 formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane from both sides with an anode electrode and a cathode electrode. Is provided with an electrode plate (not shown). Below the stack, a fuel gas dehumidifying / humidifying device 21, a dehumidifying / humidifying gas (oxidant gas in the present embodiment) humidifying device 9, and an oxidant gas humidifying device 3 are stacked, and these are stacked. It is clamped by a pair of end plates 27 a and 27 b and fastened by stud bolts 28. Thereby, each fuel cell 8, the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21, the dehumidifying / humidifying gas humidifying device 9, and the oxidant gas humidifying device 3 are unitized in a stacked state.
[0013]
Hereinafter, the flow path of the oxidant gas (air) supplied to and discharged from each fuel cell 8 will be described. An air cleaner 5 and a compressor 2 are provided on the upstream side of the oxidant gas flow path 31, and the oxidant gas taken from the atmosphere via the air cleaner 5 is pressurized by the compressor 2. The oxidant gas flow path 31 branches into oxidant gas flow paths 31 a to 31 c on the downstream side of the compressor 2. In the oxidant gas flow paths 31a, 31b, 31c, an oxidant gas humidifier (film humidifier) 3, a dehumidifying / humidifying gas humidifier 9, and a fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 are provided. The oxidant gas passing through the oxidant gas passage 31a is supplied to the humidification side of the oxidant gas humidifier 3 and supplied to the cathode electrode of the fuel cell 1 in a humidified state.
[0014]
Further, the oxidant gas passing through the oxidant gas flow path 31b is supplied to the humidification side of the dehumidifying / humidifying gas humidifier 9 and is humidified, and merges with the oxidant gas flow path 31c via the flow rate control valve 25, and the fuel. It is supplied to the humidifying medium side of the gas dehumidifying / humidifying device 21. Further, the oxidant gas flow path 31c is provided so as to bypass the dehumidifying / humidifying gas humidifying device 9, and the oxidant gas passing through the oxidant gas flow path 31c is not humidified, and the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 Supplied to the humidifying medium side. A flow control valve 26 is provided in front of the junction with the oxidant gas flow path 31b. By controlling the flow rate control valves 25 and 26, the flow rate of the oxidant gas passing through the flow paths 31b and 31c can be controlled, and the humidity of the oxidant gas supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 is adjusted. be able to.
[0015]
Further, the oxidant gas supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 as the dehumidifying / humidifying gas is merged with the oxidant gas in the oxidant gas flow path 31a on the downstream side of the oxidant gas humidifying device 3 to produce fuel. It is supplied to the cathode electrode of the battery 1.
[0016]
The oxidant gas supplied to the fuel cell 1 is used for power generation, and then discharged from the fuel cell 1 together with the generated water on the cathode electrode side to the oxidant offgas flow path 32 (32a, 32b) as an oxidant offgas. The oxidant gas in the oxidant off-gas channel 32a was supplied to the humidifying medium side of the oxidant gas humidifier 3, and the oxidant off-gas in the oxidant off-gas channel 32b was supplied to the humidifier medium side of the dehumidifying / humidifying gas humidifier 9. After that, it is discharged outside.
[0017]
Next, the flow path of the fuel gas (hydrogen gas) supplied to and discharged from each fuel cell 8 will be described. A fuel tank 6 filled with hydrogen is provided upstream of the fuel gas supply flow path 10, and fuel gas is supplied from the fuel tank 6. A regulator 7 is provided downstream of the fuel tank 6, and the fuel gas is decompressed to a predetermined pressure by the regulator 7 and then supplied to the anode electrode of the fuel cell 1.
[0018]
A fuel off-gas circulation passage 20 is connected to the anode electrode outlet side of the fuel cell 1. Unreacted fuel gas is discharged into the circulation flow path 20 as fuel off-gas along with the generated water on the anode electrode side. The fuel off-gas circulation passage 20 is a passage for joining the fuel off-gas to the fuel gas supply passage 10 via the ejector 11. The fuel off-gas circulation passage 20 is provided with a fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 and a fuel gas pump 22. It has been.
[0019]
The fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 has a first flow path sandwiching a non-porous permeable membrane (such as an ion hydrated permeable membrane or a dissolution diffusion permeable membrane) 21c that blocks gas permeation and permits only water vapor permeation. 21a and a second flow path 21b, and the permeable membrane 21c has a property of moving moisture from a fluid having a high water content to a fluid having a low water content between fluids in contact with both surfaces of the permeable membrane 21c. An example of the material of the permeable membrane 21c is a perfluorosulfonic acid polymer.
In addition, since the permeable membrane 21c of the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 blocks gas permeation, the hydrogen gas in the hydrogen off-gas in the first flow path 21a does not permeate the second flow path 21b. Oxygen in the oxidant gas in the flow path 21b does not permeate the first flow path 21a. The same applies to the oxidizing gas humidifier 3 and the dehumidifying / humidifying gas humidifier 9.
[0020]
The fuel off-gas circulation flow path 20 is connected to the first flow path 21a of the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21, and the fuel off-gas which is the internal fluid flows through the first flow path 21a and is pressurized by the fuel gas pump 22. Then, it is introduced into the ejector 11, merged with fresh fuel gas supplied from the fuel tank 6, and supplied again to the anode electrode of the fuel cell 1.
[0021]
The operation of the fuel cell 1 with the dehumidifying / humidifying device configured as described above will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram showing flow paths of fuel gas and oxidant gas in the fuel cell with the dehumidifying / humidifying device. As shown in the figure, the fuel cell 8, the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21, the dehumidifying / humidifying gas humidifying device 9, and the oxidant gas humidifying device 3 are formed in substantially the same shape as viewed from the stacking direction. A communication hole is formed at substantially the same position as viewed from the top. In order to simplify the description, the flow rate control valves 25 and 26 and the end plate 27a are omitted in FIG.
[0022]
First, the fuel gas 12 passes from the communication hole 27A of the end plate 27b to the communication holes 3A, 9A of the oxidant gas humidifier 3, the dehumidifying / humidifying gas humidifier 9, the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21, and the fuel cell 8, respectively. , 21A, 8A to the anode electrode of the fuel cell 8 for power generation. The oxidant gas 13 is also supplied to the cathode electrode of the fuel cell 8 as will be described later.
[0023]
As described above, when the fuel gas (hydrogen gas) 12 is supplied to the anode electrode of each fuel cell 8 and the oxidant gas (air containing oxygen) 13 is supplied to the cathode electrode, the anode electrode generates a catalytic reaction. The hydrogen ions that have passed through the solid polymer electrolyte membrane move to the cathode electrode, cause an electrochemical reaction with oxygen at the cathode electrode, and generate electricity to generate water. Since part of the generated water generated on the cathode electrode side is diffused back to the anode electrode side through the solid polymer electrolyte membrane, the generated water is also present on the anode electrode side. Therefore, since the fuel off gas 14 includes generated water, the humidity increases.
[0024]
The fuel off-gas 14 provided for power generation travels from the communication hole 8F of the fuel cell 8 to the communication hole 21F of the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21, but the communication hole 21F is partitioned by a spacer, so that the fuel off-gas is permeated. It passes through the first flow path 21a along the surface of the membrane 21c. At this time, the humidity of the fuel off-gas 14 is adjusted by the dehumidifying / humidifying gas (oxidant gas 13b, 13c) passing through the second flow path 21b along the back surface of the permeable membrane 21c. Details will be described later.
[0025]
The fuel off-gas 14 passes from the communication hole 21B of the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 through the communication holes 9B, 3B, 27B of the dehumidifying / humidifying gas humidifying device 9, the oxidant gas humidifying device 3, and the end plate 27b. And discharged outside the fuel cell 1.
Since the dehumidified and humidified fuel off-gas 14 joins the fuel gas supply channel 10 through the fuel off-gas circulation channel 20 in this way, the humidity of the fuel gas supplied to the anode electrode of the fuel cell 1 is adjusted appropriately. can do.
[0026]
On the other hand, the oxidant gas 13 is directed from the communication hole 27F of the end plate 27b toward the communication hole 3F of the oxidant gas humidifying device 3, and the oxidant gas 13a passing through the oxidant gas humidifier 3 through the communication hole 3F, It is divided into an oxidant gas 13b that does not pass. The oxidant gas 13a is supplied to the humidification side (in this case, the back side) of the oxidant gas humidifier 3 and in a humidified state, the dehumidifying / humidifying gas humidifier 9 and the fuel gas dehumidifying / humidifying device are connected through the communication hole 3D. 21 passes through the communication holes 9 </ b> D and 21 </ b> D toward the communication hole 8 </ b> D of the fuel cell 8.
[0027]
The oxidant gas 13b is divided into an oxidant gas 13b that passes through the dehumidifying / humidifying gas humidifier 9 and an oxidant gas 13c that does not pass through the communication hole 9F. The oxidant gas 13b is supplied to the humidifying side (in this case, the front side) of the dehumidifying / humidifying gas humidifying device 9 and is humidified, and in this state, the oxidizing gas 13b travels from the communicating hole 9E to the communicating hole 21E of the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21. These communication holes 9E and 21E are provided with spacers, and are partitioned vertically.
[0028]
The oxidant gas 13c flows from the communication hole 9F toward the communication hole 21F of the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21, and merges with the oxidant gas 13b from the communication hole 21F partitioned by the spacer through the communication hole 21E. These oxidant gases 13b and 13c are supplied to the dehumidifying / humidifying medium side (in this case, the back surface) of the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 as dehumidifying / humidifying gases for the fuel off-gas 14. In this way, since the humidified oxidant gas 13b and the unhumidified oxidant gas 13c are combined to form a dehumidifying gas, it is possible to prevent the fuel off-gas 14 from being excessively humidified, and to a certain degree The fuel off-gas 14 containing can be appropriately dehumidified or humidified. Accordingly, the solid polymer electrolyte membrane of the fuel battery cell 8 can be kept moderately wet, and the generated water generated during power generation can be appropriately dehumidified to efficiently generate power. Note that the humidity of the dehumidifying / humidifying gases 13b and 13c can be adjusted more finely by controlling the flow control valves 25 and 26 (see FIG. 1) described above.
[0029]
The oxidant gases 13b and 13c merge with the oxidant gas 13a through the communication hole 21D, and are supplied from the communication hole 8D to the cathode electrode of the fuel cell 8 for power generation. At this time, as described above, generated water is generated along with power generation, so that the humidity of the oxidant offgas 15 is increased by the generated water.
The oxidant off-gas 15 travels from the communication hole 8C of the fuel cell 8 to the communication hole 9C of the dehumidifying / humidifying gas humidifying device 9 through the communicating hole 21C of the dehumidifying / humidifying device 21, and is used for dehumidification / humidification in the communicating hole 9C. It is divided into an oxidant off-gas 15b that passes through the gas humidifier 9 and an oxidant off-gas 15a that does not pass through. The oxidant off-gas 15b is supplied to the humidifying medium side (in this case, the front side) of the dehumidifying / humidifying gas humidifying device 9, humidifies the oxidant gas 13b, and travels toward the communication hole 9E. Since this communication hole 9E is partitioned vertically by the spacer, the oxidant off-gas 15b is directed from the communication hole 9E to the communication hole 3E of the oxidant gas humidifier 3.
[0030]
Further, the oxidant off-gas 15 a goes to the communication hole 3 </ b> C of the oxidant gas humidifier 3. Since the communication hole 3C is partitioned by the spacer, the oxidant off-gas 15a passes through the humidifying medium side (front side) of the oxidant gas humidifier 3 and communicates while humidifying the oxidant gas 13a. Head toward hole 3E. Then, the oxidant off-gas 15b merges with the communication hole 3E and is discharged to the outside through the communication hole 27E of the end plate 27b.
[0031]
In this way, the humidity of the hydrogen gas supplied to the anode electrode of the fuel cell 1 is appropriately adjusted, so that it is possible to prevent the moisture at the anode electrode of the fuel cell 1 from becoming excessive or insufficient. Therefore, it is possible to prevent the power generation performance of the fuel cell 1 from being lowered.
In addition, since the humidity of the fuel gas supplied to the anode electrode can be adjusted without releasing the fuel gas, all of the fuel gas supplied from the fuel tank 6 can be used for power generation of the fuel cell 1, and the fuel The fuel efficiency of the entire battery system is improved.
[0032]
Further, the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 and the oxidant gas humidifying device 3 are unitized in a state in which each fuel cell 8 is disposed on the lower side. Is discharged from the fuel cell 8 promptly without resisting gravity, so that it is possible to prevent the generated water from blocking the flow path in the fuel cell 8 and increase the power generation efficiency.
Further, by providing the oxidant gas humidifying device 3 and the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 respectively, it is possible to adjust the humidity to be suitable for each gas.
[0033]
The fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 may be disposed in the fuel gas supply flow path 10 after the merging, in addition to being disposed in the fuel off-gas circulation flow path 20. In this case, the merged fuel gas supply flow path 10 is connected to the first flow path 21a of the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21, and the gas after the hydrogen off gas and fresh hydrogen gas merge (this is the internal fluid). Is supplied to the anode electrode of the fuel cell 1 after flowing through the first flow path 21a. Furthermore, the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 may be disposed in both the fuel off-gas circulation passage 20 and the fuel gas supply passage 10 after merging, and the hydrogen supplied to the fuel cell 1 in any arrangement. Gas humidity adjustment is performed.
[0034]
In addition, the power generation performance of the fuel cell 1 may be reduced due to factors other than excessive moisture in the anode. For example, the circulation use of hydrogen off-gas may cause an increase in the concentration of impurities other than hydrogen (for example, nitrogen), and this increase in the impurity concentration may decrease the power generation performance of the fuel cell 1.
Therefore, as shown by a broken line in FIG. 1, a purge valve (purge valve) 23 is provided in the fuel off-gas circulation passage 20 connecting the humidity adjusting device 21 and the fuel gas pump 22, and the power generation performance of the fuel cell 1 is reduced. In this case, if the power generation performance does not recover even after adjusting the humidity of the hydrogen gas at the anode inlet, it is possible to restore the power generation performance by opening the purge valve 23. Even in the case where the purge valve 23 is provided in this manner, the release of hydrogen can be extremely reduced as compared with the conventional case. The hydrogen off-gas discharged from the purge valve 23 is diluted by the hydrogen treatment device 24 and exhausted.
[0035]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell with a dehumidifying / humidifying device according to a second embodiment of the present invention. As shown in the figure, in this case, the flow path 20b that does not pass through the dehumidifying / humidifying device 21 is connected to the pump 22 in the circulation path 20 of the fuel off gas, and the flow that passes through the dehumidifying / humidifying device 21. The point which connected the path | route 20a to the fuel gas supply flow path 10 via the pump 16 differs from 1st Embodiment. By respect to those elements, it requires less pressure loss, can further improve the overall gas circulating, dehumidification device itself is to be downsized for the case to be supplied to the humidity adjusting apparatus emissions total amount .
[0036]
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell with a dehumidifying / humidifying device according to a third embodiment of the present invention. As shown in the figure, an oxidant off-gas flow channel 33 provided with a flow control valve 29 connected to the fuel cell 8 adjacent to the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 (in this case, the lowermost layer); The oxidant gas flow path 31c is merged, and the merge flow path 34 is connected to the humidifying medium side of the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21. The confluence channel 34 on the downstream side of the dehumidifying / humidifying device 21 differs from the first embodiment in that it merges with the oxidant off-gas channel 32.
[0037]
With this configuration, the flow rate of the oxidant gas supplied from the oxidant flow path 31c and the high-humidity oxidant offgas supplied from the oxidant offgas flow path 33 is controlled by the flow rate control valves 29 and 26. In the state where the humidity is adjusted, the combined gas is supplied from the merging flow path 34 to the humidifying side of the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21 . Then, after passing through the fuel gas dehumidifying / humidifying device 21, it joins with the oxidant off-gas discharged from the oxidant gas humidifying device 3 and is discharged. Therefore, although there is a loss of discharging the oxidant gas used for dehumidifying and humidifying the fuel gas without passing through the fuel cell 8 or the oxidant gas humidifier 3, the oxidant gas humidifier for dehumidification is removed from the entire apparatus. 9 can be omitted, the entire apparatus can be downsized.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the invention, the fuel gas can be efficiently dehumidified and humidified.
Moreover, according to the invention which concerns on Claim 2, it becomes possible to perform dehumidification / humidification of oxidizing gas efficiently.
Furthermore, the integration according to these inventions reduces external heat radiation from the fluid between the devices and reduces the pressure loss, thereby reducing the area of the membrane for dehumidification and humidification and promoting the reduction in size and weight of the device. In addition, the energy consumption of the oxidant gas compressor and the fuel gas pump can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell with a dehumidifying / humidifying device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing flow paths of fuel gas and oxidant gas in the fuel cell with a dehumidifying / humidifying device.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell with a dehumidifying / humidifying device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell with a dehumidifying / humidifying device according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell with dehumidifying / humidifying device 3 Oxidant gas humidifying device 8 Fuel cell 21 Fuel gas dehumidifying / humidifying device

Claims

A stack comprising a plurality of cells that generate power by being supplied with fuel gas and oxidant gas;
A circulation path that circulates a part of the fuel off-gas that has passed through the cell and uses the fuel off-gas as the fuel gas by joining the fuel off-gas with the fuel gas;
The fuel off-gas and the dehumidifying / humidifying gas are circulated through a water-permeable membrane that prevents gas permeation and allows water vapor to pass between the dehumidifying / humidifying gas and the fuel off-gas via the water-permeable membrane. A fuel gas dehumidifying / humidifying device for moving or dehumidifying the fuel off-gas containing the unreacted fuel gas in the circulation path,
An oxidant gas humidifier that humidifies the oxidant gas with an oxidant off-gas that has passed through the cell ;
The stack and the fuel gas dehumidifying / humidifying device are arranged adjacent to each other, and the fuel gas dehumidifying / humidifying device and the oxidant gas humidifying device are arranged to be unitized with the stack below the stack,
The dehumidifying / humidifying gas supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device is obtained by humidifying the oxidant gas bypassing the oxidant gas humidifying device using an oxidant off-gas that has passed through the cell ,
The fuel cell with a dehumidifying / humidifying device, wherein the dehumidifying / humidifying gas discharged from the fuel gas dehumidifying / humidifying device is supplied to the cell together with the oxidant gas humidified by the oxidant gas humidifying device .

A dehumidifying / humidifying gas humidifier that humidifies the oxidant gas bypassing the oxidant gas humidifier using the oxidant off-gas that has passed through the cell to form the dehumidifying gas;
A first flow rate control valve for controlling a flow rate of the dehumidifying / humidifying gas supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device after passing through the dehumidifying / humidifying gas humidifying device;
A second flow rate control valve that controls the flow rate of the oxidizing gas supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device together with the dehumidifying / humidifying gas after bypassing the oxidizing gas humidifying device and the dehumidifying / humidifying gas humidifying device. And comprising
Adjusting the humidity of the dehumidifying / humidifying gas supplied to the fuel gas dehumidifying device by controlling the first flow rate control valve and the second flow rate control valve;
2. The fuel cell with a dehumidifying / humidifying device according to claim 1, wherein the dehumidifying / humidifying gas humidifying device is arranged to be unitized with the stack below the stack. 3.

A first circulation path that includes a first pump that is branched from the circulation path and that controls a flow rate of the fuel off-gas passing through the fuel gas dehumidifying / humidifying device;
Is branched from the circulation path, the fuel gas dehumidification and second circulation path which includes a second pump for controlling the flow rate of the fuel off-gas does not pass through the device, characterized by having a claim 1 or claim 2 A fuel cell with a dehumidifying / humidifying device described in 1.

A third flow rate control valve for controlling a flow rate of the oxidant off-gas supplied to the fuel gas dehumidifying / humidifying device together with the dehumidifying / humidifying gas after passing through the cell;
A fourth flow rate control valve that controls the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel gas dehumidification / humidification device as the dehumidification / humidification gas after bypassing the oxidant gas humidification device;
Adjusting the humidity of the dehumidifying / humidifying gas supplied to the fuel gas dehumidifying device by controlling the third flow rate control valve and the fourth flow rate control valve;
The fuel cell with a dehumidifying / humidifying device according to claim 1 , wherein the dehumidifying / humidifying gas discharged from the fuel gas dehumidifying / humidifying device is discharged instead of being supplied to the cell.