JP5098833B2

JP5098833B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5098833B2
Application number: JP2008151262A
Authority: JP
Inventors: 進波多野; 晋小林; 宏幸永井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-06-10
Also published as: JP2009301723A

Description

本発明は、燃料電池を用いて発電と熱供給とを行う燃料電池システムにおける燃料電池用ガスの加湿装置に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell gas humidifier in a fuel cell system that uses a fuel cell to generate power and supply heat.

高分子電解質形燃料電池は、水素リッチな燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電力と熱を発生させる装置である。 A polymer electrolyte fuel cell is a device that generates electric power and heat by electrochemically reacting a hydrogen-rich fuel gas and an oxidant gas containing oxygen such as air.

この燃料電池に使用される高分子電解質膜は、電解質（水素イオン）のイオン導伝性を保つために、燃料ガス及び酸化剤ガス（これらを反応ガスという）の少なくとも一方を加湿して供給することが必要である。 The polymer electrolyte membrane used in this fuel cell is supplied by humidifying at least one of a fuel gas and an oxidant gas (these are called reaction gases) in order to maintain the ionic conductivity of the electrolyte (hydrogen ions). It is necessary.

一般的な燃料電池システムでは、スタックから排出される高湿度のオフガスや排冷却水を熱源および水源として、全熱交換型加湿装置により反応ガスの加湿を行っている。 In a general fuel cell system, the reaction gas is humidified by a total heat exchange type humidifier using high-humidity off gas or exhaust cooling water discharged from the stack as a heat source and a water source.

このような加湿装置として、一方の主面に加湿される反応ガスが通流する流路溝が形成され、他方の主面に排冷却水又はオフガスが通流する流路溝が形成されたセパレータと、水蒸気透過膜とを積層し、この積層体を締結した加湿装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。 As such a humidifier, a separator in which a channel groove through which the reaction gas to be humidified flows is formed on one main surface, and a channel groove through which exhaust cooling water or off-gas flows is formed on the other main surface. And a water vapor permeable membrane are laminated, and a humidifying device in which the laminated body is fastened is known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

しかし、この従来技術における加湿装置では、特に寒冷地での使用に際し、停止時の凍結によって内部残留水が膨張し、特に反応ガスが通流する流路溝の間に位置する部分で水蒸気透過膜が一方のセパレータ側に偏り、水蒸気透過膜が破損するという問題があった。 However, in the humidifying device in this prior art, particularly when used in a cold region, the internal residual water expands due to freezing at the time of stoppage, and the water vapor permeable membrane particularly in a portion located between the channel grooves through which the reaction gas flows However, there was a problem that the water vapor permeable membrane was damaged due to the bias toward one separator side.

そこで、水蒸気透過膜の機械的強度が低く、破損し易いことを考慮して、機械的強度が高い水蒸気透過膜を用いる加湿装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。 Therefore, in consideration of the mechanical strength of the water vapor permeable membrane being low and being easily damaged, a humidifier using a water vapor permeable membrane having a high mechanical strength has been proposed (for example, see Patent Document 3).

また、機械的強度が低い水蒸気透過膜の破損を防止することを考慮して、網目状又は多数の透孔を有し、水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を設けることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平９−７６２１号公報特開２００１−２３６６２号公報特開２０００−３４８７４７号公報 In view of preventing damage to the water vapor permeable membrane having low mechanical strength, it has been proposed to provide a membrane guide member having a mesh shape or a large number of through holes and suppressing the deflection of the water vapor permeable membrane. (For example, see Patent Document 3).
Japanese Patent Laid-Open No. 9-7621 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-23362 JP 2000-348747 A

しかしながら、特に寒冷地において経済効果が高い定置用コージェネレーションシステムにおいては、その耐用期間（１０年以上）を考慮して、数百回の凍結融解を想定する必要があるが、従来技術における補強部材を併用した場合においても耐久性が不足する恐れがあった。 However, in a stationary cogeneration system having a high economic effect particularly in a cold region, it is necessary to assume several hundred times of freezing and thawing in consideration of its useful life (10 years or more). Even in the case of using together, there is a fear that the durability is insufficient.

本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、凍結時に水蒸気透過膜の破損を充分に防止することができる燃料電池用ガスの加湿装置を提供することにより、特に寒冷地における信頼性を高めることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in particular, by providing a fuel cell gas humidifier capable of sufficiently preventing damage to the water vapor permeable membrane during freezing with a simple configuration. The purpose is to improve reliability in cold regions.

上記課題を解決するために、本発明に係わる燃料電池用ガスの加湿装置は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器および前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器を備えた加湿装置と、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を前記燃料電池の発電時の熱を吸熱した冷却水で加温して加湿を行い、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池の発電時の熱を吸熱した冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、前記酸化剤ガス加湿器を構成する第１の流路プレートの片面に酸化剤ガス流路を設け、もう片面に供給冷却水経路を設け、複数の前記第１の冷却水プレートの間に水蒸気透過膜を配置し、前記第１の流路プレートの前記供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設けたものである。 In order to solve the above problems, a fuel cell gas humidifier according to the present invention humidifies a fuel cell that generates power using fuel gas and an oxidant gas, and a supply fuel gas supplied to the fuel cell. A humidifier equipped with a fuel gas humidifier and an oxidant gas humidifier that humidifies the supplied oxidant gas supplied to the fuel cell, and the fuel gas humidifier is included in the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell. The oxidant gas humidifier uses the warm water of the cooling water that has absorbed the heat generated during the power generation of the fuel cell. The oxidant gas flow path is provided on one side of the first flow path plate constituting the oxidant gas humidifier, the supply cooling water path is provided on the other side, and a plurality of the first flow path plates are provided. Water vapor permeable membrane between cooling water plates And location, is provided with a first drainage manifold for discharging water in the supply cooling water path below the supply cooling water passage of the flow path plate.

したがって、前記加湿装置は、燃料電池システムの冷却水循環ポンプの小型化と効率化および前記燃料ガス加湿器と前記酸化剤ガス加湿器の接続配管が不要になり、加湿装置が小型化できるとともに接続配管からの放熱を抑制できるので、効率の高い加湿装置、しいては燃料電池システムを提供するために前記燃料ガス加湿器と前記酸化剤ガス加湿器のそれぞれの供給冷却水経路を直列に配管接続した場合、前記第１の流路プレートの前記供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設けたことにより、前記供給冷却水経路内に水を滞留させることがない。 Therefore, the humidifier eliminates the need for downsizing and efficiency of the cooling water circulation pump of the fuel cell system and the connecting pipe between the fuel gas humidifier and the oxidant gas humidifier, and the humidifying apparatus can be downsized and connected piping. In order to provide a high-efficiency humidifier, and thus a fuel cell system, the fuel gas humidifier and the oxidant gas humidifier are connected in series to supply cooling water paths. In this case, water is retained in the supply cooling water path by providing a drain manifold that discharges water in the supply cooling water path below the supply cooling water path of the first flow path plate. There is no.

よって前記供給冷却水経路に接する前記水蒸気透過膜の面を全面に渡って水と接触させることがなくなるので、寒冷地の冬季時などに燃料電池システムの長期停止する時においても、前記水蒸気透過膜が水の凍結時の体積膨張の圧力で破損する度合いを低減させることができる。 Therefore, the surface of the water vapor permeable membrane that is in contact with the supply cooling water path is not brought into contact with water over the entire surface, so that the water vapor permeable membrane can be used even when the fuel cell system is stopped for a long time, such as in a cold region in winter. The degree of damage due to the volume expansion pressure during freezing of water can be reduced.

これにより、本発明の燃料電池用ガスの加湿装置は、効率の高い加湿装置、しいては燃料電池システムを提供するために前記燃料ガス加湿器と前記酸化剤ガス加湿器のそれぞれの供給冷却水経路を直列に配管接続した場合において、前記第１の流路プレートの前記供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設けたことにより、前記供給冷却水経路内に水を滞留させることがない。よって前記供給冷却水経路に接する前記水蒸気透過膜の面を全面に渡って水と接触させることがなくなるので、寒冷地の冬季時などに燃料電池システムの長期停止する時においても、前記水蒸気透過膜が水の凍結時の体積膨張の圧力で破損する度合いを低減させることができる。 As a result, the fuel cell gas humidifier of the present invention provides a highly efficient humidifier, that is, a supply cooling water for each of the fuel gas humidifier and the oxidant gas humidifier in order to provide a fuel cell system. In the case where the paths are connected in series by piping, a drainage manifold that discharges water in the supply cooling water path is provided below the supply cooling water path of the first flow path plate, thereby providing the supply cooling water. There is no retention of water in the path. Therefore, the surface of the water vapor permeable membrane that is in contact with the supply cooling water path is not brought into contact with water over the entire surface. The degree of damage due to the volume expansion pressure during freezing of water can be reduced.

すなわち、水抜き機能を有しながらなお且つシステム全体のエネルギー効率を向上するとともに、小型化、安定した燃料電池システムの運転を実現することが可能となる。 That is, it is possible to improve the energy efficiency of the entire system while having the function of draining water, and to realize a miniaturized and stable operation of the fuel cell system.

第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器および燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器を備えた加湿装置と、燃料ガス加湿器は、燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を前記燃料電池の発電時の熱を吸熱した冷却水で加温して加湿を行い、酸化剤ガス加湿器は、燃料電池の発電時の熱を吸熱した冷却水の温水を用いて加湿を行うものであり、酸化剤ガス加湿器を構成する第１の流路プレートの片面に酸化剤ガス流路を設け、もう片面に供給冷却水経路を設け、複数の前記第１の冷却水プレートの間に水蒸気透過膜を配置し、第１の流路プレートの供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設けたものである。 A first invention includes a fuel cell that generates power using fuel gas and an oxidant gas, a fuel gas humidifier that humidifies a supply fuel gas supplied to the fuel cell, and a supply oxidant gas supplied to the fuel cell. A humidifier equipped with a humidifying oxidant gas humidifier and a fuel gas humidifier heat the water contained in the exhausted fuel gas discharged from the fuel cell with cooling water that has absorbed the heat generated during power generation of the fuel cell. The oxidant gas humidifier performs humidification using the hot water of the cooling water that has absorbed the heat generated during the power generation of the fuel cell. The first flow path constituting the oxidant gas humidifier An oxidant gas flow path is provided on one side of the plate, a supply cooling water path is provided on the other side, a water vapor permeable film is disposed between the plurality of first cooling water plates, and supply cooling of the first flow path plate Drain the water in the supply cooling water path below the water path It is provided with a water drainage manifold.

かかる構成とすることにより、本発明の燃料電池システムは、効率の高い加湿装置、しいては燃料電池システムを提供するために前記燃料ガス加湿器と前記酸化剤ガス加湿器のそれぞれの供給冷却水経路を直列に配管接続した場合において、前記第１の流路プレートの前記供給冷却水経路の下方に前記供給冷却水経路内の水を排出する水抜きマニホールドを設けたことにより、供給冷却水経路内に水を滞留させることがない。 By adopting such a configuration, the fuel cell system of the present invention provides a highly efficient humidifier, and therefore, supply cooling water for each of the fuel gas humidifier and the oxidant gas humidifier in order to provide a fuel cell system. When the passages are connected in series by piping, a drainage manifold for discharging water in the supply cooling water passage is provided below the supply cooling water passage of the first flow path plate, thereby providing a supply cooling water passage. Water does not stay inside.

よって前記供給冷却水経路に接する前記水蒸気透過膜の面を全面に渡って水と接触させることがなくなるので、寒冷地の冬季時などに燃料電池システムの長期停止する時においても、前記水蒸気透過膜が水の凍結時の体積膨張の圧力で破損する度合いを低減させることができる。 Therefore, the surface of the water vapor permeable membrane that is in contact with the supply cooling water path is not brought into contact with water over the entire surface. The degree of damage due to the volume expansion pressure during freezing of water can be reduced.

すなわち、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させるとともに、安定した燃料電池システムの運転を実現し、また、コンパクト化及び簡素化を図ることが可能となる燃料電池システムの加湿装置を提供することが可能となる。 That is, it is possible to provide a humidifier for a fuel cell system that improves the energy efficiency of the fuel cell system, realizes stable operation of the fuel cell system, and can be made compact and simplified. It becomes.

また、第２の発明は、特に第１の発明において、燃料ガス加湿器の第２の流路プレートの供給冷却水経路面に設けた第２の冷却水出口マニホールドと酸化剤ガス加湿器の第１の流路プレートの供給冷却水経路に設けた第１の冷却水入り口マニホールドを直列に接続し、第２の冷却水出口マニホールドを第２の流路プレートの供給冷却水経路の上方に設け、第１の冷却水入り口マニホールドと第１の冷却水出口マニホールドを第１の流路プレートの供給冷却水経路の上方に設けたものである。 Further, the second invention is the second invention, particularly in the first invention, the second cooling water outlet manifold provided on the supply cooling water path surface of the second flow path plate of the fuel gas humidifier and the first of the oxidizing gas humidifier. A first cooling water inlet manifold provided in the supply cooling water path of the first flow path plate is connected in series, and a second cooling water outlet manifold is provided above the supply cooling water path of the second flow path plate; A first cooling water inlet manifold and a first cooling water outlet manifold are provided above the supply cooling water path of the first flow path plate.

ここで加湿装置の燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器のそれぞれの供給冷却水経路を直列に配管接続する利点を詳しく説明する。仮に燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器のそれぞれの供給冷却水経路を並列に接続すると、加湿装置入り口の冷却水流量は、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器で分流されるので、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器での冷却水流量は、加湿装置入り口冷却水流量よりも低下する。 Here, the advantages of connecting the supply coolant paths of the fuel gas humidifier and the oxidant gas humidifier of the humidifier in series will be described in detail. If the supply cooling water paths of the fuel gas humidifier and the oxidant gas humidifier are connected in parallel, the coolant flow rate at the inlet of the humidifier is diverted between the fuel gas humidifier and the oxidant gas humidifier. The cooling water flow rates in the gas humidifier and the oxidant gas humidifier are lower than the humidifier inlet cooling water flow rate.

また、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器を直列接続すると、加湿装置入り口の冷却水流量は燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器を変化することなく流通する。よって、燃料電池システムを循環する冷却水流量が同じ場合、燃料ガス加湿器と酸化剤ガス加湿器を直列接続した方が並列接続するよりも、各加湿器を流通する冷却水流量が多くなり被加湿ガスへの温・湿度交換（以下、総合して温湿交換と称す）の温・湿度供給量が多くなるので、加湿性能は高くなる。 Further, when the fuel gas humidifier and the oxidant gas humidifier are connected in series, the coolant flow rate at the inlet of the humidifier flows without changing between the fuel gas humidifier and the oxidant gas humidifier. Therefore, when the flow rate of the cooling water circulating through the fuel cell system is the same, the flow rate of the cooling water flowing through each humidifier is larger than the parallel connection of the fuel gas humidifier and the oxidant gas humidifier connected in parallel. Since the temperature / humidity supply amount of the temperature / humidity exchange (hereinafter collectively referred to as “humidity exchange”) to the humidified gas is increased, the humidification performance is improved.

なお、並列接続の加湿装置の加湿性能を直列接続と同一にするには、燃料電池システムの冷却水の循環流量を増やせばよいが、このとき冷却水循環ポンプの出力を大きくする必要があり、燃料電池システムの装置の大型化およびポンプの消費電力の増大による効率低下となってしまう。 In order to make the humidification performance of the parallel-connected humidifiers the same as that of the series connection, it is necessary to increase the circulation flow rate of the cooling water in the fuel cell system. At this time, it is necessary to increase the output of the cooling water circulation pump. The efficiency is reduced due to the increase in the size of the battery system device and the increase in power consumption of the pump.

以下、本発明の実施の形態について説明するが、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係わる燃料電池用ガスの加湿装置を備えた燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に燃料電池システムと称す）の構成を示す模式図である。 Hereinafter, although an embodiment of the present invention is described, the present invention is not limited by this embodiment.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell cogeneration system (hereinafter simply referred to as a fuel cell system) including a fuel cell gas humidifier according to Embodiment 1 of the present invention.

図１に示すように、本実施の形態１における燃料電池システムは、空気供給装置４０と、第１の酸化剤ガス加湿器２２および第２の酸化剤ガス加湿器２１を備えた酸化剤ガス加湿装置５０と、燃料電池１１と、燃料供給装置４１と、燃料処理装置４２と、燃料ガス加湿器２０と、冷却水放熱器１３と、冷却水タンク１４と、冷却水ポンプ１２と、第１の空気経路１と、第２の空気経路２と、第３の空気経路３と、第１の冷却水経路６ａと、第２の冷却水経路６ｂと、第３の冷却水経路６ｃと、第４の冷却水経路６ｄと、貯湯水タンク４５と、貯湯水循環経路１５を主な要素として構成されている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to Embodiment 1 includes an air supply device 40, an oxidant gas humidifier provided with a first oxidant gas humidifier 22 and a second oxidant gas humidifier 21. The device 50, the fuel cell 11, the fuel supply device 41, the fuel processing device 42, the fuel gas humidifier 20, the cooling water radiator 13, the cooling water tank 14, the cooling water pump 12, and the first The air path 1, the second air path 2, the third air path 3, the first cooling water path 6a, the second cooling water path 6b, the third cooling water path 6c, and the fourth The cooling water path 6d, the hot water tank 45, and the hot water circulation path 15 are configured as main elements.

特に、燃料ガス加湿器２０と酸化剤ガス加湿装置５０は、一体化され酸化剤・燃料ガス加湿装置５１を構成しており、その詳細については後述する。 In particular, the fuel gas humidifier 20 and the oxidant gas humidifier 50 are integrated to form an oxidant / fuel gas humidifier 51, the details of which will be described later.

次に、システム全体の動作について説明する。 Next, the operation of the entire system will be described.

空気供給装置４０から第１の空気経路１を介して酸化剤ガス加湿装置５０に供給された空気（酸化剤ガス）は、第１の酸化剤ガス加湿器２２で加湿され、次に第２の空気経路２を通って、さらに第２の酸化剤ガス加湿器２１によって加湿される。第２の酸化剤ガス加湿器２１によって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、第３の空気経路３を介して燃料電池１１の空気極側に供給される。 The air (oxidant gas) supplied from the air supply device 40 to the oxidant gas humidifier 50 via the first air path 1 is humidified by the first oxidant gas humidifier 22, and then the second gas is supplied. The air is further humidified by the second oxidant gas humidifier 21 through the air path 2. The air humidified by the second oxidant gas humidifier 21 is supplied as an oxidant gas to the air electrode side of the fuel cell 11 via the third air path 3.

一方、燃料供給装置４１から第１の燃料ガス経路８を介して、燃料処理装置４２に原料が供給される。この原料としては、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物（例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等）を含むガス等あるいはアルコール等が好ましい。 On the other hand, the raw material is supplied from the fuel supply device 41 to the fuel processing device 42 via the first fuel gas path 8. This raw material is preferably a gas containing a compound composed of at least carbon and hydrogen (for example, city gas, propane, methane, natural gas, etc.), alcohol or the like.

ここでは、燃料処理装置４２は、具体的には、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部（いずれも図示せず）を備えており、かかる構成は周知であるため、説明を省略する。 Here, the fuel processing device 42 specifically includes a reforming unit that generates a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction, and a shift unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas by a shift reaction, A purification unit (none of which is shown) for further reducing carbon monoxide in the reformed gas that has passed through the transformation unit by a selective oxidation reaction is provided, and since such a configuration is well known, description thereof is omitted.

そして、燃料処理装置４２では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチなガスが生成される。この水素リッチなガスは、第２の燃料ガス経路９ａを介して燃料ガス加湿器２０に供給されて加湿される。 And in the fuel processing apparatus 42, hydrogen-rich gas is produced | generated by heating the supplied raw material in the atmosphere containing water vapor | steam. This hydrogen-rich gas is supplied to the fuel gas humidifier 20 via the second fuel gas path 9a and humidified.

加湿された水素リッチなガスは、燃料電池１１の燃料ガスとして、第３の燃料ガス経路９ｂを通じて燃料電池１１の燃料極側に供給される。燃料電池１１では、空気極側に供給された酸化剤ガスと、燃料極側に供給された水素リッチな燃料ガスとが反応することにより発電が行われ、電気と熱とが発生する。この反応内容については周知であるため、説明を省略する。 The humidified hydrogen-rich gas is supplied as the fuel gas of the fuel cell 11 to the fuel electrode side of the fuel cell 11 through the third fuel gas path 9b. In the fuel cell 11, power is generated by the reaction between the oxidant gas supplied to the air electrode side and the hydrogen-rich fuel gas supplied to the fuel electrode side, and electricity and heat are generated. The details of this reaction are well known and will not be described.

第３の空気経路３から燃料電池１１に供給された供給酸化剤ガスのうち、反応に利用されなかった供給酸化剤ガスは、排出酸化剤ガスとなり、第１の酸化剤ガス排出経路４を介して第１の酸化剤ガス加湿器２２に供給される。 Of the supplied oxidant gas supplied from the third air path 3 to the fuel cell 11, the supplied oxidant gas that has not been used for the reaction becomes the discharged oxidant gas, and passes through the first oxidant gas discharge path 4. To the first oxidant gas humidifier 22.

第１の空気経路１から第１の酸化剤ガス加湿器２２へ流入した酸化剤ガスの加湿は、ここで排出酸化剤ガスに含まれる水分を利用して行われるもので、厳密には排出酸化剤ガスの熱も利用されていることから、第１の酸化剤ガス加湿器２２内では湿熱交換作用が発生している。 Humidification of the oxidant gas flowing into the first oxidant gas humidifier 22 from the first air path 1 is performed using moisture contained in the exhaust oxidant gas, and strictly speaking, exhaust oxidization. Since the heat of the agent gas is also utilized, a wet heat exchange action occurs in the first oxidant gas humidifier 22.

そして、第１の酸化剤ガス加湿器２２を経た排出酸化剤ガスは、第２の酸化剤ガス排出経路５を通じて排出される。 The discharged oxidant gas that has passed through the first oxidant gas humidifier 22 is discharged through the second oxidant gas discharge path 5.

また、燃料電池１１で反応に利用されなかった燃料ガスは排出燃料ガスとなり、第４の燃料ガス経路１０ａを介して燃料ガス加湿器２０に供給され、燃料ガス排出経路１０ｂを通じて排出される。 Further, the fuel gas that has not been used for the reaction in the fuel cell 11 becomes exhausted fuel gas, is supplied to the fuel gas humidifier 20 through the fourth fuel gas path 10a, and is discharged through the fuel gas discharge path 10b.

燃料処理装置４２で生成された水素リッチな燃料ガスの加湿は、燃料電池１１から第４の燃料ガス経路１０ａを介して燃料ガス加湿器２０へ流入した排出ガスの水分を利用して行われるもので、厳密には排出燃料ガスの熱も利用されていることから、燃料ガス加湿器２０内では湿熱交換作用が発生している。 Humidification of the hydrogen-rich fuel gas generated by the fuel processing device 42 is performed using the moisture of the exhaust gas flowing into the fuel gas humidifier 20 from the fuel cell 11 through the fourth fuel gas path 10a. Strictly speaking, since the heat of the exhaust fuel gas is also used, a wet heat exchange action occurs in the fuel gas humidifier 20.

また、燃料電池１１で熱を回収した冷却水は、第１の冷却水経路６ａを介して燃料ガス加湿器２０に流入し、次に第２の冷却水経路６ｂより第２の酸化剤ガス加湿器２１に流入し、その後、第３の冷却水経路６ｃを介して冷却水放熱器１３に供給されて、ここで熱回収される。 Further, the cooling water whose heat has been recovered by the fuel cell 11 flows into the fuel gas humidifier 20 via the first cooling water path 6a, and then the second oxidant gas humidification from the second cooling water path 6b. It flows into the vessel 21 and is then supplied to the cooling water radiator 13 via the third cooling water path 6c, where heat is recovered.

すなわち、燃料電池１１で熱を回収した冷却水は、第４の燃料ガス経路１０ａを介して燃料ガス加湿器２０に供給された排出燃料ガスの凝縮水を加温し、その後、第２の酸化剤ガス加湿器２１へ流れて、ここで燃料電池１１へ供給される供給酸化剤ガスの加湿を行う。この第２の酸化剤ガス加湿器２１で行われる加湿についても、厳密には前記冷却水の水分に加えて冷却水の温度も利用されていることから、湿熱交換作用が発生している。 That is, the cooling water whose heat has been recovered by the fuel cell 11 warms the condensed water of the exhaust fuel gas supplied to the fuel gas humidifier 20 via the fourth fuel gas path 10a, and then the second oxidation It flows to the agent gas humidifier 21 and humidifies the supply oxidant gas supplied to the fuel cell 11 here. In the humidification performed by the second oxidant gas humidifier 21, strictly speaking, the temperature of the cooling water is also used in addition to the water content of the cooling water, so that a moist heat exchange action occurs.

換言すると、空気供給装置４０から供給される供給酸化剤ガスの加湿（湿熱交換作用）は、第１の酸化剤ガス加湿器２２では第１の酸化剤ガス排出経路４から流入する排出ガスの水分と熱を利用して行われ、第２の酸化剤ガス加湿器２１では冷却水の水分と熱を利用して行われている。 In other words, the humidification (wet heat exchange action) of the supplied oxidant gas supplied from the air supply device 40 is the moisture of the exhaust gas flowing in from the first oxidant gas discharge path 4 in the first oxidant gas humidifier 22. The second oxidant gas humidifier 21 uses the moisture and heat of the cooling water.

さらに、貯湯水タンク４５と、貯湯水タンク４５に貯めた水を給水するための貯湯水ポンプ４４と、貯湯水タンク４５から給水した水を、冷却水放熱器（熱交換器）１３を経由して再び貯湯水タンク４５に戻す貯湯水循環経路１５において、冷却水放熱器１３には、前述の如く第２の酸化剤ガス加湿器２１で加湿に利用された後の冷却水の熱が与えられ、この熱が貯湯水循環経路１５を通って貯湯水タンク４５に供給、蓄熱される。 Further, the hot water tank 45, the hot water pump 44 for supplying water stored in the hot water tank 45, and the water supplied from the hot water tank 45 are passed through the cooling water radiator (heat exchanger) 13. In the hot water circulation path 15 that returns to the hot water tank 45 again, the cooling water radiator 13 is given heat of the cooling water after being used for humidification by the second oxidant gas humidifier 21 as described above. This heat is supplied to the hot water tank 45 through the hot water circulation path 15 and stored.

また、冷却水放熱器１３を通過した冷却水は、第４の冷却水経路６ｄを介して冷却水タンク１４へ流れる。そして、冷却水タンク１４の冷却水は、燃料電池１１で発生した熱を除去するために、冷却水ポンプ１２によって加圧され、冷却水経路７を介して再び燃料電池１１に供給されて循環を繰り返す。 Further, the cooling water that has passed through the cooling water radiator 13 flows to the cooling water tank 14 via the fourth cooling water path 6d. Then, the cooling water in the cooling water tank 14 is pressurized by the cooling water pump 12 in order to remove the heat generated in the fuel cell 11, and is supplied to the fuel cell 11 again via the cooling water path 7 to circulate. repeat.

ここで、冷却水タンク１４の冷却水は、７０℃程度に維持されており、この温度は、燃料電池１１と十分熱交換できる温度である。 Here, the cooling water in the cooling water tank 14 is maintained at about 70 ° C., and this temperature is a temperature at which sufficient heat exchange with the fuel cell 11 is possible.

さらに、この冷却水について詳述すると、燃料電池１１の熱を回収して温度が７５℃程度となった冷却水は、第１の冷却水経路６ａ、第２の冷却水経路６ｂ、第３の冷却水経路６ｃ、第４の冷却水経路６ｄを介して再び冷却水タンク１４に戻される。 Further, this cooling water will be described in detail. The cooling water whose temperature is about 75 ° C. by recovering the heat of the fuel cell 11 is the first cooling water path 6a, the second cooling water path 6b, the third cooling water. It is returned to the cooling water tank 14 again via the cooling water path 6c and the fourth cooling water path 6d.

ここで、第３の冷却水経路６ｃと第４の冷却水経路６ｄの間には、冷却水放熱器１３が設けられており、この冷却水の熱は、冷却水放熱器１３によって放出される。このような放熱により、冷却水は、再び７０℃程度まで冷却される。 Here, a cooling water radiator 13 is provided between the third cooling water path 6 c and the fourth cooling water path 6 d, and the heat of the cooling water is released by the cooling water radiator 13. . By such heat radiation, the cooling water is cooled again to about 70 ° C.

本実施の形態１における燃料電池システムでは、このように冷却水が循環する構成となっており、また、この冷却水の温度が安定して所定の温度に維持されていることから、燃料電池１１を所定の温度に維持することが可能となる。 In the fuel cell system according to the first embodiment, the cooling water is circulated as described above, and the temperature of the cooling water is stably maintained at a predetermined temperature. Can be maintained at a predetermined temperature.

さらに、本実施の形態１においては、燃料ガス加湿器２０および酸化剤ガス加湿装置５０が一体化された酸化剤・燃料ガス加湿装置５１を構成しており、次に、本実施の形態１の特徴である、燃料ガス加湿器２０および酸化剤・燃料ガス加湿装置５１について説明する。 Further, in the first embodiment, an oxidant / fuel gas humidifier 51 in which the fuel gas humidifier 20 and the oxidant gas humidifier 50 are integrated is configured. The characteristic fuel gas humidifier 20 and oxidizer / fuel gas humidifier 51 will be described.

図２〜図６は、図１に示す燃料電池システムにおける酸化剤・燃料ガス加湿装置５１の構成および湿熱交換作用を説明するための説明図である。 2-6 is explanatory drawing for demonstrating the structure and wet heat exchange effect | action of the oxidizing agent and fuel gas humidification apparatus 51 in the fuel cell system shown in FIG.

図２において、酸化剤・燃料ガス加湿装置５１は、ともに冷却水を用いて加湿する燃料ガス加湿器２０と第２の酸化剤ガス加湿器２１を直列に接続した構成であり、第１の端板６１と第２の端板６２で挟まれており、第１の酸化剤ガス加湿器２２は第１の端板６１と当接し、第１の酸化剤ガス加湿器２２の反対面と第２の酸化剤ガス加湿器２１の間には、酸化剤ガス端板６３が当接され、第２の酸化剤ガス加湿器２１の反対面と燃料ガス加湿器２０の間には、中端板６４が介挿されている。 In FIG. 2, an oxidant / fuel gas humidifier 51 has a configuration in which a fuel gas humidifier 20 and a second oxidant gas humidifier 21 both humidified using cooling water are connected in series, and the first end The first oxidant gas humidifier 22 is in contact with the first end plate 61 and is opposite to the first oxidant gas humidifier 22 and the second end plate 61 and the second end plate 62. An oxidant gas end plate 63 is in contact with the oxidant gas humidifier 21, and an intermediate end plate 64 is disposed between the opposite surface of the second oxidant gas humidifier 21 and the fuel gas humidifier 20. Is inserted.

また、第１の端板６１は、供給酸化剤ガス入口６５と、排出酸化剤ガス入口６６と、排出酸化剤ガス出口６７と、水抜き口１１０とを有し、第２の端板６２は、供給酸化剤ガス出口６９と、供給燃料ガス出口７０と、供給燃料ガス入口７１と、排出燃料ガス出口７２と、冷却水入口７３と、冷却水出口７４とを有し、冷却水出口７４は第２の端板６２の冷却水入口７３よりも上方に位置し、第１の端板６１における水抜き口１１０は冷却水入口７３よりも下方に位置している。 The first end plate 61 has a supply oxidant gas inlet 65, a discharge oxidant gas inlet 66, a discharge oxidant gas outlet 67, and a drain port 110. The second end plate 62 has , Supply oxidant gas outlet 69, supply fuel gas outlet 70, supply fuel gas inlet 71, exhaust fuel gas outlet 72, cooling water inlet 73, and cooling water outlet 74. The second end plate 62 is positioned above the cooling water inlet 73, and the drain port 110 in the first end plate 61 is positioned below the cooling water inlet 73.

また、中端板６４は、供給酸化剤ガス経路７８と、供給酸化剤ガス出口マニホールド８１と、冷却水戻り穴９９ａと、排出燃料ガス入口６８と、第１の連通穴９１ａと、水抜き穴１０９ｃとを有し、水抜き穴１０９ｃは中端板６４の周囲下方に位置して構成されている。 The middle end plate 64 includes a supply oxidant gas path 78, a supply oxidant gas outlet manifold 81, a cooling water return hole 99a, an exhaust fuel gas inlet 68, a first communication hole 91a, and a drain hole. 109c, and the water drain hole 109c is located below the periphery of the middle end plate 64.

また、第１の酸化剤ガス加湿器２２は、加湿モジュール７５とその加湿モジュール７５に配管（図示せず）を導くケーシング７６より構成され、ケーシング７６には水抜き口１１０と連通する連通管７６ａが水平もしくは下方に傾斜して構成されている。 The first oxidant gas humidifier 22 includes a humidification module 75 and a casing 76 that leads a pipe (not shown) to the humidification module 75. The casing 76 communicates with the drain port 110a. Is inclined horizontally or downward.

また、第２の酸化剤ガス加湿器２１は、第１の流路プレート７７と水蒸気透過膜２３を複数段積層して構成され、第１の流路プレート７７は片面に供給酸化剤ガス経路７８、他の面に第１の供給冷却水経路７９が構成され、供給酸化剤ガス入口マニホールド８０と、酸化剤ガス入口穴８０ａと、供給酸化剤ガス出口マニホールド８１と、第１の冷却水入口マニホールド８２と、第１の冷却水出口マニホールド８３と、水抜きマニホールド１０８ａとを有して構成され、前記第１の冷却水入口マニホールドと前記第１の冷却水出口マニホールドは、ともに第１の流路プレート７７の上方に位置し、前記水抜きマニホールド１０８ｂは、第１の流路プレート７７の下方に位置している。 The second oxidant gas humidifier 21 is configured by laminating a plurality of first flow path plates 77 and water vapor permeable membranes 23, and the first flow path plate 77 has a supply oxidant gas path 78 on one side. On the other side, a first supply cooling water passage 79 is configured, and a supply oxidant gas inlet manifold 80, an oxidant gas inlet hole 80a, a supply oxidant gas outlet manifold 81, and a first cooling water inlet manifold. 82, a first cooling water outlet manifold 83, and a water draining manifold 108a, both of the first cooling water inlet manifold and the first cooling water outlet manifold being a first flow path. Located above the plate 77, the drain manifold 108 b is located below the first flow path plate 77.

また、酸化剤ガス端板６３は、排出燃料ガス入口６８と、第１の供給冷却水経路７９と、酸化剤ガス入口穴８０ａと、水抜きマニホールド１０８ｃとを有し、水抜きマニホールド１０８ｃは酸化剤ガス端板６３の周囲下方に位置して構成されている。 The oxidant gas end plate 63 has an exhaust fuel gas inlet 68, a first supply cooling water passage 79, an oxidant gas inlet hole 80a, and a drain manifold 108c. The drain manifold 108c is oxidized. It is configured to be positioned below the periphery of the agent gas end plate 63.

また、燃料ガス加湿器２０は、第２の流路プレート８５と第３の流路プレート８６と水蒸気透過膜２３で構成されている。第２の流路プレート８５は片面に排出燃料ガス流路８７、他の面に第２の供給冷却水経路８８が形成され、第３の流路プレート８６は片面に供給燃料ガス流路８９が形成され、第２の流路プレート８５の排出燃料ガス流路８７と第３の流路プレート８６の供給燃料ガス流路８９の間に水蒸気透過膜２３を配設して形成され、第２の流路プレート８５には、第２の冷却水入口マニホールド９０と、水抜きマニホールド１０８ａと、第２の冷却水出口マニホールド９１と、供給酸化剤ガス貫通穴９４と、供給燃料ガス貫通穴９５とを有し、そのうちの前記第２の供給冷却水経路８８において、前記第２の冷却水入口マニホールド９０と、水抜きマニホールド１０８ａとが第２の流路プレート８５の周囲下方に、そして前記第２の冷却水出口マニホールド９１が第２の流路プレート８５の周囲上方に位置している。第３の流路プレート８６には供給燃料ガス入口マニホールド９６と、供給燃料ガス出口マニホールド９７と、第２の冷却水入口穴９８と、冷却水戻り穴９９と、排出燃料ガス貫通穴１００と、酸化剤ガス貫通穴１０１と、水抜き穴１０９ａよりなり、前記第２の冷却水入口穴９８と、水抜き穴１０９ａは前記第３の流路プレート８６の周囲下方に位置している。 The fuel gas humidifier 20 includes a second flow path plate 85, a third flow path plate 86, and a water vapor permeable membrane 23. The second flow path plate 85 has an exhaust fuel gas flow path 87 on one side, a second supply cooling water path 88 on the other side, and the third flow path plate 86 has a supply fuel gas flow path 89 on one side. Formed by disposing the water vapor permeable membrane 23 between the exhaust fuel gas passage 87 of the second passage plate 85 and the supply fuel gas passage 89 of the third passage plate 86, The flow path plate 85 includes a second cooling water inlet manifold 90, a water drain manifold 108a, a second cooling water outlet manifold 91, a supply oxidant gas through hole 94, and a supply fuel gas through hole 95. In the second supply cooling water path 88, the second cooling water inlet manifold 90 and the water draining manifold 108a are provided below the second flow path plate 85 and the second flow cooling plate 108a. Cooling water outlet manifold Field 91 is located around above the second channel plate 85. The third flow path plate 86 includes a supply fuel gas inlet manifold 96, a supply fuel gas outlet manifold 97, a second cooling water inlet hole 98, a cooling water return hole 99, an exhaust fuel gas through hole 100, The second cooling water inlet hole 98 and the water drain hole 109a are located below the third flow path plate 86 around the oxidant gas through hole 101 and the water drain hole 109a.

燃料ガス加湿器２０と、第２の酸化剤ガス加湿器２１は、内部が水蒸気透過膜２３で区切られており、水蒸気透過膜２３によって高水分濃度側から低水分濃度側への水分（水蒸気）移動が可能で、加えて高温度側から低温度側への熱移動が可能な材料より構成されており、該水蒸気透過膜２３は前記燃料ガス加湿器２０で使用される場合は第１の枠体１０２で一体化され、前記第２の酸化剤ガス加湿器２１で使用される場合は第２の枠体１０５ａで一体化されている。 The fuel gas humidifier 20 and the second oxidant gas humidifier 21 are internally separated by a water vapor permeable film 23, and moisture (water vapor) from the high water concentration side to the low water concentration side by the water vapor permeable film 23. When the fuel gas humidifier 20 is used in the fuel gas humidifier 20, the water vapor permeable membrane 23 is made of a first frame. When integrated with the body 102 and used in the second oxidant gas humidifier 21, it is integrated with the second frame 105a.

ここで、水蒸気透過膜２３には、例えば、ナフィオン系膜等で代表されるプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。 Here, for the water vapor permeable membrane 23, for example, a proton conductive polymer electrolyte membrane represented by a Nafion-based membrane or the like is used.

さらに、燃料ガス加湿器２０、第１の酸化剤ガス加湿器２２および第２の酸化剤ガス加湿器２１は、それぞれの外殻が接触して配置されている構成であり、同図に示す如くそれらの両端が一対の端版６１、６２に適宜手段にて固定され、単一の酸化剤・燃料ガス加湿装置５１となるようにユニット化されている。 Further, the fuel gas humidifier 20, the first oxidant gas humidifier 22, and the second oxidant gas humidifier 21 are configured such that their outer shells are in contact with each other, as shown in FIG. Both ends thereof are fixed to the pair of end plates 61 and 62 by appropriate means, and are unitized so as to be a single oxidizer / fuel gas humidifier 51.

上記構成とする酸化剤・燃料ガス加湿装置５１の燃料ガス加湿器２０、２１、第１の酸化剤ガス加湿器２２には、燃料ガス、酸化剤ガス（空気）および冷却水が次のように流れる。 The fuel gas humidifiers 20 and 21 and the first oxidant gas humidifier 22 of the oxidant / fuel gas humidifier 51 configured as described above are supplied with fuel gas, oxidant gas (air) and cooling water as follows. Flowing.

燃料ガスは、第２の燃料ガス経路９ａから燃料ガス加湿器２０の第３の流路プレート８６の供給燃料ガス入口マニホールド９６から供給燃料ガス流路８９に流入し、供給燃料ガス出口マニホールド９７を通って第３の燃料ガス経路９ｂから燃料電池１１の燃料極側に流入して酸化剤と反応する。この反応に伴って凝縮水も発生する。 The fuel gas flows from the second fuel gas path 9 a into the supply fuel gas flow path 89 from the supply fuel gas inlet manifold 96 of the third flow path plate 86 of the fuel gas humidifier 20, and passes through the supply fuel gas outlet manifold 97. Then, it flows from the third fuel gas path 9b to the fuel electrode side of the fuel cell 11 and reacts with the oxidant. Condensed water is also generated with this reaction.

酸化剤と反応せずに残った燃料ガスは、第４の燃料ガス経路１０ａから再び燃料ガス加湿器２０の排出燃料ガス流路８７へ凝縮水とともに流入し、一旦滞留する。そして、排出燃料ガス流路８７内の燃料ガスは、燃料ガス排出経路１０ｂを通じて排出される。 The fuel gas remaining without reacting with the oxidant again flows into the exhaust fuel gas passage 87 of the fuel gas humidifier 20 from the fourth fuel gas path 10a together with the condensed water, and temporarily stays there. The fuel gas in the exhaust fuel gas passage 87 is discharged through the fuel gas discharge path 10b.

排出燃料ガス流路８７内の凝縮水の水分（水蒸気）は、水蒸気透過膜２３の水分を透過させる作用により、供給燃料ガス流路８９へ透過する。 The moisture (water vapor) of the condensed water in the exhaust fuel gas channel 87 is transmitted to the supply fuel gas channel 89 by the action of allowing the moisture of the water vapor permeable membrane 23 to permeate.

また、熱伝導性の良好な材料からなる第２の流路プレート８５の両面には、一方を排出燃料ガス流路８７、他方には第２の供給冷却水経路８８が配設されている。排出燃料ガスは、排出燃料ガス流路８７で滞留し温度が５０℃程度にまで降下する。しかし第２の供給冷却水経路８８の冷却水温度は燃料電池１１を出たときの温度の約７５℃を常に維持しているため、排出燃料ガス流路８７の凝縮水を一定温度に加温している。 Further, on both surfaces of the second flow path plate 85 made of a material having good thermal conductivity, one is provided with an exhaust fuel gas flow path 87 and the other is provided with a second supply cooling water path 88. The exhaust fuel gas stays in the exhaust fuel gas flow path 87 and the temperature drops to about 50 ° C. However, since the cooling water temperature in the second supply cooling water passage 88 always maintains about 75 ° C. of the temperature when leaving the fuel cell 11, the condensed water in the exhaust fuel gas passage 87 is heated to a constant temperature. is doing.

したがって、供給燃料ガス流路８９へ透過した凝縮水分（水蒸気）も所定の高温度を維持し、凝縮水分は、供給燃料ガス流路８９を流れる燃料ガスと湿熱交換を行い、燃料ガスを加湿する。 Therefore, the condensed water (water vapor) that has passed through the supply fuel gas flow path 89 also maintains a predetermined high temperature, and the condensed water exchanges wet heat with the fuel gas flowing through the supply fuel gas flow path 89 to humidify the fuel gas. .

また、酸化剤ガスは、第１の空気経路１から酸化剤ガス加湿装置５０の第１の酸化剤ガス加湿器２２に流入し、前記燃料電池１１内での反応により、前記供給燃料ガスと反応せずに残った前記排出酸化剤ガスは、高温で多くの水分を含むことから、第１の酸化剤ガス排出経路４を通り、排出酸化剤ガス入口６６から第１の酸化剤ガス加湿器２２の前記加湿モジュール７５で供給酸化剤ガスと湿熱交換した後、第２の酸化剤ガス排出経路５から排出される。そして前記酸化剤ガスは前記第１の流路プレート７７の前記供給酸化剤ガス経路７８に流入し、前記水蒸気透過膜２３を介して第１の流路プレート７７の第１の供給冷却水経路７９の冷却水とさらに湿熱交換する。 Further, the oxidant gas flows from the first air path 1 into the first oxidant gas humidifier 22 of the oxidant gas humidifier 50 and reacts with the supplied fuel gas by the reaction in the fuel cell 11. Since the exhaust oxidant gas remaining without being contained contains a large amount of moisture at a high temperature, the exhaust oxidant gas passes through the first oxidant gas discharge path 4 and passes through the exhaust oxidant gas inlet 66 to the first oxidant gas humidifier 22. The humidification module 75 performs wet heat exchange with the supplied oxidant gas, and then is discharged from the second oxidant gas discharge path 5. The oxidant gas flows into the supply oxidant gas path 78 of the first flow path plate 77, and the first supply cooling water path 79 of the first flow path plate 77 through the water vapor permeable film 23. Further heat and heat exchange with cooling water.

その後、供給酸化剤ガスは、第３の空気経路３を通って燃料電池１１の空気極側に流入し、燃料ガスと反応する。 Thereafter, the supplied oxidant gas flows into the air electrode side of the fuel cell 11 through the third air path 3 and reacts with the fuel gas.

このとき、冷却水は、冷却水経路７から冷却水入り口７３、燃料ガス加湿器の第３の流路プレート８６の第２の冷却水入口穴９８、第１の枠体１０２の下方の第１の連通穴１０３を通って前記第２の流路プレート８５の下方に位置する第２の冷却水入口マニホールド９０から第２の供給冷却水経路８８に流入し、第２の流路プレート８５の上方に位置する第２の冷却水出口マニホールド９１から中端板６４の上方に位置する第１の連通穴９１ａを通り、第２の枠体１０５ａの上方に位置する第２の連通穴１０６を通って、酸化剤ガス端板６３に到達する。 At this time, the cooling water flows from the cooling water path 7 to the cooling water inlet 73, the second cooling water inlet hole 98 of the third flow path plate 86 of the fuel gas humidifier, and the first lower part of the first frame body 102. The second cooling water inlet manifold 90 located below the second flow path plate 85 flows into the second supply cooling water path 88 through the communication hole 103 of the second flow path plate 85, and is located above the second flow path plate 85. The second cooling water outlet manifold 91 located at the first end passes through the first communicating hole 91a located above the middle end plate 64, and passes through the second communicating hole 106 located above the second frame 105a. The oxidant gas end plate 63 is reached.

酸化剤ガス端板６３の第１の供給冷却水経路７９で冷却水はコの字を描いて再び上方に流れ、第３の枠体１０５ｂの上方に位置した第３の連通穴１０７を通り、第１の流路プレート７７の第１の供給冷却水経路７９で第１の冷却水入口マニホールド８２からコの字を描いた冷却水が上方に位置した第１の冷却水出口マニホールド８３で合流し、第２の枠体１０５ａの上方に位置した第３の連通穴１０７を通り、中端板６４の上方に位置した冷却水戻り穴９９ａ、第２の流路プレート８５の上方に位置した冷却水戻り穴９９ｂ、第１の枠体１０２の上方に位置した冷却水戻り穴９９ｃ、第３の流路プレート８６の上方に位置した冷却水戻り穴９９を通り、第２の端板６２の上方に位置する冷却水出口７４より第３の冷却水経路６ｃに流出し、システムを循環する。 In the first supply cooling water path 79 of the oxidant gas end plate 63, the cooling water flows upward again in a U shape, passes through the third communication hole 107 positioned above the third frame 105b, In the first supply cooling water path 79 of the first flow path plate 77, the cooling water drawn in a U shape from the first cooling water inlet manifold 82 joins at the first cooling water outlet manifold 83 positioned above. Cooling water positioned above the second flow path plate 85 and the cooling water return hole 99a positioned above the middle end plate 64 through the third communication hole 107 positioned above the second frame 105a. It passes through the return hole 99b, the cooling water return hole 99c located above the first frame 102, the cooling water return hole 99 located above the third flow path plate 86, and above the second end plate 62. The coolant flows out from the coolant outlet 74 positioned to the third coolant passage 6c, and the Circulating Temu.

次に、第１の流路プレート７７と酸化剤ガス端板６３の第１の供給冷却水経路７９の冷却水の水抜き動作について説明する。燃料電池システムの冷却水は、燃料電池システムの動作中は第１の供給冷却水経路７９に冷却水が満たされた状態で燃料電池システム内を循環している。 Next, the draining operation of the cooling water in the first supply cooling water passage 79 of the first flow path plate 77 and the oxidant gas end plate 63 will be described. During the operation of the fuel cell system, the cooling water of the fuel cell system circulates in the fuel cell system with the first supply cooling water passage 79 filled with the cooling water.

燃料電池システムが停止すると、第１の供給冷却水経路７９の冷却水は第１の供給冷却水経路７９に満たされたままの状態である。第１の供給冷却水経路７９の冷却水の水抜きは、まず水抜き経路１１１の下流に設けた水抜きコック（図示せず）を開放する。 When the fuel cell system is stopped, the cooling water in the first supply cooling water passage 79 is still filled in the first supply cooling water passage 79. In order to drain the cooling water in the first supply cooling water path 79, first, a drain cock (not shown) provided downstream of the drain path 111 is opened.

これにより、第１の供給冷却水経路７９の冷却水は、第１の流路プレート７７の水抜きマニホールド１０８ｂと酸化剤ガス端板６３の水抜きマニホールド１０８ｃで合流し、ケーシング７６の連通管７６ａを通って第１の端板６１の水抜き口１１０から前記水抜き経路１１１を介して排出される。 As a result, the cooling water in the first supply cooling water passage 79 merges at the drain manifold 108 b of the first flow path plate 77 and the drain manifold 108 c of the oxidant gas end plate 63, and the communication pipe 76 a of the casing 76. And is discharged from the drain port 110 of the first end plate 61 through the drain path 111.

このように本実施の形態１においては、水蒸気透過膜２３と接する第１の流路プレート７７の第１の供給冷却水経路７９内に貯留した冷却水は、上記構成において水抜きを行うことにより、燃料電池システムが停止時に凍結するような環境にあっても、第１の流路プレート７７の第１の供給冷却水経路７９の下方に前記水抜きマニホールド１０８ｂを配置したので、水抜きを行うことができ、水蒸気透過膜２３を破損させることはない。 As described above, in the first embodiment, the cooling water stored in the first supply cooling water path 79 of the first flow path plate 77 in contact with the water vapor permeable membrane 23 is drained in the above configuration. Even in an environment where the fuel cell system freezes when stopped, the drainage manifold 108b is disposed below the first supply cooling water path 79 of the first flow path plate 77, so that drainage is performed. And the water vapor permeable membrane 23 is not damaged.

また、第１の流路プレート７７の水抜きマニホールド１０８ｂ、酸化剤ガス端板６３の水抜きマニホールド１０８ｃと第２の枠体１０５ａの水抜き穴１０９ｄ、第３の枠体１０５ｂの水抜き穴１０９ｅは、酸化剤・燃料ガス加湿装置５１として積層されて一体に組み立てられており、この時水抜きマニホールド１０８ｂ、酸化剤ガス端板６３の水抜きマニホールド１０８ｃと水抜き穴１０９ｄ、１０９ｅは、プレートの厚み方向に空洞を形成し、また、ケーシング７６の連通管部においても空洞（図示しない）を形成する。 Further, the drainage manifold 108b of the first flow path plate 77, the drainage manifold 108c of the oxidant gas end plate 63, the drainage hole 109d of the second frame 105a, and the drainage hole 109e of the third frame 105b. Are stacked and integrally assembled as an oxidizer / fuel gas humidifier 51. At this time, the drainage manifold 108b, the drainage manifold 108c of the oxidant gas end plate 63 and the drainage holes 109d and 109e are arranged on the plate. A cavity is formed in the thickness direction, and a cavity (not shown) is also formed in the communication pipe portion of the casing 76.

水抜き作業においては一旦水抜きした後も、第１の流路プレート７７の第１の供給冷却水経路７９や水蒸気透過膜２３の冷却水接触面に残留した冷却水の残水が時間経過とともに落下し、下部に流れるが、この時空洞がバッファになり冷却水の残水を貯水できるので、水抜き後の残水が水蒸気透過膜２３の面まで溜まることはなく、安定して凍結時の膜の損傷を防止することができる。 In the draining operation, even after draining, the remaining cooling water remaining on the first supply cooling water path 79 of the first flow path plate 77 and the cooling water contact surface of the water vapor permeable membrane 23 is removed over time. It falls and flows to the lower part, but at this time the cavity becomes a buffer and the remaining water of the cooling water can be stored, so that the remaining water after draining does not collect up to the surface of the water vapor permeable membrane 23, and is stable during freezing. Damage to the membrane can be prevented.

また、この残水の量は、加湿器の性能をさらに向上させるために前記水蒸気透過膜を多段に積層する場合もあり、その時はより残水量が増加する。よって、本発明によれば、前記ケーシング７６の連通管７６ａも空洞となりさらにバッファとして利用することができるので、さらに高性能な加湿器を搭載した燃料電池システムにおいては、より安定して凍結時の膜の損傷を防止することができる。 In addition, in order to further improve the performance of the humidifier, the amount of residual water may be laminated in multiple stages, and at that time, the amount of residual water is further increased. Therefore, according to the present invention, the communication pipe 76a of the casing 76 also becomes a cavity and can be used as a buffer. Therefore, in a fuel cell system equipped with a higher performance humidifier, it is more stable during freezing. Damage to the membrane can be prevented.

以上のように本発明にかかる燃料電池用ガスの加湿装置を備えた燃料電池システムは、水抜き機能を有しながらなお且つシステム全体のエネルギー効率を向上するとともに、小型化、安定した動作が可能となり、燃料電池コージェネレーションシステムのほか、燃料電池自動車等へも適用できるものである。 As described above, the fuel cell system equipped with the fuel cell gas humidifier according to the present invention has a water draining function and improves the energy efficiency of the entire system, and can be downsized and stably operated. Therefore, it can be applied not only to fuel cell cogeneration systems but also to fuel cell vehicles.

本発明の実施の形態１に係わる燃料電池用ガスの加湿装置を備えた燃料電池システムの構成を示す模式図1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system including a fuel cell gas humidifier according to Embodiment 1 of the present invention. 同加湿装置の構成図Configuration diagram of the humidifier 同加湿装置の冷却水経路を説明するための要部分解斜視図The principal part disassembled perspective view for demonstrating the cooling water path | route of the humidification device 同加湿装置の冷却水経路を説明するための要部分解斜視図The principal part disassembled perspective view for demonstrating the cooling water path | route of the humidification device 同加湿装置の供給酸化剤ガス経路を説明するための要部分解斜視図The principal part disassembled perspective view for demonstrating the supply oxidant gas path | route of the humidification device 同加湿装置の供給酸化剤ガス経路を説明するための要部分解斜視図The principal part disassembled perspective view for demonstrating the supply oxidant gas path | route of the humidification device

Explanation of symbols

１第１の空気経路
２第２の空気経路
３第３の空気経路
４第１の酸化剤ガス排出経路
５第２の酸化剤ガス排出経路
６ａ第１の冷却水経路
６ｂ第２の冷却水経路
６ｃ第３の冷却水経路
６ｄ第４の冷却水経路
７冷却水経路
８第１の燃料ガス経路
９ａ第２の燃料ガス経路
９ｂ第３の燃料ガス経路
１０ａ第４の燃料ガス経路
１０ｂ燃料ガス排出経路
１１燃料電池
１２冷却水ポンプ
１３冷却水放熱器
１４冷却水タンク
１５貯湯水循環経路
２０燃料ガス加湿器
２１第２の酸化剤ガス加湿器
２２第１の酸化剤ガス加湿器
２３水蒸気透過膜
４１燃料供給装置
４２燃料処理装置
４４貯湯水ポンプ
４５貯湯水タンク
５０酸化剤ガス加湿装置
５１酸化剤・燃料ガス加湿装置
６３酸化剤ガス端板
６４中端板
６８排出燃料ガス入口
７５加湿モジュール
７６ケーシング
７６ａ連通管
７７第１の流路プレート
７８供給酸化剤ガス経路
７９第１の供給冷却水経路
８０供給酸化剤ガス入口マニホールド
８０ａ酸化剤ガス入口穴
８１供給酸化剤ガス出口マニホールド
８２第１の冷却水入口マニホールド
８３第１の冷却水出口マニホールド
８５第２の流路プレート
８６第３の流路プレート
８７排出燃料ガス流路
８８第２の供給冷却水経路
８９供給燃料ガス流路
９０第２の冷却水入口マニホールド
９１冷却水出口マニホールド
９１ａ第１の連通穴
９４供給酸化剤ガス貫通穴
９６供給燃料ガス入口マニホールド
９７供給燃料ガス出口マニホールド
９８第２の冷却水入口穴
９９冷却水戻り穴
９９ａ，９９ｂ，９９ｃ冷却水戻り穴
１００排出燃料ガス貫通穴
１０１酸化剤ガス貫通穴
１０２第１の枠体
１０３第１の連通穴
１０５ａ第２の枠体
１０５ｂ第３の枠体
１０６第２の連通穴
１０７第３の連通穴
１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ水抜きマニホールド
１０９ａ，１０９ｃ，１０９ｄ，１０９ｅ水抜き穴 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st air path 2 2nd air path 3 3rd air path 4 1st oxidant gas discharge path 5 2nd oxidant gas discharge path 6a 1st cooling water path 6b 2nd cooling water path 6c 3rd cooling water path 6d 4th cooling water path 7 Cooling water path 8 1st fuel gas path 9a 2nd fuel gas path 9b 3rd fuel gas path 10a 4th fuel gas path 10b Fuel gas discharge Path 11 Fuel cell 12 Cooling water pump 13 Cooling water radiator 14 Cooling water tank 15 Hot water circulation path 20 Fuel gas humidifier 21 Second oxidant gas humidifier 22 First oxidant gas humidifier 23 Water vapor permeable membrane 41 Fuel Supply device 42 Fuel processing device 44 Hot water pump 45 Hot water tank 50 Oxidant gas humidifier 51 Oxidant / fuel gas humidifier 63 Oxidant gas end plate 64 Middle end plate 68 Exhaust fuel gas Inlet 75 Humidification module 76 Casing 76a Communication pipe 77 First flow path plate 78 Supply oxidant gas path 79 First supply cooling water path 80 Supply oxidant gas inlet manifold 80a Oxidant gas inlet hole 81 Supply oxidant gas outlet manifold 82 First cooling water inlet manifold 83 First cooling water outlet manifold 85 Second flow path plate 86 Third flow path plate 87 Exhaust fuel gas flow path 88 Second supply cooling water path 89 Supply fuel gas flow path 90 Second cooling water inlet manifold 91 Cooling water outlet manifold 91a First communication hole 94 Supply oxidant gas through hole 96 Supply fuel gas inlet manifold 97 Supply fuel gas outlet manifold 98 Second cooling water inlet hole 99 Cooling water return Hole 99a, 99b, 99c Cooling water return hole 100 Exhaust fuel gas Through hole 101 Oxidant gas through hole 102 First frame 103 First communication hole 105a Second frame 105b Third frame 106 Second communication hole 107 Third communication hole 108a, 108b, 108c Water Drain manifold 109a, 109c, 109d, 109e Drain hole

Claims

A fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas; a fuel gas humidifier that humidifies a supply fuel gas supplied to the fuel cell; and a first that humidifies a supply oxidant gas supplied to the fuel cell . A fuel cell system comprising: a humidifier equipped with an oxidant gas humidifier and a second oxidant gas humidifier ; and a cooling water path through which cooling water for cooling heat generated during power generation of the fuel cell flows. And
The fuel gas humidifier warms the moisture contained in the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell with cooling water that has absorbed heat during power generation of the fuel cell, and humidifies the water,
The first oxidant gas humidifier performs humidification using hot water of cooling water that absorbs heat generated during power generation of the fuel cell, and a first flow path plate constituting the oxidant gas humidifier. one surface provided supply oxidizing gas passage of the supplied cooling water passage further on one side is provided, arranged water vapor transmission film between the plurality of the first channel plate, the supply of the first flow path plate A drainage manifold for discharging water in the supply cooling water path is provided below the cooling water path ,
The second oxidant gas humidifier is disposed adjacent to the first oxidant gas humidifier, connected to the drain manifold, and extends from the drain manifold in the thickness direction of the first flow path plate. Including a buffer portion formed to
Fuel cell system .

The humidifier includes a second cooling water outlet manifold provided on a supply cooling water path surface of a second flow path plate of the fuel gas humidifier and the first flow path plate of the oxidant gas humidifier. A first cooling water inlet manifold provided in the supply cooling water path is connected in series, and the second cooling water outlet manifold is provided above the supply cooling water path of the second flow path plate, The fuel cell system according to claim 1, wherein a cooling water inlet manifold and the first cooling water outlet manifold are provided above a supply cooling water path of the first flow path plate.