JP5266635B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
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関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power and supplies heat using a fuel cell.
燃料電池システムは、燃料電池において、燃料ガスとして供給される水素リッチなガスと、酸化剤ガスとして供給される空気等とを反応させることにより、電力及び熱を発生させることで知られている。 A fuel cell system is known to generate electric power and heat in a fuel cell by reacting a hydrogen-rich gas supplied as a fuel gas with air supplied as an oxidant gas.
前記燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ加湿手段によって加湿された後に、燃料電池に供給される。前記燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段としては、例えば、ヒータにより加熱された温水中に燃料ガス及び酸化剤ガスを通して加湿を行うバブラーがある(例えば、特許文献1参照)。 The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell after being humidified by the humidifying means. As a means for humidifying the fuel gas and the oxidant gas, for example, there is a bubbler that performs humidification through the fuel gas and the oxidant gas in warm water heated by a heater (see, for example, Patent Document 1).
一方、燃料電池の空気極側から排出される排出空気(オフガス)に含まれる水分(水蒸気)を、水蒸気透過膜を介して前記燃料電池の空気極側に供給する空気に移動させ、それにより供給空気の加湿を行う加湿装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。 On the other hand, moisture (water vapor) contained in the exhaust air (off gas) discharged from the air electrode side of the fuel cell is moved to the air supplied to the air electrode side of the fuel cell through the water vapor permeable membrane, and supplied thereby A humidifier that humidifies air is known (for example, see Patent Document 2).
この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行うことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図るものである。
しかしながら、上記特許文献1に記載の加湿手段は、前記バブラーにおいて、水を加熱するためにエネルギーを消費するため、燃料電池システムのエネルギー効率の低下を招くものである。
However, the humidifying means described in
また、上記特許文献2に記載の加湿装置は、被加湿ガス(ここでは加湿される供給空気)を、加湿ガス(ここでは水分の供給元となる排出空気)以上の露点温度に加湿することができず、また、被加湿ガスを高露点温度まで加湿するには、大きな膜面積の水蒸気透過膜が必要となり、よって、加湿装置の規模が大きくなるものである。
Further, the humidifier described in
したがって、かかる加湿装置は、燃料電池システムのコンパクト化が困難となるものであった。 Therefore, it is difficult to make the fuel cell system compact with this humidifier.
本発明は、上記従来の燃料電池システムが有する課題を解決するもので、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することにより、システム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化及び製造時の品質向上が図れた燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems of the conventional fuel cell system. By reducing the energy required for humidifying the gas supplied to the fuel cell, the energy efficiency of the entire system is improved and the system is made compact. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can stabilize system operation, reduce costs, and improve quality during manufacture.
上記課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、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と、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と、前記燃料電池の発電時に発生する熱を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路とを有する燃料電池システムであって、前記冷却水経路を流れる冷却水は、前記燃料ガス加湿器で前記供給燃料ガスを加温した後、前記酸化剤ガス加湿器で前記供給酸化剤ガスを加湿するとともに、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスは前記酸化剤ガス加湿器内を貫通する貫通穴を通り、その後前記燃料ガス加湿器で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を設けて構成した燃料電池システムとしたものである。
In order to solve the above problems, the present invention provides 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 the fuel cell. containing gas humidifier to humidify the supply oxidizing gas supplied, a fuel cell system which have a cooling water passage through which cooling water flows for cooling the heat generated during power generation of the fuel cell, the cooling water flowing through the cooling water path, after heating the supply fuel gas in the fuel gas humidifier, while humidifying the supply oxidant gas in the oxidant gas humidifier, which is discharged from the fuel cell A fuel cell system configured to provide an exhaust fuel gas path so that exhaust fuel gas passes through a through-hole penetrating the inside of the oxidant gas humidifier, is then humidified by the fuel gas humidifier, and flows out of the humidifier; did Than is.
したがって、前記排出燃料ガス経路は、前記燃料ガス加湿器で加湿する前に、前記酸化剤ガス加湿器の近傍を通るように設けた結果、排出燃料ガスの加湿前の温度を前記燃料電池出口での温度より低く、かつ前記酸化剤ガス加湿器の温度に抑制することができ、一定量の水量を回収するため、効率の高いシステムを提供することができる。 Therefore, the exhaust fuel gas path is provided so as to pass through the vicinity of the oxidant gas humidifier before being humidified by the fuel gas humidifier. As a result, the temperature before humidification of the exhaust fuel gas is set at the outlet of the fuel cell. Therefore, the temperature of the oxidant gas humidifier can be reduced, and a certain amount of water is recovered, so that a highly efficient system can be provided.
本発明の燃料電池システムは、エネルギー効率を向上させるとともに、耐久性に優れ、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。また、燃料電池システムのコンパクト化及び簡素化が図れ、また、低コスト化及び製造時の工数低減と品質向上を図ることが可能となる。 The fuel cell system of the present invention improves energy efficiency and is excellent in durability and can realize stable operation of the fuel cell system. In addition, the fuel cell system can be made compact and simplified, and the cost can be reduced, the number of man-hours during manufacturing, and the quality can be improved.
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、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と、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と、前記燃料電池の発電時に発生する熱を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路とを有する燃料電池システムであって、前記冷却水経路を流れる冷却水は、前記燃料ガス加湿器で前記供給燃料ガスを加温した後、前記酸化剤ガス加湿器で前記供給酸化剤ガスを加湿するとともに、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスは前記酸化剤ガス加湿器内を貫通する貫通穴を通り、その後前記燃料ガス加湿器で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を設けて構成した燃料電池システムとする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided 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 supply oxidation supplied to the fuel cell. agent and the oxidizing gas humidifier for humidifying gas, a the fuel cell fuel cell system which have a cooling water passage through which cooling water for cooling the heat generated during power generation flows of flowing through the cooling water passage cooling water, after heating the supply fuel gas in the fuel gas humidifier, while humidifying the supply oxidant gas in the oxidant gas humidifier, exhaust fuel gas discharged from the fuel cell the oxidation The fuel cell system is configured by providing an exhaust fuel gas path so as to pass through a through-hole penetrating the inside of the agent gas humidifier, and then humidify by the fuel gas humidifier and flow out of the humidifier.
かかる構成とすることにより、前記排出燃料ガス経路は、前記燃料ガス加湿器で加湿する前に、前記第1の酸化剤ガス加湿器と前記第2の酸化剤ガス加湿器の少なくとも一方の近傍を通るように設けた結果、排出燃料ガスの加湿前の温度を前記燃料電池出口での温度より低く、かつ前記酸化剤ガス加湿器の温度に抑制することができ、一定量の水量を回収するため、効率の高いシステムを提供することができる。 By adopting such a configuration, the exhaust fuel gas path is provided in the vicinity of at least one of the first oxidant gas humidifier and the second oxidant gas humidifier before being humidified by the fuel gas humidifier. As a result, the temperature before the humidification of the exhaust fuel gas is lower than the temperature at the outlet of the fuel cell and can be suppressed to the temperature of the oxidant gas humidifier, and a certain amount of water is recovered. Can provide a highly efficient system.
第2の発明は、第1の発明において、酸化剤ガス加湿器は、第1の酸化剤ガス加湿器と第2の酸化剤ガス加湿器を備え、前記第2の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料ガス加湿器及び前記第1の酸化剤ガス加湿器の間に配置され、前記排出燃料ガス経路において、前記排出燃料ガスは、前記第1の酸化剤ガス加湿器及び前記第2の酸化剤ガス加湿器のうちの少なくとも一方に設けられた前記貫通穴を通り、その後前記燃料ガス加湿器で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を構成した燃料電池システムとする。 In a second aspect based on the first aspect, the oxidant gas humidifier comprises a first oxidant gas humidifier and a second oxidant gas humidifier, and the second oxidant gas humidifier comprises: The exhaust gas is disposed between the fuel gas humidifier and the first oxidant gas humidifier, and in the exhaust fuel gas path, the exhaust fuel gas is the first oxidant gas humidifier and the second oxidant. A fuel cell system is configured in which an exhaust fuel gas path is configured to pass through the through hole provided in at least one of the gas humidifiers, and then humidify by the fuel gas humidifier and flow out of the humidifier.
かかる構成とすることにより、前記排出燃料ガス経路を前記第1の酸化剤ガス加湿器のケーシング内と前記第2の酸化剤ガス加湿器の第1の流路プレート内の少なくとも一方に排出燃料ガス貫通穴を設けたため、排出燃料ガス温度を更に制度よく制御でき、システム全体のエネルギー効率の向上が図れ、また前記酸化剤・燃料ガス加湿装置をよりコンパクト化することができる。 With this configuration, the exhaust fuel gas path is routed to at least one of the casing of the first oxidant gas humidifier and the first flow path plate of the second oxidant gas humidifier. Since the through hole is provided, the exhaust fuel gas temperature can be controlled more systematically, the energy efficiency of the entire system can be improved, and the oxidizer / fuel gas humidifier can be made more compact.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following embodiments.
(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。
(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) according to
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
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
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 supplied from the
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。前記原料としては、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
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
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。該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、加湿される。
And in the
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空気と、燃料極側に供給された水素リッチなガス(以下、燃料ガスと称す)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
第3の空気経路3から燃料電池11に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気となり、第1の排出酸化剤ガス経路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 air supplied from the
前述の第1の空気経路1から第1の酸化剤ガス加湿器22へ流入した空気(酸化剤ガス)の加湿は、ここで排出空気に含まれる水分を利用して行われるもので、厳密には前記排出空気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行われている。
Humidification of the air (oxidant gas) flowing into the first
そして、第1の酸化剤ガス加湿器22を経た排出空気は、第2の排出酸化剤ガス経路5を通じて排出される。
Then, the exhaust air that has passed through the first
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10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10aを通じて排出される。
The fuel gas that has not been used for the reaction in the
前述の燃料処理装置42で生成された水素リッチなガスの加湿は、第4の燃料ガス経路10を介して第2の酸化剤ガス加湿器21へ流入した排出ガスの水分を利用して行われるもので、厳密には前記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行われている。
Humidification of the hydrogen-rich gas generated by the
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、そして、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、ここで熱回収される。
Further, the cooling water whose heat has been recovered by the
すなわち、前記冷却水は、第4の燃料ガス経路10を介して燃料ガス加湿器20に供給された排出ガスの凝縮水を加温し、その後、第2の加湿器21へ流れ、ここで燃料電池11へ供給される空気(酸化剤ガス)の加湿を行う。この第2の加湿器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、湿熱交換作用が行われている。
That is, the cooling water heats the condensed water of the exhaust gas supplied to the
換言すると、空気供給装置40から供給される空気の加湿(湿熱交換作用)は、第1の酸化剤ガス加湿器22では第1の排出酸化剤ガス経路4から流入する排出ガスの水分と熱を利用して、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それぞれ行われるものである。
In other words, the humidification (wet heat exchange action) of the air supplied from the
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
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に供給される循環を繰り返す。
Further, the cooling water that has passed through the cooling
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
さらに、前記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, the cooling water will be described in detail. The cooling water whose temperature is about 75 ° C. by recovering the heat of the
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、前記冷却水の熱は、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
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、該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および酸化剤ガス・燃料ガス加湿装置51について説明する。
Further, in the first embodiment, the
図2、図3、図4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, 3, and 4 are explanatory diagrams for explaining the configuration of the oxidizer / fuel gas humidifier in the fuel cell system shown in FIG. 1 and the wet heat exchange action.
図2、図3、図4において、酸化剤ガス・燃料ガス加湿装置51は第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と当接され、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が介挿されて構成されている。なお、第1の酸化剤ガス加湿器は中空糸膜式構成とする。
2, 3, and 4, the oxidant gas /
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、排出燃料ガス入口68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、第1の酸化剤ガス加湿器22は、第1の加湿モジュール75と第1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と、ケーシング76に排出燃料ガスを通過させる貫通穴102より構成されている。
The
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と水分移動膜23を積層して構成され、第1の流路プレート77は片面に供給酸化剤ガス流路78、他の面に第1の冷却水流路79が構成され、供給酸化剤ガス入口マニホールド80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、排出燃料ガス貫通穴84とを有して構成されている。
The second
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、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の冷却水流路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の間に水分移動膜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、第2の冷却水出口マニホールド91と、排出燃料ガス入口マニホールド92と、排出燃料ガス出口マニホールド93と、供給酸化剤ガス貫通穴94と、供給燃料ガス貫通穴95a、95bと冷却水回収穴101とを有し、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、第2の冷却水出口穴99と、排出燃料ガス貫通穴100と、酸化剤ガス貫通穴94と冷却水回収穴101より構成されている。燃料ガス加湿器20と第2の酸化剤ガス加湿器21は、内部が水分移動膜(水蒸気透過膜)23で区切られており、水分移動膜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いる。
In addition, the
ここで、水分移動膜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, as the
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、単一の加湿装置51となるようにユニット化されている。
Further, the
上記構成とする加湿装置51の各加湿器20、21、22には、排出燃料ガスが次のように流れる。
The exhaust fuel gas flows through the
前記燃料ガスは、燃料ガス加湿器20の供給燃料ガス流路89に流入し、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前記酸化剤ガスと反応する。この反応に伴って凝縮水も発生し、前記酸化剤ガスと反応せずに残った燃料ガスは前記凝縮水とともに第4の燃料ガス経路10から再び酸化剤・燃料ガス加湿装置51に流入し、第3の流路プレート85の排出燃料ガス流路87に前記燃料ガスの加湿に必要な水量を一旦回収・貯水する。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10aを通じて排出される。
The fuel gas flows into the supply fuel
排出燃料ガス流路87内の凝縮水の水分(水蒸気)は、水分移動膜(水蒸気透過膜)23の水分を透過させる作用により、燃料ガス室89へ透過する。
The moisture (water vapor) of the condensed water in the exhaust fuel
また、排出燃料ガス流路87には、熱伝導性の良好な材料からなる第2の流路プレート85を介して第2の冷却水流路88が配設されている。第2の冷却水流路88を流れる冷却水は、燃料電池11を出たとき、約75℃程度に加温されているが排出燃料ガス流路87で滞留し温度が50℃程度にまで降下する。しかし第2の冷却水流路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。
The exhaust
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)も所定の温度であり、前記凝縮水分は、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 moisture (water vapor) that has passed through the supply
また、排出燃料ガスは、第4の燃料ガス経路10から第1の酸化剤ガス加湿器22のケーシングに設けられた貫通穴102を通過し、第2の酸化剤ガス加湿器21に流入する。第2の酸化剤ガス加湿器では、酸化剤ガス端板63と水分移動膜23と第1の流路プレート77に設けた排出燃料ガス貫通穴84を排出燃料ガスが通過するが、このとき、第1の酸化剤ガス加湿器22と第2の酸化剤ガス加湿器21は、前記供給酸化剤ガスの温度と露点を前記排出燃料ガス温度よりも低い所定の値に保持しており、酸化剤ガス加湿器50の本体も前記排出燃料ガス温度よりも低い一定温度を維持している。よって、酸化剤ガス加湿器50を通過した前記排出燃料ガスは、前記燃料電池を出た直後の温度よりも一定の温度が低下してから前記燃料ガス加湿器に流入するため、前記燃料ガス加湿器で加湿する水量を一定量確保することができる。
Further, the exhausted fuel gas passes through the through
このように本実施の形態1においては、前記排出燃料ガス経路は、前記燃料ガス加湿器で加湿する前に、前記第1の酸化剤ガス加湿器と前記第2の酸化剤ガス加湿器の少なくとも一方の近傍を通るように設けた結果、排出燃料ガスの加湿前の温度を前記燃料電池出口での温度より低く、かつ前記酸化剤ガス加湿器の温度に抑制することができ、一定量の水量を回収するため、効率の高いシステムを提供することができる。 As described above, in the first embodiment, the exhaust fuel gas path is connected to at least the first oxidant gas humidifier and the second oxidant gas humidifier before being humidified by the fuel gas humidifier. As a result of passing through one vicinity, the temperature before humidification of the exhausted fuel gas can be suppressed to a temperature lower than the temperature at the outlet of the fuel cell and to the temperature of the oxidant gas humidifier, and a certain amount of water Therefore, a highly efficient system can be provided.
また、前記排出燃料ガス経路を前記第1の酸化剤ガス加湿器のケーシング内と前記第2の酸化剤ガス加湿器の第1の流路プレート内の少なくとも一方に排出燃料ガス貫通穴を設けたため、排出燃料ガス温度を更に制度よく制御でき、システム全体のエネルギー効率の向上が図れ、また前記酸化剤・燃料ガス加湿装置をよりコンパクト化することができる。 Further, since the exhaust fuel gas path is provided in at least one of the casing of the first oxidant gas humidifier and the first flow path plate of the second oxidant gas humidifier, the exhaust fuel gas through hole is provided. The exhaust gas temperature can be controlled more systematically, the energy efficiency of the entire system can be improved, and the oxidizer / fuel gas humidifier can be made more compact.
なお、本実施の形態1においては、第1の酸化剤ガス加湿器22を中空糸膜式加湿器構成としたが、燃料ガス加湿器20の平膜を用いた加湿器構成としてもよい。
In the first embodiment, the first
以上のように本発明にかかる燃料電池システムは、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、電気自動車等へも適用できるものである。 As described above, the fuel cell system according to the present invention improves the energy efficiency of the entire system, and can be downsized and stably operated, and can be applied to electric vehicles and the like.
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の排出酸化剤ガス経路
5 第2の排出酸化剤ガス経路
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
7 冷却水経路
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 水分移動膜
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
76 ケーシング
77 第1の流路プレート
84 排出燃料ガス貫通穴
102 貫通穴
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記冷却水経路を流れる冷却水は、前記燃料ガス加湿器で前記供給燃料ガスを加温した後、前記酸化剤ガス加湿器で前記供給酸化剤ガスを加湿するとともに、
前記燃料電池から排出された排出燃料ガスは、前記酸化剤ガス加湿器内を貫通する貫通穴を通り、その後前記燃料ガス加湿器で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を設けて構成した燃料電池システム。 A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas, a fuel gas humidifier that humidifies the supply fuel gas supplied to the fuel cell, and an oxidation that humidifies the supply oxidant gas supplied to the fuel cell containing gas humidifier, a fuel cell system which have a cooling water passage through which cooling water flows for cooling the heat generated during power generation of the fuel cell,
Cooling water flowing through the cooling water path, after heating the supply fuel gas in the fuel gas humidifier, while humidifying the supply oxidant gas in the oxidant gas humidifier,
The exhaust fuel gas discharged from the fuel cell passes through a through hole penetrating the inside of the oxidant gas humidifier, and is then humidified by the fuel gas humidifier, and is discharged to the outside of the humidifier. A fuel cell system provided and configured.
前記第2の酸化剤ガス加湿器は、前記燃料ガス加湿器及び前記第1の酸化剤ガス加湿器の間に配置され、
前記排出燃料ガス経路において、前記排出燃料ガスは、前記第1の酸化剤ガス加湿器及び前記第2の酸化剤ガス加湿器のうちの少なくとも一方に設けられた前記貫通穴を通り、その後前記燃料ガス加湿器で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を構成したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The oxidant gas humidifier includes a first oxidant gas humidifier and a second oxidant gas humidifier,
The second oxidant gas humidifier is disposed between the fuel gas humidifier and the first oxidant gas humidifier;
In the exhaust fuel gas path, the exhaust fuel gas passes through the through hole provided in at least one of the first oxidant gas humidifier and the second oxidant gas humidifier, and then the fuel 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the exhaust fuel gas path is configured so as to be humidified by a gas humidifier and to flow out of the humidifier.
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