JP5380107B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池システムの構成要素および構成要素を冷却するためのラジエータ等の冷却手段を小型化する技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a technology for miniaturizing components of a fuel cell system and cooling means such as a radiator for cooling the components.

燃料電池としては、平板状の膜電極構造体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極(空気極、カソード)および負極(燃料極、アノード)を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。   As a fuel cell, a laminated body in which separators are laminated on both sides of a flat membrane electrode assembly (MEA) is used as a unit cell, and a plurality of unit cells, for example, several hundred layers are laminated to form a fuel cell stack. A fuel cell configured as is known. The membrane electrode structure has a three-layer structure in which an electrolyte membrane made of an ion exchange resin or the like is sandwiched between a pair of electrodes constituting a positive electrode (air electrode, cathode) and a negative electrode (fuel electrode, anode). According to such a fuel cell, for example, when a fuel gas is caused to flow through a gas passage facing the gas diffusion electrode on the fuel electrode side and an oxidant gas is caused to flow through a gas passage facing the gas diffusion electrode on the air electrode side, A chemical reaction occurs, generating electricity.

ここで、上記のような電気化学反応を安定させるためには、膜電極構造体が湿潤していることが望ましい。たとえば、特許文献1には、燃料ガス通路内で燃料ガスに発電生成水が水蒸気となって加わることにより、水蒸気分圧が上昇した使役後の燃料オフガスを加湿ガスとし、未使役の燃料ガスを加湿する燃料電池システムが開示されている。   Here, in order to stabilize the electrochemical reaction as described above, it is desirable that the membrane electrode structure is wet. For example, Patent Document 1 discloses that a power generation product water is added to a fuel gas in the fuel gas passage as a steam, so that the used fuel off-gas whose steam partial pressure has increased is used as a humidified gas, and an unused fuel gas is used as a fuel gas. A humidifying fuel cell system is disclosed.

ところで、近年、燃料電池の高性能化に伴って膜電極構造体は薄くなる傾向にあり、電気化学反応で生成され空気極側に出てくる水が燃料極側へ移動するという現象が生じるようになってきた。このため、燃料ガスを加湿すると燃料極の湿潤状態が過剰となり、燃料と燃料極との接触が妨げられるフラッディングと呼ばれる現象が生じる。一方、空気極側は、湿潤の程度が過剰でも電気化学反応にはさほど差し障りがない場合のあることが知られている。したがって、最近では、燃料ガスを加湿するよりも酸化剤ガスを加湿する技術が重要視されてきている。   By the way, in recent years, the membrane electrode structure tends to become thinner as the performance of the fuel cell becomes higher, and the phenomenon that the water generated by the electrochemical reaction and coming out to the air electrode side moves to the fuel electrode side seems to occur. It has become. For this reason, when the fuel gas is humidified, a wet state of the fuel electrode becomes excessive, and a phenomenon called flooding occurs in which contact between the fuel and the fuel electrode is hindered. On the other hand, on the air electrode side, it is known that there are cases in which the electrochemical reaction is not so hindered even when the degree of wetting is excessive. Therefore, recently, a technique for humidifying the oxidant gas rather than humidifying the fuel gas has been emphasized.

酸化剤ガスを加湿する従来の燃料電池システムとしては、たとえば、図2に示すものが知られている。この図に示す燃料電池システムAは、燃料電池の単位セルを多数積層した燃料電池スタック1と、熱交換器2と、コンプレッサ3と、加湿器4とを直列に接続して概略構成されている。この燃料電池システムAには、ラジエータ5が接続され、ラジエータ5と、燃料電池スタック1、熱交換器2、およびコンプレッサ3との間において冷却媒体が循環するようになっている。   As a conventional fuel cell system for humidifying oxidant gas, for example, the one shown in FIG. 2 is known. A fuel cell system A shown in this figure is schematically configured by connecting a fuel cell stack 1 in which a large number of unit cells of a fuel cell are stacked, a heat exchanger 2, a compressor 3, and a humidifier 4 in series. . A radiator 5 is connected to the fuel cell system A, and a cooling medium circulates between the radiator 5, the fuel cell stack 1, the heat exchanger 2, and the compressor 3.

上記構成の燃料電池システムAでは、空気は、先ず加湿器4に供給されて加湿され、次いでコンプレッサ2に供給されて加圧される。その際の加圧により空気の温度が上昇するので、熱交換器2によって燃料電池の作動温度まで冷却されて燃料電池スタック1に供給される。一方、燃料電池スタック1には、図示しない供給手段により水素などの燃料ガスが供給され、燃料ガスと空気とが電気化学反応を起こすことにより発電が生じる。そして、燃料電池において使役済みの空気(空気オフガス)は、加湿器4に供給され、空気オフガスに含まれる水蒸気が供給空気に水分交換され、供給空気が加湿される。   In the fuel cell system A configured as described above, air is first supplied to the humidifier 4 and humidified, and then supplied to the compressor 2 and pressurized. Since the temperature of the air rises due to the pressurization at that time, the air is cooled to the operating temperature of the fuel cell by the heat exchanger 2 and supplied to the fuel cell stack 1. On the other hand, fuel gas such as hydrogen is supplied to the fuel cell stack 1 by a supply means (not shown), and electric power is generated by causing an electrochemical reaction between the fuel gas and air. The air (air off gas) that has been used in the fuel cell is supplied to the humidifier 4, the water vapor contained in the air off gas is exchanged with the supply air, and the supply air is humidified.

実開昭61−3671号公報Japanese Utility Model Publication No. 61-3671

しかしながら、上記のような燃料電池システムでは、ラジエータ5から燃料電池スタック1、熱交換器2、およびコンプレッサ3に冷却媒体を供給して冷却するから、ラジエータが大型化するとともに、冷却媒体を循環させるための配管がスペースを占め、例えば車両用の燃料電池システムに適用した際は、エンジンルーム内のレイアウト設計に制約を受けるという問題があった。また、燃料電池システムを小型化したいという強い要請があった。   However, in the fuel cell system as described above, the cooling medium is supplied from the radiator 5 to the fuel cell stack 1, the heat exchanger 2, and the compressor 3 for cooling, so that the radiator is enlarged and the cooling medium is circulated. For example, when it is applied to a fuel cell system for a vehicle, there is a problem that a layout design in the engine room is restricted. There has also been a strong demand to downsize the fuel cell system.

したがって、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、ラジエータおよびシステムの構成要素を小型化することができるとともに、冷却媒体を循環させるための配管を減らしてレイアウト設計の自由度を上げることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and it is possible to reduce the size of the radiator and the system components, and to reduce the number of piping for circulating the cooling medium, thereby reducing the layout design. It aims at providing the fuel cell system which can raise a freedom degree.

本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて該燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに含まれる水分を前記燃料電池に供給される酸化剤ガスに移す加湿手段と、前記酸化剤ガスを圧縮して前記燃料電池に送り込むコンプレッサと、前記コンプレッサを流通した後前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却する熱交換手段と、前記燃料電池から排出された燃料ガスを凝縮して凝縮水として貯留する凝縮手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスを前記熱交換手段に流通させて加熱した後、前記加湿手段に加湿源として流通させ、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに前記凝縮水を供給し、該酸化剤ガスを前記熱交換手段に流通させて加熱した後、前記加湿手段に加湿源として流通させることを特徴としている。
The present invention, fuel gas and a fuel cell oxidant gas is supplied for power generation by electrochemical reactions of the fuel gas and the oxidizing gas, the fuel moisture contained in the discharged oxidizing gas from the fuel cell Humidification means for transferring to the oxidant gas supplied to the battery, a compressor for compressing the oxidant gas and sending it to the fuel cell, and heat for cooling the oxidant gas supplied to the fuel cell after passing through the compressor In a fuel cell system comprising an exchange means and a condensation means for condensing the fuel gas discharged from the fuel cell and storing it as condensed water, the oxidant gas discharged from the fuel cell is circulated to the heat exchange means after heating by, is circulated as a humidification source to the humidifying means, the condensed water is supplied to the oxidant gas discharged from the fuel cell, the heat exchange of the oxidizing agent gas After heating by circulation to the means, it is characterized by circulating the humidifying source to the humidifying means.

上記構成の燃料電池システムにあっては、燃料電池から排出された反応ガスを熱交換手段に流通させて加熱するから、反応ガスに随伴された凝縮水が反応ガスの温度上昇に伴って蒸発し、反応ガス中の水蒸気分圧が増加する。そして、このときの蒸発の潜熱がコンプレッサで圧縮されて高温となった反応ガスを冷却する。したがって、熱交換手段にはラジエータから冷却媒体を供給する必要がないので、冷却手段を小型化することができるとともに、冷却手段と熱交換手段との間の配管が不要となる。また、水蒸気分圧が増加した反応ガスが加湿手段に加湿源として流通するので、加湿手段における加湿効率が向上する。従って、加湿手段を小型化することができる。   In the fuel cell system configured as described above, the reaction gas discharged from the fuel cell is heated by circulating it through the heat exchanging means. Therefore, the condensed water accompanying the reaction gas evaporates as the temperature of the reaction gas rises. The water vapor partial pressure in the reaction gas increases. Then, the latent heat of evaporation at this time is compressed by the compressor to cool the reaction gas that has become high temperature. Therefore, it is not necessary to supply a cooling medium from the radiator to the heat exchanging means, so that the cooling means can be reduced in size and piping between the cooling means and the heat exchanging means becomes unnecessary. Further, since the reaction gas having an increased water vapor partial pressure flows as a humidification source to the humidification means, the humidification efficiency in the humidification means is improved. Therefore, the humidifying means can be reduced in size.

また、本発明においては、排出酸化剤ガスと排出燃料ガスに含まれる水分を無駄にすることなく加湿源として利用することができるので、加湿器をさらに小型化することができる。
In the present invention, since the moisture contained in the exhaust oxidant gas and the exhaust fuel gas can be used as a humidification source without wasting, the humidifier can be further downsized.

本発明によれば、ラジエータおよび加湿手段を小型化することができるとともに、冷却媒体を循環させるための配管を減らしてレイアウト設計の自由度を上げることができる等の効果が得られる。   According to the present invention, it is possible to reduce the size of the radiator and the humidifying means, and to obtain an effect that the degree of freedom in layout design can be increased by reducing piping for circulating the cooling medium.

本発明の実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。1 is a system diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 従来の燃料電池システムを示す系統図である。It is a systematic diagram showing a conventional fuel cell system. 実施形態の燃料電池システムの各所における空気オフガスのパラメータを示すグラフである。It is a graph which shows the parameter of the air off gas in each place of the fuel cell system of embodiment.

以下、図1を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は実施形態の燃料電池システムBを示す図である。図1において符号10は燃料電池スタックであり、燃料電池スタック10は、燃料電池の単位セルを多数積層して構成されている。燃料電池スタック10には、熱交換器(熱交換手段)20が接続され、熱交換器20には、コンプレッサ30が接続されている。また、コンプレッサ30には、加湿器(加湿手段)40が接続されている。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram illustrating a fuel cell system B according to an embodiment. In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a fuel cell stack, and the fuel cell stack 10 is configured by stacking a large number of unit cells of a fuel cell. A heat exchanger (heat exchange means) 20 is connected to the fuel cell stack 10, and a compressor 30 is connected to the heat exchanger 20. Further, a humidifier (humidifying means) 40 is connected to the compressor 30.

燃料電池スタック10、熱交換器20、コンプレッサ30、および加湿器40は、第1配管21によって直列に接続されている。第1配管21には空気が供給され、この空気を熱交換器20の高温媒体流路に供給する。また、燃料電池スタック10、熱交換器20、および加湿器40は、第2配管22によって直列に接続されている。第2配管22には、燃料電池スタック10から排出されるカソード排出ガスが排出され、このカソード排出ガスを熱交換器20の冷却媒体流路に供給する。   The fuel cell stack 10, the heat exchanger 20, the compressor 30, and the humidifier 40 are connected in series by the first pipe 21. Air is supplied to the first pipe 21, and this air is supplied to the high-temperature medium flow path of the heat exchanger 20. The fuel cell stack 10, the heat exchanger 20, and the humidifier 40 are connected in series by the second pipe 22. The cathode exhaust gas discharged from the fuel cell stack 10 is discharged to the second pipe 22, and this cathode exhaust gas is supplied to the cooling medium flow path of the heat exchanger 20.

ここで、加湿器40は、ハウジング41に、水分交換のための中空糸膜を多数平行に束ねたものを内蔵して構成されている。中空糸膜は中空状の細い糸の膜であって、その膜は、ガスの浸透は阻止するが水分すなわち水分子の浸透は許容するという性質を有する。この場合、水分は水蒸気分圧の高い方向から低い方向に中空糸膜を介して浸透する。したがって、中空糸膜の内側に相対湿度の低いガスを流通させ、外側に相対湿度の高いガスを流通させると、水分は中空糸膜の外側から内部に浸透し、相対湿度の低いガス中に拡散してその湿度を上昇させる。なお、中空糸膜の内側に相対湿度の高いガスを流通させ、外側に相対湿度の低いガスを流通させても同じ作用を得ることができる。   Here, the humidifier 40 includes a housing 41 in which a plurality of hollow fiber membranes for exchanging water are bundled in parallel. The hollow fiber membrane is a hollow thin yarn membrane that has the property of preventing the permeation of gas but allowing the permeation of moisture, that is, water molecules. In this case, moisture permeates through the hollow fiber membrane from the direction of high water vapor partial pressure to the low direction. Therefore, when a gas with a low relative humidity is circulated inside the hollow fiber membrane and a gas with a high relative humidity is circulated outside, the moisture permeates from the outside to the inside of the hollow fiber membrane and diffuses into the gas with a low relative humidity. And increase its humidity. The same effect can be obtained even if a gas having a high relative humidity is circulated inside the hollow fiber membrane and a gas having a low relative humidity is circulated outside.

この実施形態では、第1配管21が中空糸膜の内側に接続されている。具体的には、中空糸膜の束の上流側の端面に設けた被加湿ガス供給口42に、第1配管21が接続されている。したがって、中空糸膜の内側には加湿されていない相対湿度の低い空気が供給される。また、中空糸膜の束の下流側の端面に設けた被加湿ガス排出口43には、コンプレッサ30が接続されている。   In this embodiment, the 1st piping 21 is connected inside the hollow fiber membrane. Specifically, the first pipe 21 is connected to a humidified gas supply port 42 provided on the upstream end face of the bundle of hollow fiber membranes. Therefore, air with low relative humidity that is not humidified is supplied to the inside of the hollow fiber membrane. A compressor 30 is connected to the humidified gas outlet 43 provided on the downstream end face of the bundle of hollow fiber membranes.

中空糸膜の束の外周側にはカソード排出ガス供給口44とカソード排出ガス排出口45とが設けられ、カソード排出ガス供給口44には、第2配管22が接続されている。なお、図示は省略するが、燃料電池スタック10およびコンプレッサ30には、ラジエータなどの冷却手段で冷却された冷却媒体が循環して冷却するようになっている。   A cathode exhaust gas supply port 44 and a cathode exhaust gas discharge port 45 are provided on the outer peripheral side of the bundle of hollow fiber membranes, and the second pipe 22 is connected to the cathode exhaust gas supply port 44. Although illustration is omitted, a cooling medium cooled by a cooling means such as a radiator is circulated and cooled in the fuel cell stack 10 and the compressor 30.

燃料電池スタック10には、エゼクタ50が接続され、エゼクタ50には水素などの燃料ガスが充填された燃料タンク60が接続されている。また、燃料電池スタック10には、凝縮手段70が接続されている。凝縮手段70としては、凝縮水を貯留するように構成されたキャッチタンクが好適であるが、パイプのようなものであってもよい。凝縮手段70は、燃料電池で生成される水分とガス分とを気液分離し、エゼクタ50は、燃料タンク60から燃料電池スタック10への燃料ガスの流れによって負圧を形成する。この負圧で凝縮手段70で凝縮水と分離されたガス分を吸い込み、燃料タンク60から供給される燃料ガスと混合して所定の燃料ガス濃度とし、これを燃料電池スタック10へ供給する。   An ejector 50 is connected to the fuel cell stack 10, and a fuel tank 60 filled with a fuel gas such as hydrogen is connected to the ejector 50. Further, the fuel cell stack 10 is connected with a condensing means 70. The condensing means 70 is preferably a catch tank configured to store condensed water, but may be a pipe. The condensing means 70 gas-liquid separates the moisture and gas generated in the fuel cell, and the ejector 50 forms a negative pressure by the flow of fuel gas from the fuel tank 60 to the fuel cell stack 10. The gas separated from the condensed water by the condensing means 70 is sucked in by this negative pressure and mixed with the fuel gas supplied from the fuel tank 60 to obtain a predetermined fuel gas concentration, which is supplied to the fuel cell stack 10.

燃料電池スタック10には、中継ボックス80が配管23を介して接続されている。凝縮手段70においてアノード排出ガスから分離された凝縮水とエゼクタ50に吸い込まれなかった燃料ガスは、第3配管23を流通して中継ボックス80に供給される。そして、それら凝縮水と燃料ガスは、燃料電池スタック10と熱交換器20の中間の第2配管22に供給される。   A relay box 80 is connected to the fuel cell stack 10 via a pipe 23. The condensed water separated from the anode exhaust gas in the condensing means 70 and the fuel gas not sucked into the ejector 50 are supplied to the relay box 80 through the third pipe 23. The condensed water and fuel gas are supplied to the second pipe 22 between the fuel cell stack 10 and the heat exchanger 20.

次に、上記構成の燃料電池システムBの動作を説明する。燃料電池システムBを作動させて発電する際には、空気は、加湿器40、コンプレッサ30、熱交換器20を順番に流通して燃料電池スタック10に供給される。一方、燃料電池スタック10には、燃料タンク60からエゼクタ50を経て燃料ガスが供給され、燃料ガスと空気とが電気化学反応を起こすことにより発電が生じる。そして、使役後の燃料ガスはアノード排出ガスとなって凝縮手段70に吸い込まれ、そこで気液分離される。凝縮手段70において分離された燃料ガスを含むガス分は、エゼクタ50に吸引され、燃料タンク60から供給される燃料ガスに混合されて燃料電池スタック10に供給される。また、凝縮手段70において分離された凝縮水は貯留され、エゼクタ50に吸い込まれなかった燃料ガスとともに第3配管23を流通して中継ボックス80に供給される。   Next, the operation of the fuel cell system B configured as described above will be described. When power is generated by operating the fuel cell system B, air is supplied to the fuel cell stack 10 through the humidifier 40, the compressor 30, and the heat exchanger 20 in order. On the other hand, fuel gas is supplied to the fuel cell stack 10 from the fuel tank 60 via the ejector 50, and electric power is generated by causing an electrochemical reaction between the fuel gas and air. The fuel gas after use becomes anode discharge gas and is sucked into the condensing means 70 where it is gas-liquid separated. The gas component including the fuel gas separated in the condensing means 70 is sucked into the ejector 50, mixed with the fuel gas supplied from the fuel tank 60, and supplied to the fuel cell stack 10. Further, the condensed water separated in the condensing means 70 is stored, and flows through the third pipe 23 together with the fuel gas that has not been sucked into the ejector 50 and is supplied to the relay box 80.

中継ボックス80に供給された凝縮水および燃料ガスは、燃料電池スタック10と熱交換器20の中間の第2配管22に供給され、燃料電池スタック10から排出されたカソード排出ガスと混合される。そして、これら排出流分は、熱交換器20の冷却媒体流路に供給される。一方、熱交換器の高温媒体流路には、コンプレッサ30で加圧されて高温となった空気が送り込まれている。このため、排出流分の温度が上昇し、排出流分に含まれた凝縮水が温度上昇に伴って蒸発し、排出流分の水蒸気分圧が増加する。そして、このときの蒸発の潜熱がコンプレッサ30で圧縮されて高温となった排出流分を冷却する。   The condensed water and fuel gas supplied to the relay box 80 are supplied to the second pipe 22 between the fuel cell stack 10 and the heat exchanger 20 and mixed with the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell stack 10. Then, these discharged flow components are supplied to the cooling medium flow path of the heat exchanger 20. On the other hand, air that has been pressurized by the compressor 30 to a high temperature is fed into the high-temperature medium flow path of the heat exchanger. For this reason, the temperature of the discharged stream rises, the condensed water contained in the discharged stream evaporates as the temperature rises, and the water vapor partial pressure of the discharged stream increases. The latent heat of evaporation at this time is compressed by the compressor 30 to cool the exhausted stream.

図3は、燃料電池システムBにおける各所での排出流分のパラメータを示すグラフである。図3(A)は、燃料電池スタック10から排出された直後のカソード排出ガスのパラメータを示し、図3(B)は、そのカソード排出ガスに中継ボックス80から供給された凝縮水および燃料ガスが混合された後のパラメータを示す。これらの図から、凝縮水が増えた以外はいずれのパラメータにも変化は見られない。しかしながら、排出流分が熱交換器20から排出された後は、図3(C)に示すように、加熱されたことにより温度と露点は上昇している。一方、凝縮水が蒸発により減少した反面、水蒸気の量が増加している。したがって、凝縮水の量が充分であれば、排出流分の相対湿度を100%まで高めることができる。   FIG. 3 is a graph showing parameters of the discharged flow at various points in the fuel cell system B. 3A shows the parameters of the cathode exhaust gas immediately after being discharged from the fuel cell stack 10, and FIG. 3B shows the condensed water and fuel gas supplied from the relay box 80 to the cathode exhaust gas. The parameter after mixing is shown. From these figures, there is no change in any of the parameters other than the increase in condensed water. However, after the exhaust stream is exhausted from the heat exchanger 20, as shown in FIG. 3C, the temperature and dew point rise due to heating. On the other hand, the amount of water vapor has increased while the condensed water has decreased due to evaporation. Therefore, if the amount of condensed water is sufficient, the relative humidity of the discharged stream can be increased to 100%.

熱交換器20によって相対湿度が高められた排出流分は、加湿器40に供給される。加湿器40では、中空糸膜の外側をカソード排出ガス、凝縮水、および燃料ガスからなる排出流分が流通し、中空糸膜の内側を燃料電池スタック10に供給する空気が流通する。そして、排出流分に含まれる水蒸気が中空糸膜を浸透して空気に吸収され、空気が加湿される。なお、排出流分に含まれる燃料ガスは、加湿器40から放出されるが、希釈ボックスによって非可燃状態まで希釈されている。   The exhaust stream whose relative humidity has been increased by the heat exchanger 20 is supplied to the humidifier 40. In the humidifier 40, an exhaust stream composed of cathode exhaust gas, condensed water, and fuel gas flows outside the hollow fiber membrane, and air supplied to the fuel cell stack 10 flows inside the hollow fiber membrane. And the water vapor | steam contained in a discharge | emission flow osmose | permeates a hollow fiber membrane, is absorbed by air, and air is humidified. In addition, although the fuel gas contained in the discharge | emission flow part is discharge | released from the humidifier 40, it is diluted to the nonflammable state by the dilution box.

上記構成の燃料電池システムBでは、熱交換器20に供給する冷却媒体は凝縮水を含む排出流分であるため、熱交換器20にはラジエータから冷却媒体を供給する必要がない。したがって、ラジエータを小型化することができるとともに、ラジエータと熱交換器20との間の配管が不要となる。また、水蒸気分圧が増加した反応ガスが加湿器40に加湿源として流通するので、加湿器40における加湿効率が向上する。したがって、加湿器40を小型化することができる。   In the fuel cell system B configured as described above, since the cooling medium supplied to the heat exchanger 20 is an exhaust stream containing condensed water, it is not necessary to supply the cooling medium to the heat exchanger 20 from the radiator. Therefore, the radiator can be reduced in size, and piping between the radiator and the heat exchanger 20 becomes unnecessary. Further, since the reaction gas having an increased water vapor partial pressure flows through the humidifier 40 as a humidification source, the humidification efficiency in the humidifier 40 is improved. Therefore, the humidifier 40 can be reduced in size.

特に、上記実施形態では、凝縮手段70から供給される凝縮水および排出燃料ガスを中継ボックス80を介して第2配管22を流通するカソード排出ガスに混合するから、本来、大気に放出されていたアノード排出ガスに含まれる水分も加湿器40に供給されるので、排出されたカソード排出ガスの加湿効率をさらに向上させることができる。   In particular, in the above embodiment, the condensed water and the exhausted fuel gas supplied from the condensing means 70 are mixed with the cathode exhaust gas flowing through the second pipe 22 via the relay box 80, and thus were originally released to the atmosphere. Since the moisture contained in the anode exhaust gas is also supplied to the humidifier 40, the humidification efficiency of the discharged cathode exhaust gas can be further improved.

上記実施形態では、燃料電池スタック10から排出されるアノード排出ガスは、凝縮手段70に供給されているが、図1に二点差線で示すように、燃料電池スタック10と凝縮手段70とを接続する流通経路の途中で配管を分岐させ、この配管24を中継ボックス80に接続することで、燃料電池スタック10のアノード排出ガス排出口でドレインとして滴下する凝縮水を中継ボックス80に供給することができる。また、燃料電池スタック10のカソード排出ガス排出口でドレインとして滴下する凝縮水を、配管25によって中継ボックス80に供給することもできる。このように構成することにより、排出流分の加湿効率をさらに向上させることができる。   In the above embodiment, the anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack 10 is supplied to the condensing means 70, but the fuel cell stack 10 and the condensing means 70 are connected as shown by a two-dot chain line in FIG. By branching a pipe in the middle of the distribution route to be connected and connecting this pipe 24 to the relay box 80, condensed water dripped as a drain at the anode exhaust gas discharge port of the fuel cell stack 10 can be supplied to the relay box 80. it can. Further, the condensed water dripped as a drain at the cathode exhaust gas outlet of the fuel cell stack 10 can be supplied to the relay box 80 through the pipe 25. By comprising in this way, the humidification efficiency for a discharge | emission flow can be improved further.

本発明では、ラジエータおよび加湿手段を小型化することができるとともに、冷却媒体を循環させるための配管を減らしてレイアウト設計の自由度を上げることができるから、燃料電池車に適用して極めて有望である。   In the present invention, the radiator and the humidifying means can be reduced in size, and the degree of freedom in layout design can be increased by reducing piping for circulating the cooling medium. is there.

10 燃料電池スタック
20 熱交換器(熱交換手段)
30 コンプレッサ
40 加湿器(加湿手段)
50 エゼクタ
60 燃料タンク
70 凝縮手段
80 中継ボックス
10 Fuel cell stack 20 Heat exchanger (heat exchange means)
30 Compressor 40 Humidifier (humidifying means)
50 Ejector 60 Fuel tank 70 Condensing means 80 Relay box

Claims (1)

燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて該燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに含まれる水分を前記燃料電池に供給される酸化剤ガスに移す加湿手段と、
前記酸化剤ガスを圧縮して前記燃料電池に送り込むコンプレッサと、
前記コンプレッサを流通した後前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却する熱交換手段と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを凝縮して凝縮水として貯留する凝縮手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスを前記熱交換手段に流通させて加熱した後、前記加湿手段に加湿源として流通させ、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに前記凝縮水を供給し、該酸化剤ガスを前記熱交換手段に流通させて加熱した後、前記加湿手段に加湿源として流通させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidizing gas is supplied fuel gas and oxidant gas,
A humidifying means for transferring the moisture contained in the oxidizing gas discharged from the fuel cell to the oxidant gas supplied to the fuel cell,
A compressor that compresses the oxidant gas and sends it to the fuel cell;
Heat exchange means for cooling the oxidant gas supplied to the fuel cell after flowing through the compressor;
Condensing means for condensing the fuel gas discharged from the fuel cell and storing it as condensed water;
In a fuel cell system comprising:
After the oxidant gas discharged from the fuel cell is circulated through the heat exchange means and heated, the oxidant gas is circulated as a humidification source to the humidification means, and the condensed water is supplied to the oxidant gas discharged from the fuel cell. The fuel cell system is characterized in that the oxidant gas is circulated through the heat exchanging means and heated, and then circulated as a humidification source through the humidifying means .
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