JPH07192743A - Fuel cell power generating system - Google Patents

Fuel cell power generating system

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JPH07192743A
JPH07192743A JP5334146A JP33414693A JPH07192743A JP H07192743 A JPH07192743 A JP H07192743A JP 5334146 A JP5334146 A JP 5334146A JP 33414693 A JP33414693 A JP 33414693A JP H07192743 A JPH07192743 A JP H07192743A
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water
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hydrogen
cooling water
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正五 渡辺
Hajime Yamane
肇 山根
Yoshihiro Kiriki
義博 桐木
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PURPOSE:To adapt to environment for an automobile by arranging a hydrogen storage alloy and a solid polymer electrolyte fuel cell and independently connecting a cooling water line and a humidifying water line to the fuel cell. CONSTITUTION:A fuel cell 50 has ports 50a-50h, of which a pair of ports 50a, 50b are connected to a hydrogen gas line L10, hydrogen gas serving as fuel is introduced from the port 50a, and the remaining hydrogen is exhausted from the port 50b. A pair of ports 50c, 50d are connected to an air line L20, air serving as an oxidizing agent is introduced from the port 50c and the remaining air containing reaction water is exhausted from the port 50d. A pair of ports 50e, 50f are connected to a cooling water line L30, cooling water is introduced from the port 50e, and exhausted from the port 50f. A pair of ports 50g, 50h are connected to a humidifying water line L40.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電装置に関
し、より詳しくは移動用燃料電池特に車両用燃料電池に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell power generator, and more particularly to a mobile fuel cell, especially a vehicle fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】近時の環境問題すなわち大気汚染に対し
て電気自動車が注目され、蓄電池を搭載した電気自動車
にあっては既に実用化の段階に入っている。しかし、蓄
電池式車両は、電池の蓄電能力との関係で走行距離が比
較的短く、また充電時間が長い等の解決に困難な問題を
有しているため、これを解消し得る電気自動車として燃
料電池式車両の出現が待たれている(特開平2ー168
803号公報参照)。
2. Description of the Related Art Recently, electric vehicles have been drawing attention to environmental problems, that is, air pollution, and electric vehicles equipped with a storage battery have already been put into practical use. However, battery-powered vehicles have difficult problems to solve, such as a relatively short mileage and a long charging time due to the storage capacity of the battery. The advent of battery-powered vehicles is awaited (Japanese Patent Laid-Open No. 2-168).
803).

【0003】電気自動車に適する燃料電池発電装置とし
て、特開平2ー170369号公報に見られるようにリ
ン酸型等の採用も考えられているが、今後の展開を考え
ると、液状電解質の流出を回避する観点から固体高分子
電解質型燃料電池を採用することが望ましいと思われ
る。図5は、固体高分子電解質型燃料電池の従来一般的
なシステムの全体的な概要を示す。同図において、符号
1は、水素イオン伝導体を用いた低温動作型つまり10
0℃以下で動作する固体電解質燃料電池を示す。また、
符号2は、水素ガス源としての水素吸蔵合金を備えた燃
料タンクを示す。ここに、水素貯蔵合金は、特開平2ー
170369号公報に見られるように、車両用燃料電池
の水素ガス貯蔵手段として既に知られている。この水素
貯蔵合金は、水素ガス放出反応が吸熱反応であるため、
燃料電池の要求するガス圧を維持するのに熱源を必要と
するものである。
As a fuel cell power generator suitable for an electric vehicle, a phosphoric acid type or the like has been considered as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-170369, but in view of future development, the outflow of liquid electrolyte is considered. From the viewpoint of avoidance, it seems desirable to adopt a solid polymer electrolyte fuel cell. FIG. 5 shows an overall outline of a conventional general system of a solid polymer electrolyte fuel cell. In the figure, reference numeral 1 is a low temperature operation type using hydrogen ion conductor, that is, 10
1 shows a solid oxide fuel cell operating below 0 ° C. Also,
Reference numeral 2 indicates a fuel tank provided with a hydrogen storage alloy as a hydrogen gas source. Here, the hydrogen storage alloy is already known as a hydrogen gas storage means for a fuel cell for a vehicle, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 170369/1990. In this hydrogen storage alloy, the hydrogen gas releasing reaction is an endothermic reaction,
It requires a heat source to maintain the gas pressure required by the fuel cell.

【0004】同図に示す燃料電池システムAを簡単に説
明すると、システムAは燃料系L1を有し、水素吸蔵合
金タンク2内の水素ガスは、ソレノイド弁3、圧力調整
弁4が設置された水素供給管5を通って燃料電池1に供
給される。供給された水素ガスは、後述するように、燃
料電池1内で湿度100%に加湿された後に、必要量が
反応に供され、余剰水素ガスは、燃料電池1を出た後自
然冷却の下でその温度が低下し、これ伴う凝縮水は気/
液分離器6に貯えられる。分離器6内の水素ガスは、ポ
ンプ7によって水素供給管5に再循環されるが、水素ガ
スが配管を通過する過程で配管材料の微量な腐食等によ
って水素中に溶出したイオンを除去するために、水素ガ
スを供給管5に戻す途中で脱イオンフィルタ8を通して
湿潤水素中のイオン成分の除去が行われる。
The fuel cell system A shown in FIG. 1 will be briefly described. The system A has a fuel system L1 and the hydrogen gas in the hydrogen storage alloy tank 2 is provided with a solenoid valve 3 and a pressure adjusting valve 4. It is supplied to the fuel cell 1 through the hydrogen supply pipe 5. As will be described later, the supplied hydrogen gas is humidified in the fuel cell 1 to a humidity of 100%, and then a necessary amount is supplied to the reaction, and the surplus hydrogen gas is naturally cooled after leaving the fuel cell 1. And the temperature of the condensed water decreases.
It is stored in the liquid separator 6. The hydrogen gas in the separator 6 is recirculated to the hydrogen supply pipe 5 by the pump 7, but in order to remove the ions eluted in the hydrogen due to a slight corrosion of the piping material during the passage of the hydrogen gas through the piping. First, the ion component in the wet hydrogen is removed through the deionization filter 8 while the hydrogen gas is being returned to the supply pipe 5.

【0005】燃料電池1には、酸化剤としての空気が空
気系L2を通して供給される。すなわち、エアコンプレ
ッサ9で加圧された空気は、バッファタンク10、圧力
調整弁11を介して所定圧の下で燃料電池1に供給され
る。尚、図中、符号12は脱イオンフィルタである。燃
料電池1に供給された空気は、燃料電池1内で加湿され
て反応に供され、余剰空気は反応水(H2O)を伴って外部
に吐出される。燃料電池1を出た空気(排気ガス)は、
凝縮器13で除湿した後に、スロットルバルブ14によ
る流量制御の下で系外に放出される。符号15は消音器
である。
Air as an oxidant is supplied to the fuel cell 1 through an air system L2. That is, the air pressurized by the air compressor 9 is supplied to the fuel cell 1 under a predetermined pressure via the buffer tank 10 and the pressure adjusting valve 11. In the figure, reference numeral 12 is a deionization filter. The air supplied to the fuel cell 1 is humidified in the fuel cell 1 and is used for reaction, and the surplus air is discharged to the outside together with reaction water (H 2 O). The air (exhaust gas) exiting the fuel cell 1 is
After dehumidifying with the condenser 13, it is discharged to the outside of the system under the flow rate control by the throttle valve 14. Reference numeral 15 is a silencer.

【0006】燃料電池1用の冷却水循環系L3は、水素
吸蔵合金2用の冷却水循環系L4から独立した経路で構
成されている。燃料電池用循環系L3は、貯水タンク1
7を有し、この貯水タンク17には、上述した凝縮器1
3内の水つまり空気系L2でトラップされた水が供給さ
れる。貯水タンク17内の水は、燃料電池1の冷却及び
燃料電池1内でのガスの加湿のために(これらについて
は後に詳しく説明する。)、ポンプ18によって燃料電
池1へ圧送されるが、系L3は、その途中に、冷却水の
温度に応じて制御される三方形弁19を有し、この弁1
9によって、冷却水の温度が所定温度よりも高いときに
は、ラジエータ20を通る強制放熱経路が設定される。
図中、符号21はファンである。冷却水は、また、燃料
電池1に入る手前で、脱イオンフィルタ22により、溶
存イオンが除去される。
The cooling water circulation system L3 for the fuel cell 1 is constituted by an independent path from the cooling water circulation system L4 for the hydrogen storage alloy 2. The circulation system L3 for the fuel cell is the water storage tank 1
7, the water storage tank 17 has the condenser 1 described above.
The water in 3 is supplied, that is, the water trapped by the air system L2. The water in the water storage tank 17 is pumped to the fuel cell 1 by the pump 18 for cooling the fuel cell 1 and humidifying the gas in the fuel cell 1 (these will be described later in detail). The L3 has a three-way valve 19 controlled in accordance with the temperature of the cooling water in the middle thereof.
By means of 9, the forced heat dissipation path passing through the radiator 20 is set when the temperature of the cooling water is higher than the predetermined temperature.
In the figure, reference numeral 21 is a fan. Before the cooling water enters the fuel cell 1, the deionization filter 22 removes dissolved ions.

【0007】図6は、従来の燃料電池1の内部構造を概
略的に示す。燃料電池1は、区画された2つの領域、す
なわち反応ゾーンつまり発電ゾーン25と、水の半透膜
が張設された加湿ゾーン26とを有する。同図は、ま
た、燃料電池1における冷却水の流路を示すものであ
り、入口ポート1aから燃料電池1内に入った冷却水
は、先ず、発電ゾーン25を通過して燃料電池1の冷却
を行った後に加湿ゾーン26に移行し、その後出口ポー
ト1bから外部に吐出される。発電ゾーン25を通過し
た後に加湿ゾーン26に移行する冷却水によって、加湿
ゾーン26を通過する冷却水は、発電ゾーン25での冷
却水の温度及び圧力とほぼ等しい状態で、ガスに飽和水
蒸気量を与える。
FIG. 6 schematically shows the internal structure of a conventional fuel cell 1. The fuel cell 1 has two partitioned regions, that is, a reaction zone, that is, a power generation zone 25, and a humidification zone 26 in which a semipermeable membrane of water is stretched. The figure also shows the flow path of the cooling water in the fuel cell 1. The cooling water entering the fuel cell 1 from the inlet port 1a first passes through the power generation zone 25 to cool the fuel cell 1. After that, the process proceeds to the humidification zone 26, and thereafter, it is discharged from the outlet port 1b to the outside. By the cooling water that passes through the power generation zone 25 and then moves to the humidification zone 26, the cooling water that passes through the humidification zone 26 has a temperature and pressure of the cooling water in the power generation zone 25 that are substantially equal to each other, and the saturated water vapor amount is added to the gas. give.

【0008】図7は、燃料電池1内での水素ガスの流路
を示し、図8は空気の流路を示す。水素ガス及び空気
は、入口ポート1c或いは1eを通って先ず加湿ゾーン
26に入り、この加湿ゾーン26で冷却水から水分を受
け取った後に、発電ゾーン25に移行して反応する。そ
して、余剰のガスは出口ポート1d或いは1fを通って
外部に吐出される。
FIG. 7 shows a flow path of hydrogen gas in the fuel cell 1, and FIG. 8 shows a flow path of air. Hydrogen gas and air first enter the humidification zone 26 through the inlet port 1c or 1e, and after receiving moisture from the cooling water in the humidification zone 26, move to the power generation zone 25 and react. Then, the surplus gas is discharged to the outside through the outlet port 1d or 1f.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】燃料電池式車両の開発
にあたって、燃料電池発電システムのコストを下げるこ
とは勿論であるが、システム全体を自動車用としての適
用環境に合致させる必要がある。このような観点から従
来のシステムを見てみると、冷却水循環系L3を通る冷
却水は、燃料電池1を冷却する冷媒としての役割の他
に、燃料電池1内のガスを加湿する加湿用水としての役
割とを有している。ところで、燃料電池1は金属イオン
を嫌うものであり、このため循環系L3を構成する配管
材料としては、イオン成分ができるだけ溶出しない材
質、例えばステンレス材が用いられている。また、ラジ
エータ20についても同様のことであり、例え熱交換性
能が劣るにしてもステンレス材で構成されたラジエータ
が使用されている。また、冷却水そのものが純水である
ため、外気温度が零度を下回ったときには、燃料電池1
内で冷却水が凍結してしまう恐れがある。そこで、本発
明の目的は、自動車用としての適用環境に適合させるよ
うにした燃料電池発電装置を提供することにある。
In developing a fuel cell type vehicle, it is needless to say that the cost of the fuel cell power generation system is reduced, but it is necessary to make the entire system compatible with the application environment for automobiles. Looking at the conventional system from such a viewpoint, the cooling water passing through the cooling water circulation system L3 serves as a refrigerant for cooling the fuel cell 1 and also serves as a humidifying water for humidifying the gas in the fuel cell 1. Has the role of. By the way, the fuel cell 1 does not like metal ions. Therefore, as a piping material forming the circulation system L3, a material that does not elute ionic components as much as possible, for example, a stainless material is used. The same applies to the radiator 20, and even if the heat exchange performance is poor, a radiator made of a stainless material is used. Further, since the cooling water itself is pure water, when the outside air temperature falls below zero, the fuel cell 1
The cooling water may freeze inside. Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation device adapted to an application environment for automobiles.

【0010】[0010]

【課題を達成するための手段】かかる技術的課題を達成
すべく、本発明にあっては、基本的には、水素ガス源と
しての水素吸蔵合金と、該水素吸蔵合金から燃料として
の水素ガスの供給を受けて発電する固体高分子電解質型
燃料電池を備え、該燃料電池を冷却する冷却水系と、前
記燃料電池に供給されたガスを加湿する加湿水系とが、
個々独立して前記燃料電池に接続されている構成として
ある。
In order to achieve the above technical object, according to the present invention, basically, a hydrogen storage alloy as a hydrogen gas source and a hydrogen gas as a fuel from the hydrogen storage alloy are used. A solid polymer electrolyte fuel cell for generating power by receiving the supply of a cooling water system for cooling the fuel cell and a humidification water system for humidifying the gas supplied to the fuel cell,
Each of them is independently connected to the fuel cell.

【0011】[0011]

【作用及び効果】本発明によれば、燃料電池を冷却する
冷却水系と、燃料電池内のガスを加湿する加湿水系とを
分離して構成してあるため、冷却水系を流れる冷却水が
金属イオンを含んでいたとしても燃料電池に害を及ぼす
ことはなく、従って冷却水は、従来のように、純水に限
定されることはない。このことから、冷却水系の配管材
料或いはラジエータの材料選定に自由度を与えることが
でき、自動車用に適合した材料を自由に選択することが
できる。また、冷却水についてもその選定に自由度を与
えることができるため、例えば不凍液を使用して寒冷地
等での凍結を未然に防止することができる。本発明の他
の目的及び利点は、以下に詳述する実施例の説明から明
らかになろう。
According to the present invention, since the cooling water system for cooling the fuel cell and the humidifying water system for humidifying the gas in the fuel cell are separately configured, the cooling water flowing through the cooling water system is metal ions. Even if it contains, it does not harm the fuel cell, and therefore the cooling water is not limited to pure water as in the conventional case. From this, it is possible to give a degree of freedom to the selection of the piping material of the cooling water system or the material of the radiator, and it is possible to freely select the material suitable for the automobile. Further, since the degree of freedom in selecting the cooling water can be given, it is possible to prevent freezing in a cold region by using an antifreezing solution. Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the description of the embodiments detailed below.

【0012】[0012]

【実施例】以下に本発明の好ましい実施例を添付した図
面に基づいて説明する。図1において、参照符号Bは、
車両用の燃料電池発電装置を示し、また符号50は固体
電解質型燃料電池を示す。燃料電池50はポート50a
〜50hを有し、これらポートのうち、対をなすポート
50a、50bは水素ガス系L10に接続され、ポート
50aから燃料としての水素ガスが導入され、余剰水素
がポート50bから排出される。また、対をなすポート
50c、50dは空気系L20に接続され、ポート50
cから酸化剤としての空気が導入され、反応水を含む余
剰空気がポート50dから排出される。また、対をなす
ポート50e、50fは冷却水系L30に接続され、ポ
ート50eから冷却水が導入され、ポート50fから排
出される。また、対をなすポート50g、50hは、後
に詳しく説明する加湿水系L40に接続されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In FIG. 1, reference numeral B indicates
A fuel cell power generator for a vehicle is shown, and reference numeral 50 is a solid oxide fuel cell. The fuel cell 50 has a port 50a
.About.50h, and of these ports, the paired ports 50a and 50b are connected to the hydrogen gas system L10, hydrogen gas as a fuel is introduced from the port 50a, and surplus hydrogen is discharged from the port 50b. The pair of ports 50c and 50d are connected to the air system L20, and
Air as an oxidant is introduced from c, and excess air containing reaction water is discharged from the port 50d. The pair of ports 50e and 50f are connected to the cooling water system L30, the cooling water is introduced from the port 50e, and is discharged from the port 50f. The paired ports 50g and 50h are connected to a humidifying water system L40 which will be described in detail later.

【0013】水素ガス系L10は、水素ガス源としての
水素吸蔵合金を内蔵したタンク51を有する。ここに、
水素吸蔵合金は、約60〜80℃で水素ガスを放出す
る、所謂、高温型水素吸蔵合金が採用されている。水素
タンク51と入口ポート50aとは水素供給管52を介
して接続され、この供給管52には、タンク51側から
燃料電池50側に向けて、順に、ソレノイド式開閉弁5
3、圧力調整弁54、ポンプ55、脱イオンフィルタ5
6が介装されている。出口ポート50bは、水素排出管
57を介して気/液分離器58に接続され、排出管57
には逆止弁59が介装されている。また、水素ガス系L
10は、分離器58で分離された水素ガスを供給管52
に戻す水素還流管60を有する。すなわち、還流管60
は、その上流端が分離器58に接続され、下流端が水素
供給管52詳しくはポンプ55の吸込側部分に接続され
ている。この水素還流管60には、大気圧をリファレン
ス圧とするリリーフバルブ61が介装されて、燃料電池
50内の水素ガスの圧力は、実質的にリリーフバルブ6
1によって行われ、またリリーフバルブ61と分離器5
8との間には、ソレノイド式開閉弁62、消音器63を
備えた排気管64が接続されている。
The hydrogen gas system L10 has a tank 51 containing a hydrogen storage alloy as a hydrogen gas source. here,
As the hydrogen storage alloy, a so-called high temperature type hydrogen storage alloy that releases hydrogen gas at about 60 to 80 ° C. is adopted. The hydrogen tank 51 and the inlet port 50a are connected to each other via a hydrogen supply pipe 52. The supply pipe 52 has a solenoid opening / closing valve 5 in order from the tank 51 side toward the fuel cell 50 side.
3, pressure regulating valve 54, pump 55, deionization filter 5
6 is interposed. The outlet port 50b is connected to the gas / liquid separator 58 via the hydrogen discharge pipe 57, and the discharge pipe 57
A check valve 59 is installed in the. Also, hydrogen gas system L
10 is a supply pipe 52 for supplying the hydrogen gas separated by the separator 58.
It has a hydrogen reflux pipe 60 for returning to. That is, the reflux pipe 60
Has its upstream end connected to the separator 58 and its downstream end connected to the hydrogen supply pipe 52, specifically, to the suction side portion of the pump 55. A relief valve 61 having an atmospheric pressure as a reference pressure is interposed in the hydrogen recirculation pipe 60 so that the pressure of the hydrogen gas in the fuel cell 50 is substantially equal to that of the relief valve 6.
1 and also the relief valve 61 and the separator 5
An exhaust pipe 64 equipped with a solenoid type on-off valve 62 and a silencer 63 is connected between the exhaust pipe 64 and the solenoid 8.

【0014】空気系L20は、空気導入ポート50cに
接続された空気供給管65と、空気排出ポート50dに
接続された排気管66とを有する。供給管65には、そ
の上流端から燃料電池50に向けて、順に、空気圧縮機
67、逆止弁68、バッファタンク69、圧力調整弁7
0、脱イオンフィルタ71が設けられている。空気圧縮
機67は電動モータ72により駆動され、圧縮機67か
ら吐出された加圧空気は、タンク69及び圧力調整弁7
0による圧力制御の下で所定圧に調整されて燃料電池5
0に供給される。他方、排気管66には、燃料電池50
から下流端に向けて、順に、凝縮器73、スロットル7
4、消音器75が設けられ、ポート50dから吐出され
た余剰空気(反応水を含む)は、その含有水分が凝縮器
73で取り除かれた後に大気に放出される。他方、凝縮
器73で分離された水分は配管76を通って貯水タンク
77に蓄えられる。ここに、貯水タンク77は、その壁
が断熱材77aで覆われている。
The air system L20 has an air supply pipe 65 connected to the air introduction port 50c and an exhaust pipe 66 connected to the air discharge port 50d. The supply pipe 65 has an air compressor 67, a check valve 68, a buffer tank 69, and a pressure adjusting valve 7 in that order from the upstream end thereof toward the fuel cell 50.
0, a deionization filter 71 is provided. The air compressor 67 is driven by the electric motor 72, and the pressurized air discharged from the compressor 67 is stored in the tank 69 and the pressure adjusting valve 7.
The fuel cell 5 is adjusted to a predetermined pressure under the pressure control of 0.
Supplied to zero. On the other hand, the exhaust pipe 66 has a fuel cell 50
From the downstream end to the condenser 73 and the throttle 7 in that order.
4. A silencer 75 is provided, and excess air (including reaction water) discharged from the port 50d is released to the atmosphere after the water content is removed by the condenser 73. On the other hand, the water separated in the condenser 73 is stored in the water storage tank 77 through the pipe 76. The wall of the water storage tank 77 is covered with a heat insulating material 77a.

【0015】冷却水系L30は、燃料電池50と水素吸
蔵合金タンク51とが兼用する構成とされている。すな
わち、タンク51の入口ポート51aと燃料電池50の
出口ポート50fとは、冷却水用第1の管80で接続さ
れている。また、燃料電池50の入口ポート50eとタ
ンク51の出口ポート51bとは、冷却水用第2の管8
1で接続されている。そして、第1の管80にはポンプ
82が介装され、他方、第2の管81には、電動ファン
83を備えたラジエータ84と、ラジエータ84をバイ
パスするバイパス管85が設けられ、バイパス管85
は、その上流端が3方形弁86を介して第2の管81に
接続されている。
The cooling water system L30 is configured so that the fuel cell 50 and the hydrogen storage alloy tank 51 are used in common. That is, the inlet port 51a of the tank 51 and the outlet port 50f of the fuel cell 50 are connected by the first pipe 80 for cooling water. Further, the inlet port 50e of the fuel cell 50 and the outlet port 51b of the tank 51 are connected to each other by the second pipe 8 for cooling water.
1 is connected. A pump 82 is provided in the first pipe 80, while a radiator 84 having an electric fan 83 and a bypass pipe 85 that bypasses the radiator 84 are provided in the second pipe 81. 85
Has its upstream end connected to the second pipe 81 via a three-way valve 86.

【0016】加湿水系L40は、燃料電池50のポート
50gと貯水タンク77とを接続する第1の管90と、
この第1の管90に介装された脱イオンフィルタ91
と、燃料電池50のポート50hに第2の管92を介し
て接続された蓄圧タンク93とで構成され、蓄圧タンク
93には、例えば不活性ガス或いは空気93aが封入さ
れている。ここに、蓄圧タンク93内に封入された不活
性ガス93aの量は、燃料電池50が作動を停止してい
るときに、不活性ガス或いは空気93aのガス圧によっ
て、蓄圧タンク93及び燃料電池50内の加湿水を第1
の管90内或いは貯水タンク77内に押し戻すに足る量
とされている。他方、燃料電池50が作動状態にあると
きには、排気管66を通る加圧空気の圧力によって、貯
水タンク77内の純水は、燃料電池50及び蓄圧タンク
93内に押し込まれ、蓄圧タンク93内の圧力と貯水タ
ンク77内の圧力(加圧空気の圧力)との均衡状態で保
たれる。この加湿水系L40と空気系L20とは、一端
が分離器58に接続され、他端が凝縮器73に接続され
た導水管94を介して接続され、導水管94には、ソレ
ノイド式開閉弁95、逆止弁96が介装されている。こ
の導水管94は、後述するように、空気系L20に対す
る接続箇所として凝縮器73に限定されるものではな
く、排気管66のうち燃料電池50の排気ポート50g
と凝縮器73との間に接続してもよい。
The humidifying water system L40 includes a first pipe 90 connecting the port 50g of the fuel cell 50 and the water storage tank 77,
Deionization filter 91 interposed in the first tube 90
And a pressure accumulation tank 93 connected to the port 50h of the fuel cell 50 through the second pipe 92. The pressure accumulation tank 93 is filled with, for example, an inert gas or air 93a. Here, the amount of the inert gas 93a sealed in the accumulator tank 93 depends on the inert gas or the gas pressure of the air 93a when the fuel cell 50 is not operating. Humidification water in the first
The amount is sufficient to push it back into the pipe 90 or the water storage tank 77. On the other hand, when the fuel cell 50 is in the operating state, the pure water in the water storage tank 77 is pushed into the fuel cell 50 and the accumulator tank 93 by the pressure of the pressurized air passing through the exhaust pipe 66, and the pure water in the accumulator tank 93 is stored. The pressure and the pressure in the water storage tank 77 (pressure of the pressurized air) are maintained in a balanced state. The humidifying water system L40 and the air system L20 are connected to each other via a water guiding pipe 94, one end of which is connected to the separator 58 and the other end of which is connected to the condenser 73. The check valve 96 is interposed. As will be described later, the water pipe 94 is not limited to the condenser 73 as a connection point for the air system L20, and the exhaust port 66 of the fuel cell 50 in the exhaust pipe 66 is not limited to the condenser 73.
And the condenser 73 may be connected.

【0017】燃料電池50は、その内部構造が従来と同
様に、反応ゾーンつまり発電ゾーン97と、加湿ゾーン
98とに区分され、冷却水は、図2に示すように、発電
ゾーン97を通過した後に加湿ゾーン98に移行し、そ
の後外部に排出されるようになっている。他方、加湿水
は、図3に示すように、発電ゾーン97を通過すること
なく、直接、加湿ゾーン98に進むようになっている。
ここに、加湿ゾーン98の構造は、図4に示すように、
単位ユニットとして、冷却水通路98aを挟んで一対の
水の半透膜99a、99bを備え、これら半透膜99a
或いは99bを挟んで、空気通路98bと第1加湿水通
路98c或いは水素ガス通路98dと第2加湿水通路9
8eが形成され、第1加湿水通路98c及び第2加湿水
通路98eは、冷却水通路98aに隣接して配置されて
いる。尚、図1における符号100は、水位を検出する
レベルセンサであり、センサ100で検出された水位は
図外のコントロールユニット(C/U)に送られて、各
種バルブ等の制御に用いられる。
The internal structure of the fuel cell 50 is divided into a reaction zone, that is, a power generation zone 97 and a humidification zone 98, as in the conventional case, and the cooling water passes through the power generation zone 97 as shown in FIG. After that, it moves to the humidification zone 98 and then discharged to the outside. On the other hand, as shown in FIG. 3, the humidifying water goes directly to the humidifying zone 98 without passing through the power generation zone 97.
Here, the structure of the humidification zone 98 is as shown in FIG.
As a unit unit, a pair of water semipermeable membranes 99a and 99b are provided with the cooling water passage 98a interposed therebetween.
Alternatively, the air passage 98b and the first humidification water passage 98c or the hydrogen gas passage 98d and the second humidification water passage 9 are sandwiched with 99b interposed therebetween.
8e is formed, and the first humidification water passage 98c and the second humidification water passage 98e are arranged adjacent to the cooling water passage 98a. Reference numeral 100 in FIG. 1 is a level sensor for detecting the water level, and the water level detected by the sensor 100 is sent to a control unit (C / U) (not shown) and used for controlling various valves and the like.

【0018】以上の構成により、先ず、冷却水系L30
と加湿水系L40とが個々独立して構成されているた
め、燃料電池50に供給する加湿水つまり脱イオン状態
を維持する必要のある水の量を従来に比べて低減するこ
とが可能になるため、本実施例によれば以下の利点を有
する。 燃料電池50用の冷却水系と、水素吸蔵合金タンク5
1用の冷却水系とを、実施例のように統合することが可
能になる。このことは、また、燃料電池50の排熱を利
用して水素吸蔵合金を加熱して、水素ガスの放出を促進
できることを意味する。因みに、従来では、軽量化のた
めに水素吸蔵合金タンク51をアルミ合金材料で形成し
ていたが、アルミ材料は水中にイオンとなって溶出し易
く、このイオンを含む水で燃料電池50用ガスの加湿を
行ったときには、イオン交換膜の水素イオン導伝性を損
なうことになるため、タンク51用の冷却水系と、燃料
電池50の冷却水系(加湿水を含む)とは統合できない
と考えられていたものである。
With the above structure, first, the cooling water system L30
Since the humidifying water system L40 and the humidifying water system L40 are independently configured, it is possible to reduce the amount of humidifying water supplied to the fuel cell 50, that is, the amount of water required to maintain the deionized state, as compared with the conventional case. According to this embodiment, there are the following advantages. Cooling water system for fuel cell 50 and hydrogen storage alloy tank 5
The cooling water system for 1 can be integrated as in the embodiment. This also means that the exhaust heat of the fuel cell 50 can be used to heat the hydrogen storage alloy to accelerate the release of hydrogen gas. Incidentally, in the past, the hydrogen storage alloy tank 51 was formed of an aluminum alloy material in order to reduce the weight, but the aluminum material is liable to be eluted as ions in water, and the water containing the ions is used as a gas for the fuel cell 50. It is considered that the cooling water system for the tank 51 and the cooling water system (including the humidifying water) for the fuel cell 50 cannot be integrated because the hydrogen ion conductivity of the ion exchange membrane is impaired when the above humidification is performed. It was what was there.

【0019】燃料電池50用の冷却水系と、水素吸蔵
合金タンク51用の冷却水系との統合により、燃料電池
の発熱反応と、水素吸蔵合金の水素放出の際の吸熱反応
とがバランスして、システム内の熱を有効利用できる。
従って、一般に水素吸蔵合金は水素放出温度が高いもの
ほど大きな水素吸蔵能力を有しているが、この両者の冷
却水系の統合により、特別な加熱源を付設するまでもな
く高温型水素吸蔵合金を使用することができると共に、
水素タンク51を小型化(軽量化に直結する。)或いは
水素吸蔵容量を増大することができる。また、従来、燃
料電池50用の冷却水を冷やすために必要とされたラジ
エータの機能を水素吸蔵合金が受け持つことになるた
め、ラジエータ84はそれ自体の容量が小さくて済み、
小型のラジエータを採用することが可能になる。
By integrating the cooling water system for the fuel cell 50 and the cooling water system for the hydrogen storage alloy tank 51, the exothermic reaction of the fuel cell and the endothermic reaction at the time of hydrogen release of the hydrogen storage alloy are balanced, The heat in the system can be effectively used.
Therefore, in general, a hydrogen storage alloy having a higher hydrogen desorption temperature has a larger hydrogen storage capacity, but by integrating the cooling water system of both, a high temperature type hydrogen storage alloy can be obtained without attaching a special heating source. Can be used,
The hydrogen tank 51 can be downsized (directly connected to weight reduction) or the hydrogen storage capacity can be increased. In addition, since the hydrogen storage alloy takes charge of the function of the radiator that has been conventionally required to cool the cooling water for the fuel cell 50, the radiator 84 may have a small capacity of itself.
It becomes possible to adopt a small radiator.

【0020】燃料電池50用の冷却水系と、水素吸蔵
合金タンク51用の冷却水系との統合により、従来、個
別的に夫々必要とされたポンプを1台のポンプで兼用す
ることが可能になる。 冷却水系L30と加湿水系L40とが個々独立して構
成されているため、冷却水系L30に投入する冷却水
は、必ずしも純水でなくともよく、不凍液を採用するこ
とができる。これにより、寒冷地或いは寒冷時での凍結
を防止することが容易になる。また、冷却水系L30の
配管及びラジエータ84を、従来のように、高価なステ
ンレス材で作る必要はなく、配管にあっては安価な材料
を採用することができ、またラジエータ84にあっては
伝熱性に優れた材料で作ることができ、この点からもラ
ジエータを小型化することが可能になる。 冷却水系L30と加湿水系L40とが個々独立して構
成されているため、加湿水系L40に使用する水の量は
少なくて済み、つまり溶存イオンを除去する必要のある
水の絶対量が少ないため、脱イオンフィルタ91は小型
のもので足りる。
By integrating the cooling water system for the fuel cell 50 and the cooling water system for the hydrogen storage alloy tank 51, it becomes possible to combine the pumps individually required in the past with one pump. . Since the cooling water system L30 and the humidification water system L40 are independently configured, the cooling water to be added to the cooling water system L30 does not necessarily need to be pure water, and an antifreeze liquid can be used. This makes it easy to prevent freezing in cold regions or during cold weather. Moreover, it is not necessary to make the pipe of the cooling water system L30 and the radiator 84 from an expensive stainless material as in the conventional case, and an inexpensive material can be used for the pipe, and the radiator 84 cannot be made of a conductive material. It can be made of a material having excellent heat resistance, and this also allows the radiator to be downsized. Since the cooling water system L30 and the humidifying water system L40 are independently configured, the amount of water used for the humidifying water system L40 can be small, that is, the absolute amount of water required to remove dissolved ions is small, The deionization filter 91 may be a small one.

【0021】また、本実施例によれば、水素ガス系L1
0において、水素循環用ポンプ55を、燃料電池50の
入口ポート50a側つまり水素供給管52における水素
還流管60の合流部よりも下流側部分に設置してあるた
め、タンク51内の水素吸蔵合金の温度が低いとき、つ
まり水素吸蔵合金の水素放出圧力が低いときには、ポン
プ55の吐出圧により燃料電池50に加圧ガスを供給す
ることができる。また、燃料電池50内の水素ガス圧の
調整を、大気圧をリファレンス圧とするリリーフバルブ
61によって行うようにしてあるため、水素吸蔵合金の
水素放出圧力が高くなったとしても(水素吸蔵合金が所
定温度に到達したとき。)、燃料電池50内の水素ガス
圧を一定に維持することができる。
Further, according to this embodiment, the hydrogen gas system L1
0, the hydrogen circulation pump 55 is installed on the inlet port 50a side of the fuel cell 50, that is, on the downstream side of the confluence portion of the hydrogen recirculation pipe 60 in the hydrogen supply pipe 52. When the temperature is low, that is, when the hydrogen release pressure of the hydrogen storage alloy is low, the pressurized gas can be supplied to the fuel cell 50 by the discharge pressure of the pump 55. Further, since the hydrogen gas pressure in the fuel cell 50 is adjusted by the relief valve 61 having the atmospheric pressure as the reference pressure, even if the hydrogen release pressure of the hydrogen storage alloy is high (the hydrogen storage alloy is When the temperature reaches the predetermined temperature), the hydrogen gas pressure in the fuel cell 50 can be kept constant.

【0022】また、本実施例によれば、水素ガス系L1
0の気/液分離器58と、加湿水系L40の貯水タンク
77とが、導水管94を介して接続されているため、分
離器58でトラップした純水を、適宜導水管94に配設
したソレノイド弁95を開くことにより、貯水タンク7
7に補充することができる。例えば、上記実施例では、
水素ガス系L10は、燃料電池50の出力に係わりな
く、常に一定の流量で水素ガスを循環させる構成となっ
ているため、燃料電池が低出力のときには、水素ガス系
L10でトラップされる水の量(概略的には、水素ガス
に対する加湿水の量でもある。)が、燃料電池50の反
応により生成された水の量(空気系L20でトラップさ
れる水の量)に比べて多くなり、貯水タンク77内の水
の量が減少したときには、ソレノイド弁95を開くこと
によって簡単に分離器58内の水を貯水タンク77に補
充することができる。また、水素ガス系L10でトラッ
プした水を燃料電池50の排気側に送るようにしてある
ため安全性の面でも好ましいものとなる。この点につい
て詳しく説明すると、水素ガス系L10でトラップした
凝縮水には水素が溶存しているが、燃料電池50から
は、酸素の比率の小さい空気が排気ガスとして多量に排
出されていることから、燃料電池50の排気側に送り込
まれた凝縮水から水素ガスが放出されたとしても、この
水素ガスは、排気ガスで希釈されることになるため問題
を生じることはない。また、導水管94には、逆止弁9
6が配設してあるため、排気ガスが水素ガス系L10に
侵入してしまうことを防止することができる。
Further, according to this embodiment, the hydrogen gas system L1
Since the gas / liquid separator 58 of 0 and the water storage tank 77 of the humidifying water system L40 are connected via the water conduit 94, the pure water trapped by the separator 58 is appropriately disposed in the water conduit 94. The water tank 7 is opened by opening the solenoid valve 95.
Can be replenished to 7. For example, in the above embodiment,
The hydrogen gas system L10 is configured to always circulate hydrogen gas at a constant flow rate regardless of the output of the fuel cell 50. Therefore, when the fuel cell has a low output, the water trapped by the hydrogen gas system L10 is The amount (generally, the amount of humidifying water with respect to hydrogen gas) is larger than the amount of water generated by the reaction of the fuel cell 50 (the amount of water trapped in the air system L20), When the amount of water in the water storage tank 77 decreases, the water in the separator 58 can be easily replenished to the water storage tank 77 by opening the solenoid valve 95. Further, the water trapped by the hydrogen gas system L10 is sent to the exhaust side of the fuel cell 50, which is preferable in terms of safety. Explaining this point in detail, hydrogen is dissolved in the condensed water trapped by the hydrogen gas system L10, but since a large amount of air having a small oxygen ratio is discharged from the fuel cell 50 as exhaust gas. Even if hydrogen gas is released from the condensed water sent to the exhaust side of the fuel cell 50, this hydrogen gas will be diluted with the exhaust gas, so that no problem will occur. Further, the check valve 9 is attached to the water conduit 94.
Since 6 is provided, it is possible to prevent the exhaust gas from entering the hydrogen gas system L10.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例の燃料電池発電システムの全体
系統図。
FIG. 1 is an overall system diagram of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.

【図2】実施例のシステムに用いられた燃料電池内の加
湿水の流れを示す図。
FIG. 2 is a diagram showing the flow of humidifying water in the fuel cell used in the system of the embodiment.

【図3】実施例のシステムに用いられた燃料電池内の冷
却水の流れを示す図。
FIG. 3 is a diagram showing the flow of cooling water in the fuel cell used in the system of the embodiment.

【図4】実施例のシステムに用いられた燃料電池におけ
る加湿部の構造を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a structure of a humidifying part in a fuel cell used in the system of the embodiment.

【図5】従来の燃料電池発電システムの全体系統図。FIG. 5 is an overall system diagram of a conventional fuel cell power generation system.

【図6】従来のシステムに用いられた燃料電池内の冷却
水の流れを示す図。
FIG. 6 is a diagram showing a flow of cooling water in a fuel cell used in a conventional system.

【図7】従来のシステムに用いられた燃料電池内の水素
ガスの流れを示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a flow of hydrogen gas in a fuel cell used in a conventional system.

【図8】従来のシステムに用いられた燃料電池内の空気
の流れを示す図。
FIG. 8 is a diagram showing the flow of air in a fuel cell used in a conventional system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

50 固体電解質型燃料電池 50g、50h 加湿水用ポート 51 水素吸蔵合金を内蔵したタンク 52 水素ガス供給管 55 ポンプ 58 気/液分離器 60 水素ガス還流管 61 リリーフバルブ 66 排気管 73 凝縮器 77 貯水タンク 93 蓄圧タンク 93a 不活性ガス或いは空気 94 導水管 96 逆止弁 97 燃料電池の発電ゾーン 98 燃料電池の加湿ゾーン B 燃料電池発電システム L10 水素ガス系 L20 空気系 L30 冷却水系 L40 加湿水系 50 Solid Electrolyte Fuel Cell 50g, 50h Port for Humidifying Water 51 Tank with Hydrogen Storage Alloy 52 Hydrogen Gas Supply Pipe 55 Pump 58 Gas / Liquid Separator 60 Hydrogen Gas Reflux Pipe 61 Relief Valve 66 Exhaust Pipe 73 Condenser 77 Water Storage Tank 93 Accumulation tank 93a Inert gas or air 94 Water conduit 96 Check valve 97 Fuel cell power generation zone 98 Fuel cell humidification zone B Fuel cell power generation system L10 Hydrogen gas system L20 Air system L30 Cooling water system L40 Humidification water system

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素ガス源としての水素吸蔵合金と、該
水素吸蔵合金から燃料としての水素ガスの供給を受けて
発電する固体高分子電解質型燃料電池を備え、 該燃料電池を冷却する冷却水系と、前記燃料電池に供給
されたガスを加湿する加湿水系とが、個々独立して前記
燃料電池に接続されている、ことを特徴とする燃料電池
発電装置。
1. A cooling water system for cooling a fuel cell, comprising a hydrogen storage alloy as a hydrogen gas source and a solid polymer electrolyte fuel cell for generating power by receiving hydrogen gas as a fuel from the hydrogen storage alloy. And a humidifying water system for humidifying the gas supplied to the fuel cell, each independently connected to the fuel cell.
【請求項2】 前記燃料電池は、反応により発電する発
電部と、供給されたガスを加湿する加湿部とを有し、 該加湿部に、前記冷却水系から供給された冷却水を通過
させる、ことからなる請求項1に記載の装置。
2. The fuel cell has a power generation section for generating power by a reaction and a humidification section for humidifying the supplied gas, and the cooling water supplied from the cooling water system is passed through the humidification section. An apparatus according to claim 1, consisting of:
【請求項3】 前記水素吸蔵合金用の冷却水系と前記燃
料電池用の冷却水系とが共通の冷却水系で構成されてい
る、請求項1又は請求項2に記載の装置。
3. The apparatus according to claim 1, wherein the cooling water system for the hydrogen storage alloy and the cooling water system for the fuel cell are constituted by a common cooling water system.
【請求項4】 前記燃料電池から排出されるガスから分
離された水分を貯蔵する貯水タンクと、 ガスを封入した蓄圧タンクとを有し、 前記貯水タンクと前記蓄圧タンクとが、前記燃料電池の
前記加湿部に通じる2つの加湿水用ポートに、夫々、接
続されている、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載
の装置。
4. A water storage tank for storing water separated from gas discharged from the fuel cell, and a pressure storage tank enclosing the gas, wherein the water storage tank and the pressure storage tank are of the fuel cell. The device according to any one of claims 1 to 3, which is connected to two humidification water ports that communicate with the humidification unit, respectively.
【請求項5】 前記貯水タンクが断熱材で覆われてい
る、請求項4に記載の装置。
5. The device according to claim 4, wherein the water storage tank is covered with an insulating material.
【請求項6】 前記燃料電池に水素ガスを供給する燃料
供給管と、該燃料供給管に前記燃料電池から吐出された
水素ガスを還流する還流管とを有し、 前記燃料供給管には、前記還流管の合流部よりも下流側
にポンプが配設されている、請求項1乃至請求項5のい
ずれかに記載の装置。
6. A fuel supply pipe for supplying hydrogen gas to the fuel cell, and a return pipe for returning hydrogen gas discharged from the fuel cell to the fuel supply pipe, wherein the fuel supply pipe includes: The apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein a pump is arranged on the downstream side of the confluence portion of the reflux pipe.
【請求項7】 前記還流管に、絶対圧で作動するリリー
フ弁が配設されている、請求項6に記載の装置。
7. The apparatus according to claim 6, wherein the reflux pipe is provided with a relief valve that operates at an absolute pressure.
【請求項8】 更に、 前記燃料電池には、酸化剤としての空気が供給されて、
該燃料電池から排出される空気が通る排空気通路に介装
されて、該排空気通路を通る空気から水分を取り除く凝
縮器と、 該凝縮器で凝縮した水分を貯蔵する貯水タンクと、 ガスを封入した蓄圧タンクと、 前記燃料電池から吐出された水素ガスから水分を分離す
る分離器とを有し、 該分離器の排水通路が、逆止弁を介して、前記凝縮器内
の前記排空気通路に接続され、 前記貯水タンクと前記蓄圧タンクとが、前記燃料電池の
前記加湿部に通じる2つの加湿水用ポートに、夫々、接
続されている、請求項1に記載の装置。
8. The fuel cell is further supplied with air as an oxidant,
A condenser, which is interposed in an exhaust air passage through which air discharged from the fuel cell passes, removes water from the air passing through the exhaust air passage, a water storage tank for storing water condensed by the condenser, and a gas It has an enclosed accumulator tank and a separator for separating water from the hydrogen gas discharged from the fuel cell, and the drain passage of the separator has a check valve to allow the exhaust air in the condenser to flow. The device according to claim 1, wherein the device is connected to a passage, and the water storage tank and the pressure storage tank are respectively connected to two humidification water ports that communicate with the humidification section of the fuel cell.
【請求項9】 更に、 前記燃料電池には、酸化剤としての空気が供給されて、
該燃料電池から排出される空気から水分を取り除く凝縮
器と、 該凝縮器で凝縮した水分を貯蔵する貯水タンクと、 ガスを封入した蓄圧タンクと、 前記燃料電池から吐出された水素ガスから水分を分離す
る分離器とを有し、 前記分離器の排水通路が、逆止弁を介して、前記燃料電
池から排出される空気が通る排空気通路のうち、前記凝
縮器よりも上流側の排空気通路に接続され、 前記貯水タンクと前記蓄圧タンクとが、前記燃料電池の
前記加湿部に通じる2つの加湿水用ポートに、夫々、接
続されている、請求項1に記載の装置。
9. The fuel cell is further supplied with air as an oxidant,
A condenser for removing water from the air discharged from the fuel cell, a water storage tank for storing the water condensed by the condenser, a pressure accumulating tank for enclosing the gas, and water for discharging water from the hydrogen gas discharged from the fuel cell. A separator for separating, wherein the drainage passage of the separator is an exhaust air passage through which the air discharged from the fuel cell passes through a check valve, and the exhaust air on the upstream side of the condenser The device according to claim 1, wherein the device is connected to a passage, and the water storage tank and the pressure storage tank are respectively connected to two humidification water ports that communicate with the humidification section of the fuel cell.
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