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JP3589175B2 - Fuel cell device - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に燃料と空気とを供給して化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する燃料電池装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対し、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび空気を、高分子膜・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。その中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が、自動車などの移動体用電源として注目されている。
【0003】
固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子膜型燃料電池は、電解質膜を、燃料となる水素が供給されるアノード電極(水素極)と、空気が供給されるカソード電極(空気極)との間に配置した構成となっている。水素極では水素が供給されることで、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。
【0004】
一方、空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、外部に排出される。
【0005】
上記したような電解質膜は、飽和含水することによりイオン導電性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。逆に、含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。
【0006】
一方、発電により水素極で分離した水素イオンが電解質膜を通るときに、水も一緒に移動するため、水素極側では乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で電解質膜は乾燥する傾向にある。
【0007】
このようなことから、固体高分子膜型燃料電池における電解質膜は、外部から水分を供給して加湿する必要がある。電解質膜を加湿する方法としては、空気極で生成される水を回収して利用する方法が、例えば特開平7−272740号公報や、特開平11−185782号公報に記載されている。これは、燃料電池の空気極で生成された水(空気中に含まれる水分)をコンデンサで冷却凝縮し、貯水タンクに回収して貯水するとともに、貯水タンクから直接ポンプによって水を汲み出し、燃料電池に供給されるガス(水素および空気)に対する加湿や燃料電池の冷却に使用している。
【0008】
このような構成は、SAE paper 2000−01−1061およびSAE paper 98C054にも記載されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、加湿器に空気極から回収した水を供給する場合には、水の供給量が少ないと、加湿器における蒸発によって水から熱が奪われることによる水の温度低下が大きくなり、結果として燃料電池に供給されるガスの露点が低下し、燃料電池の出力が低下することになり、このため、加湿器への加湿水の供給量を多くする必要がある。また、燃料電池は熱効率が高いものの、内燃機関のように、排気からの熱損失が少ないため、燃料電池の冷却のためを考慮しても冷却水供給量も多くする必要がある。
【0010】
ところが、貯水タンクからポンプにより汲み上げる水の量が多いと、貯水タンクの加湿水出口近傍で渦流が発生してキャビテーションを引き起し、このキャビテーションによって貯水タンクの加湿水出口近傍に応力集中するばかりでなく、ポンプの効率低下およびポンプ自体の性能の悪化を引き起こすことになる。
【0011】
そこで、この発明は、貯水タンク内の水を加湿水として用いるべくポンプにより汲み上げる際のキャビテーションの発生を防止することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項1の発明は、燃料電池の空気極で生成される水を回収して貯水する貯水タンクを設けるとともに、前記燃料電池に供給される燃料と空気との少なくともいずれか一方を加湿する加湿器を設け、前記貯水タンクと前記加湿器とを、加湿水供給ポンプを備えた加湿水供給通路で接続し、前記加湿器に一端が接続される加湿水戻し通路の他端を、前記貯水タンクと加湿水供給ポンプとの間の加湿水供給通路に接続し、前記燃料電池の空気極と貯水タンクとの間に、空気極から排出された蒸気分を凝縮するコンデンサを設け、このコンデンサを、前記燃料電池における空気極の出口より上方に配置する一方、第2の貯水タンクを前記空気極の出口より下方に配置し、この第2の貯水タンクを前記空気極とコンデンサとの間の空気極出口近傍に接続した構成としてある。
【0015】
請求項の発明は、請求項の発明の構成において、第2の貯水タンクに貯水した水を加湿水として使用する構成としてある。
【0016】
請求項の発明は、請求項の発明の構成において、第2の貯水タンク内の水を貯水タンクに圧送するポンプを設けた構成としてある。
【0017】
請求項の発明は、請求項の発明の構成において、第2の貯水タンクと、加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間の加湿水供給通路とを接続する通路を設け、この通路を開閉する開閉弁を設けた構成としてある。
【0018】
請求項の発明は、請求項1ないしのいずれかの発明の構成において、燃料電池を冷却するための冷却水が通る冷却水供給通路を加湿水供給通路の加湿器側端部に接続するとともに、冷却後燃料電池から排出される冷却水の冷却水戻し通路を、加湿水戻し通路の加湿器側端部に接続した構成としてある。
【0019】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、加湿水供給ポンプにより貯水タンクから汲み出されて加湿器で加湿に使用(消費)されなかった余剰の水が、加湿水戻し通路を経て加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間に還流し、この還流した水を貯水タンク内の水とともに加湿水供給ポンプにより加湿器に供給するようにしたため、貯水タンクから汲み出すべき水の量は加湿に使用された分だけとなって少なくて済み、貯水タンクの加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンクの加湿水出口近傍の応力集中やポンプの効率低下およびポンプ自体の性能悪化を防止することができる。
また、燃料電池の空気極出口近傍に、空気極出口より下方に位置する第2の貯水タンクを設けたので、空気極出口より上方に配置してあるコンデンサに至る途中で凝縮した水や、空気極出口から直接排出される水が、第2の貯水タンクに取り込まれ、空気極への水の逆流が回避されて燃料電池の性能低下を防止することができる。
【0022】
請求項の発明によれば、第2の貯水タンクに取り込まれた水も加湿水として有効利用することができる。
【0023】
請求項の発明によれば、第2の貯水タンクに取り込まれた水を、ポンプにより貯水タンクに確実に供給することができる。
【0024】
請求項の発明によれば、加湿水供給ポンプを作動させた状態で、開閉弁を開放することで、第2の貯水タンク内の水も加湿水供給ポンプにより汲み出すことができるので、貯水タンクから汲み出される水の量をさらに少なくでき、貯水タンクの加湿水出口近傍での渦流発生をより確実に防止することができる。
【0025】
請求項の発明によれば、加湿水供給ポンプにより貯水タンクから汲み出されて加湿器で加湿に使用されなかった余剰の水を、燃料電池の冷却に使用しても、この冷却後の水が冷却水戻し通路および加湿水戻し通路を経て加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間に還流し、この還流した水を貯水タンク内の水とともに加湿水供給ポンプにより加湿器に供給できるので、貯水タンクから汲み出される水の量は加湿に使用された分だけとなって少なくなり、貯水タンクの加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンクの加湿水出口近傍の応力集中やポンプの効率低下およびポンプ自体の性能悪化を防止することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0027】
図1は、この発明の第1の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。燃料としての水素が貯蔵される高圧の水素タンク1と、燃料電池3の水素極3aの燃料入口3aiとは、燃料供給通路5により接続されている。燃料供給通路5には、水素タンク1側から、減圧弁7,圧力制御弁9,循環器11および加湿器13が順次設けられている。
【0028】
減圧弁7は、水素タンク1から供給される水素を所定の圧力まで減圧する。圧力制御弁9は、減圧弁7によって減圧された水素の圧力を、マイクロコンピュータなどからなる図示しないコントロールユニットによって制御されて燃料電池装置の運転条件に対応した所望の圧力に制御する。循環器11は、燃料電池3における水素極3aの燃料出口3aoに一端が接続された燃料再循環通路15の他端が接続され、燃料電池3で発電に寄与できずに余剰となった水素を、燃料再循環通路15を経て燃料供給通路5に戻す。加湿器13は、燃料電池3に供給される水素および後述する空気に対して所望の湿度(ほぼ相対湿度100%)に加湿する。
【0029】
一方、燃料電池3の空気極3bの空気入口3biと、コンプレッサ17とは空気供給通路19により接続されている。空気供給通路19には、コンプレッサ17側からフィルタ21および前記した加湿器13が順次設けられている。フィルタ21は、冷却された空気中のダストを除去する。
【0030】
燃料電池3における空気極3bの出口となる空気出口3boに一端が接続された空気排出通路23の他端には、コンデンサ25が接続されている。コンデンサ25には、冷却水入口通路29と冷却水出口通路31とがそれぞれ接続され、図示しない冷却系から冷却水がコンデンサ25に供給される。このコンデンサ25では、空気極3bで反応により生成された水(蒸気分と液分)中の蒸気分と、空気極3bで空気消費に伴って余剰となった蒸気分が、冷却水によって冷却/凝縮されることにより液水化され、セパレータ33に導入される。
【0031】
なお、コンデンサ25の上下方向位置は、コンデンサ25の下方にセパレータ33、その下方に貯水タンク39を設置する必要があるため、燃料電池3における空気極3bの空気出口3boより上方となる。
【0032】
セパレータ33では、凝縮された水が空気と分離され、空気は、空気放出通路35に設けられて前記した図示しないコントロールユニットにより制御される圧力調整弁37により、運転条件に応じた所望の圧力に調整されるとともに、燃料電池3内での水素極3aと空気極3bとの圧力差が所定の範囲になるよう調整される。一方セパレータ33で空気と分離された水は、貯水タンク39に回収される。
【0033】
貯水タンク39と加湿器13とは、加湿水供給ポンプ41を備えた加湿水供給通路43で接続され、加湿器13に一端が接続される加湿水戻し通路45の他端は、貯水タンク39と加湿水供給ポンプ41との間の加湿水供給通路43aに接続されている。さらに、加湿器13と燃料電池3とは、冷却水供給通路47と冷却水戻し通路49とでそれぞれ接続されている。すなわち、貯水タンク39内の水は、加湿水供給ポンプ41により汲み出され、加湿器13に達することで水素および空気を加湿し、さらに冷却水供給通路47を経て燃料電池3に達して燃料電池3を冷却した後、冷却水戻し通路49、加湿器13および加湿水戻し通路45を経て加湿水供給通路43aに戻される。
【0034】
上記した構成によれば、加湿水供給ポンプ41により貯水タンク39から汲み上げられて加湿器13に達し、ここで加湿に寄与しなかった余剰の水が、燃料電池3を冷却後、加湿器13を経て貯水タンク39の下流側の加湿水供給通路43aに戻され、この戻された水および、加湿器13で消費された量に相当する貯水タンク39内の水が、加湿水供給ポンプ41により、加湿器13に供給される。
【0035】
このため、加湿水供給ポンプ41により貯水タンク39から汲み上げられる水の量は、加湿器13で消費された分だけとなって少なくなり、この結果貯水タンク39の加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンク39の加湿水出口近傍への応力集中や、加湿水供給ポンプ41の効率低下および加湿水供給ポンプ41自体の性能悪化を防止することができる。
【0036】
また、セパレータ33で水と分離された空気の圧力を、圧力調整弁37により調整することで、貯水タンク39に対して所定の空気圧を付与できるので、加湿水供給ポンプ41の揚程を小さくできるとともに、燃料電池3内での水素極3aと空気極3bとの圧力差を所定範囲に抑えられ、燃料電池3の性能向上に寄与することができる。
【0037】
図2は、この発明の第2の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図であり、燃料電池3に対する冷却系を、加湿器13への加湿水供給系とは別となる冷却水導入通路51および冷却水排出通路53を燃料電池3にそれぞれ接続して構成した例である。その他の構成は、前記図1のものと同様である。したがって、この場合には、加湿水供給ポンプ41で汲み上げられた水は、加湿水供給通路43を経て加湿器13に達した後、加湿水戻し通路45を経て貯水タンク39と加湿水供給ポンプ41との間の加湿水供給通路43aに戻される。
【0038】
上記図2の例においても、加湿器13から流出する水は、貯水タンク39と加湿水供給ポンプ41との間の加湿水供給通路43aに戻されるので、加湿水供給ポンプ41により貯水タンク39から汲み上げられる水の量は、加湿器13で消費された分だけとなって少なくなり、貯水タンク39の加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンク39の加湿水出口近傍への応力集中や、加湿水供給ポンプ41の効率低下および加湿水供給ポンプ41自体の性能悪化を防止することができる。
【0039】
図3は、この発明の第3の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図であり、図2の例に対し、燃料電池3における空気極3bの空気出口3boに接続された空気排出通路23の空気出口3bo近傍に、第2の貯水タンク55を、回収通路57を介して接続している。第2の貯水タンク55は、燃料電池3における空気極3bの空気出口3boより下方に位置しており、内部には、回収した水の液面を検出する液面センサ59が設けられている。
【0040】
第2の貯水タンク55と貯水タンク39とは、放出通路61により接続されている。放出通路61には、第2の貯水タンク55内の水を貯水タンク39に圧送供給するポンプ63が設けられている。その他の構成は、図2のものと同様である。
【0041】
図4は、図3の例における燃料電池の空気極3bの空気出口3bo、コンデンサ25および第2の貯水タンク55のそれぞれの上下位置関係を示した説明図である。すなわち、空気出口3boより上方にコンデンサ25が配置され、空気出口3boより下方に第2の貯水タンク55が配置されている。
【0042】
上記した図3の例では、図4に示すように、空気極3bの空気出口3boから流出し、空気極3bより上方に配置してあるコンデンサ25に向かう蒸気Sが空気排出通路23の途中で凝縮した水L1や、空気出口3boから排出される水L2が、空気出口3boより下方に配置してある第2の貯水タンク55に回収される。このため、空気排出通路23を空気出口3boに向けて水が逆流する現象を回避でき、燃料極3aおよび空気極3bへの水の蓄積を防止でき、燃料電池としての性能悪化を防止することができる。
【0043】
第2の貯水タンク55に回収された水は、液面センサ59で液面が所定範囲に維持されるように、ポンプ63を駆動して貯水タンク39に圧送し、加湿水として利用される。
【0044】
図5は、この発明の第4の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図であり、図3におけるポンプ63に代えて開閉弁65を設けるとともに、放出通路61を、貯水タンク39と加湿水供給ポンプ41との間の加湿水供給通路43aに接続している。その他の構成は図3のものと同様である。
【0045】
加湿水供給ポンプ41が作動すると、その上流側が負圧となるので、この状態で開閉弁65が開弁すると、その負圧による吸引力によって第2の貯水タンク55内の水が貯水タンク39の下流側に供給される。第2の貯水タンク55内の水量は、液面センサ59によって検出されて所定範囲となるように、開閉弁55が前記した図示しないコントロールユニットによりオン・オフ制御される。
【0046】
この場合には、図3のものに対し、ポンプ63の代わりに開閉弁65を使用することでその分コスト低下が達成されるとともに、加湿水供給ポンプ41により貯水タンク39から汲み上げられる水の量が、加湿器13で消費された分から第2貯水タンク55より供給される分を差し引いた分だけとなってさらに少なくなり、貯水タンク39の加湿水出口近傍での渦流発生がより確実に回避することができ、貯水タンク39の加湿水出口近傍への応力集中や、加湿水供給ポンプ41の効率低下および加湿水供給ポンプ41自体の性能悪化を確実に防止することができる。
【0047】
なお、図3および図5の例においては、燃料電池3に対する冷却系を加湿水の供給系とは別に設けてあるが、図1の例のように、加湿水供給系に燃料電池3に対する冷却系の配管を接続した構成としても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図2】この発明の第2の実施形態を示す燃料電池装置の全体構図である。
【図3】この発明の第3の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図4】図3の実施形態における燃料電池の空気極の空気出口、コンデンサおよび第2の貯水タンクのそれぞれの上下位置関係を示した説明図である。
【図5】この発明の第4の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【符号の説明】
3 燃料電池
3b 空気極
3bo 空気出口
13 加湿器
25 コンデンサ
33 セパレータ
37 圧力調整弁
39 貯水タンク
41 加湿水供給ポンプ
43,43a 加湿水供給通路
45 加湿水戻し通路
47 冷却水供給通路
49 冷却水戻し通路
55 第2の貯水タンク
61 放出通路
63 ポンプ
65 開閉弁
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device that supplies fuel and air to a fuel cell, converts chemical energy into electric energy, and generates power.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cell technology that enables clean exhaust and high energy efficiency has attracted attention with respect to environmental problems, in particular, the problem of air pollution caused by vehicle exhaust gas and global warming caused by carbon dioxide. 2. Description of the Related Art A fuel cell is an energy conversion system that supplies hydrogen or a hydrogen-rich reformed gas and air serving as a fuel to a polymer membrane-electrocatalyst composite to cause an electrochemical reaction to convert chemical energy into electric energy. . Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell having a particularly high output density has attracted attention as a power source for a mobile body such as an automobile.
[0003]
In a polymer electrolyte membrane fuel cell using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, an electrolyte membrane is composed of an anode electrode (hydrogen electrode) supplied with hydrogen as a fuel and a cathode electrode (air electrode) supplied with air. It is the structure arranged between. When hydrogen is supplied to the hydrogen electrode, it is dissociated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte membrane, and the electrons generate electric power through an external circuit and move to the air electrode.
[0004]
On the other hand, at the air electrode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and the electrons to generate water, which is discharged to the outside.
[0005]
The electrolyte membrane as described above functions as an ion conductive electrolyte by being saturated with water, and also has a function of separating hydrogen and oxygen. Conversely, if the water content is insufficient, the ionic resistance will increase, and hydrogen and oxygen will be mixed, making it impossible to generate power as a fuel cell.
[0006]
On the other hand, when the hydrogen ions separated at the hydrogen electrode by the power generation pass through the electrolyte membrane, the water also moves together, so that the hydrogen electrode side tends to dry. Also, when the amount of water vapor contained in the supplied hydrogen or air is small, the electrolyte membrane tends to dry near the respective reaction gas inlets.
[0007]
For this reason, the electrolyte membrane in the polymer electrolyte fuel cell needs to be humidified by supplying water from the outside. As a method of humidifying the electrolyte membrane, a method of collecting and using water generated at an air electrode is described in, for example, JP-A-7-272740 and JP-A-11-185782. This means that the water (moisture contained in the air) generated at the cathode of the fuel cell is cooled and condensed by a condenser, collected and stored in a water storage tank, and water is pumped directly from the water storage tank by a pump. It is used to humidify the gas (hydrogen and air) supplied to the fuel cell and to cool the fuel cell.
[0008]
Such a configuration is also described in SAE paper 2000-01-1061 and SAE paper 98C054.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when supplying the water recovered from the air electrode to the humidifier, if the supply amount of water is small, the temperature of the water decreases greatly due to the heat taken from the water by evaporation in the humidifier, and as a result, the fuel The dew point of the gas supplied to the battery decreases, and the output of the fuel cell decreases. Therefore, it is necessary to increase the supply amount of the humidifying water to the humidifier. Further, although the fuel cell has high thermal efficiency, since the heat loss from exhaust gas is small as in the case of an internal combustion engine, it is necessary to increase the supply amount of cooling water even in consideration of cooling the fuel cell.
[0010]
However, if the amount of water pumped from the water storage tank by the pump is large, a vortex is generated near the humidification water outlet of the water storage tank to cause cavitation, and the cavitation concentrates stress only near the humidification water outlet of the water storage tank. Instead, the efficiency of the pump is reduced and the performance of the pump itself is deteriorated.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to prevent the occurrence of cavitation when pumping water from a water storage tank using humidifying water.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 provides a water storage tank for collecting and storing water generated at an air electrode of a fuel cell, and at least a fuel and air supplied to the fuel cell. A humidifier for humidifying one of the humidifiers is provided, the water storage tank and the humidifier are connected by a humidification water supply passage having a humidification water supply pump, and a humidification water return passage having one end connected to the humidifier. The other end is connected to a humidification water supply passage between the water storage tank and the humidification water supply pump, and a condenser for condensing steam discharged from the air electrode between the air electrode of the fuel cell and the water storage tank. The capacitor is disposed above the outlet of the cathode in the fuel cell, while the second water storage tank is disposed below the outlet of the cathode, and the second water storage tank is connected to the cathode. Capacitor It is constituted connected near the cathode outlet between.
[0015]
The invention of claim 2 is the configuration of the invention of claim 1, there is a water watertable second water storage tank configured so as to use as humidification water.
[0016]
The invention of claim 3, in the configuration of the invention of claim 2, there is a structure in which a pump for pumping the water in the second water storage tank to storage tank.
[0017]
A fourth aspect of the present invention, in the configuration of the invention of claim 2, and a second water storage tank, a humidification water supply pump passage that connects the humidifying water supply passage between the water storage tank is provided, opening and closing the passage The opening and closing valve is provided.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in the configuration according to any one of the first to fourth aspects, a cooling water supply passage through which cooling water for cooling the fuel cell passes is connected to a humidifier side end of the humidification water supply passage. In addition, a cooling water return passage for cooling water discharged from the fuel cell after cooling is connected to a humidifier side end of the humidification water return passage.
[0019]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, excess water pumped out of the water storage tank by the humidification water supply pump and not used (consumed) for humidification by the humidifier passes through the humidification water return passage and the humidification water supply pump. The water is returned to the tank and this returned water is supplied to the humidifier by the humidification water supply pump together with the water in the water storage tank, so the amount of water to be pumped out of the water storage tank is only the amount used for humidification. The generation of eddy currents near the humidification water outlet of the water storage tank is avoided to prevent cavitation, stress concentration near the humidification water outlet of the water storage tank, reduction in pump efficiency, and deterioration of the performance of the pump itself. Can be prevented.
Further, since the second water storage tank located below the air electrode outlet is provided near the air electrode outlet of the fuel cell, water condensed on the way to the condenser disposed above the air electrode outlet, The water directly discharged from the pole outlet is taken into the second water storage tank, and the backflow of water to the air electrode is avoided, so that the performance of the fuel cell can be prevented from deteriorating.
[0022]
According to the invention of claim 2 can be water taken into the second water storage tank is also effectively used as humidifying water.
[0023]
According to the invention of claim 3 , the water taken in the second water storage tank can be reliably supplied to the water storage tank by the pump.
[0024]
According to the invention of claim 4, the water in the second water storage tank can be pumped out by the humidification water supply pump by opening the on-off valve while the humidification water supply pump is operated. The amount of water drawn from the tank can be further reduced, and the generation of a vortex near the humidification water outlet of the water storage tank can be more reliably prevented.
[0025]
According to the fifth aspect of the present invention, even if excess water pumped out of the water storage tank by the humidification water supply pump and not used for humidification by the humidifier is used for cooling the fuel cell, Is returned between the humidification water supply pump and the water storage tank through the cooling water return passage and the humidification water return passage, and the returned water can be supplied to the humidifier by the humidification water supply pump together with the water in the water storage tank. The amount of water pumped out of the tank is reduced by the amount used for humidification, which prevents eddy currents near the humidification water outlet of the storage tank and prevents cavitation. , Stress deterioration of the pump, and deterioration of the performance of the pump itself can be prevented.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0027]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a first embodiment of the present invention. A high-pressure hydrogen tank 1 in which hydrogen as fuel is stored and a fuel inlet 3ai of a hydrogen electrode 3a of the fuel cell 3 are connected by a fuel supply passage 5. A pressure reducing valve 7, a pressure control valve 9, a circulator 11, and a humidifier 13 are sequentially provided in the fuel supply passage 5 from the hydrogen tank 1 side.
[0028]
The pressure reducing valve 7 reduces the pressure of the hydrogen supplied from the hydrogen tank 1 to a predetermined pressure. The pressure control valve 9 controls the pressure of hydrogen reduced by the pressure reducing valve 7 to a desired pressure corresponding to the operating conditions of the fuel cell device under the control of a control unit (not shown) such as a microcomputer. The circulator 11 is connected to the other end of the fuel recirculation passage 15, one end of which is connected to the fuel outlet 3 ao of the hydrogen electrode 3 a in the fuel cell 3, and removes excess hydrogen that cannot contribute to power generation in the fuel cell 3. Then, the fuel is returned to the fuel supply passage 5 through the fuel recirculation passage 15. The humidifier 13 humidifies hydrogen supplied to the fuel cell 3 and air described later to a desired humidity (approximately 100% relative humidity).
[0029]
On the other hand, the air inlet 3bi of the air electrode 3b of the fuel cell 3 and the compressor 17 are connected by an air supply passage 19. The filter 21 and the humidifier 13 are sequentially provided in the air supply passage 19 from the compressor 17 side. The filter 21 removes dust in the cooled air.
[0030]
A capacitor 25 is connected to the other end of the air discharge passage 23, one end of which is connected to an air outlet 3bo serving as an outlet of the air electrode 3b in the fuel cell 3. The cooling water inlet passage 29 and the cooling water outlet passage 31 are respectively connected to the condenser 25, and the cooling water is supplied to the condenser 25 from a cooling system (not shown). In the condenser 25, the steam component in the water (steam component and liquid component) generated by the reaction at the air electrode 3b and the excess steam component due to the air consumption at the air electrode 3b are cooled / cooled by the cooling water. The condensed liquid is liquefied and introduced into the separator 33.
[0031]
The vertical position of the condenser 25 is higher than the air outlet 3bo of the air electrode 3b of the fuel cell 3 because it is necessary to install the separator 33 below the condenser 25 and the water storage tank 39 below the separator 33.
[0032]
In the separator 33, the condensed water is separated from the air, and the air is adjusted to a desired pressure according to the operating conditions by a pressure regulating valve 37 provided in the air discharge passage 35 and controlled by the control unit (not shown). At the same time, the pressure difference between the hydrogen electrode 3a and the air electrode 3b in the fuel cell 3 is adjusted to be within a predetermined range. On the other hand, the water separated from the air by the separator 33 is collected in the water storage tank 39.
[0033]
The water storage tank 39 and the humidifier 13 are connected by a humidification water supply passage 43 provided with a humidification water supply pump 41, and the other end of the humidification water return passage 45 connected to the humidifier 13 at one end is connected to the water storage tank 39. The humidification water supply pump 43 is connected to a humidification water supply passage 43a. Further, the humidifier 13 and the fuel cell 3 are connected by a cooling water supply passage 47 and a cooling water return passage 49, respectively. That is, the water in the water storage tank 39 is pumped out by the humidification water supply pump 41 and humidifies the hydrogen and the air by reaching the humidifier 13, and further reaches the fuel cell 3 through the cooling water supply passage 47 and reaches the fuel cell 3. After cooling the cooling water 3, the cooling water is returned to the humidification water supply passage 43 a via the cooling water return passage 49, the humidifier 13, and the humidification water return passage 45.
[0034]
According to the above-described configuration, the humidifier 13 is pumped up from the water storage tank 39 by the humidification water supply pump 41 and reaches the humidifier 13. Through the humidification water supply pump 43, the water is returned to the humidification water supply passage 43a on the downstream side of the water storage tank 39, and the returned water and the water in the water storage tank 39 corresponding to the amount consumed by the humidifier 13. It is supplied to the humidifier 13.
[0035]
For this reason, the amount of water pumped up from the water storage tank 39 by the humidification water supply pump 41 is reduced by the amount consumed by the humidifier 13, and as a result, vortex generation near the humidification water outlet of the water storage tank 39 occurs. This avoids the occurrence of cavitation, thereby preventing stress concentration in the vicinity of the humidification water outlet of the water storage tank 39, reduction in efficiency of the humidification water supply pump 41, and deterioration of the performance of the humidification water supply pump 41 itself.
[0036]
Further, by adjusting the pressure of the air separated from the water by the separator 33 by the pressure adjusting valve 37, a predetermined air pressure can be given to the water storage tank 39, so that the head of the humidification water supply pump 41 can be reduced. In addition, the pressure difference between the hydrogen electrode 3a and the air electrode 3b in the fuel cell 3 can be suppressed to a predetermined range, which can contribute to improving the performance of the fuel cell 3.
[0037]
FIG. 2 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a second embodiment of the present invention, in which a cooling system for the fuel cell 3 is different from a humidifying water supply system for the humidifier 13 in a cooling water introduction passage. This is an example in which a fuel cell 51 and a cooling water discharge passage 53 are connected to the fuel cell 3 respectively. Other configurations are the same as those in FIG. Therefore, in this case, the water pumped by the humidification water supply pump 41 reaches the humidifier 13 via the humidification water supply passage 43, and then passes through the humidification water return passage 45 to the water storage tank 39 and the humidification water supply pump 41. Is returned to the humidification water supply passage 43a.
[0038]
In the example of FIG. 2 as well, the water flowing out of the humidifier 13 is returned to the humidification water supply passage 43a between the water storage tank 39 and the humidification water supply pump 41. The amount of water to be pumped is reduced by the amount consumed by the humidifier 13, and vortex generation near the humidification water outlet of the water storage tank 39 is avoided, cavitation is prevented, and humidification water in the water storage tank 39 is prevented. It is possible to prevent stress concentration near the outlet, decrease in efficiency of the humidification water supply pump 41, and deterioration of performance of the humidification water supply pump 41 itself.
[0039]
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 3, an air discharge passage 23 connected to an air outlet 3bo of an air electrode 3b in the fuel cell 3 is different from the example of FIG. A second water storage tank 55 is connected via a recovery passage 57 near the air outlet 3bo. The second water storage tank 55 is located below the air outlet 3bo of the air electrode 3b in the fuel cell 3, and is provided with a liquid level sensor 59 for detecting the liquid level of the collected water.
[0040]
The second water storage tank 55 and the water storage tank 39 are connected by a discharge passage 61. The discharge passage 61 is provided with a pump 63 for supplying water in the second water storage tank 55 to the water storage tank 39 by pressure. Other configurations are the same as those in FIG.
[0041]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a vertical positional relationship among the air outlet 3bo of the air electrode 3b, the condenser 25, and the second water storage tank 55 in the example of FIG. That is, the condenser 25 is disposed above the air outlet 3bo, and the second water storage tank 55 is disposed below the air outlet 3bo.
[0042]
In the example of FIG. 3 described above, as shown in FIG. 4, the steam S flowing out of the air outlet 3bo of the air electrode 3b toward the condenser 25 disposed above the air electrode 3b flows in the air discharge passage 23 in the middle. The condensed water L1 and the water L2 discharged from the air outlet 3bo are collected in the second water storage tank 55 disposed below the air outlet 3bo. Therefore, it is possible to avoid a phenomenon that water flows backward toward the air outlet 3bo toward the air discharge passage 23, prevent water from accumulating in the fuel electrode 3a and the air electrode 3b, and prevent performance deterioration as a fuel cell. it can.
[0043]
The water collected in the second water storage tank 55 is pumped to the water storage tank 39 by driving the pump 63 so that the liquid level is maintained in a predetermined range by the liquid level sensor 59, and is used as humidifying water.
[0044]
FIG. 5 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a fourth embodiment of the present invention. An on-off valve 65 is provided instead of the pump 63 in FIG. 3, and the discharge passage 61 is connected to the water storage tank 39 and the humidifying water. It is connected to a humidification water supply passage 43a between the supply pump 41 and the humidification water supply passage 43a. Other configurations are the same as those in FIG.
[0045]
When the humidification water supply pump 41 is operated, the upstream side thereof has a negative pressure. Therefore, when the on-off valve 65 is opened in this state, the water in the second water storage tank 55 is released from the water storage tank 39 by the suction force due to the negative pressure. It is supplied downstream. The on / off control of the on-off valve 55 is performed by the control unit (not shown) so that the amount of water in the second water storage tank 55 is detected by the liquid level sensor 59 and falls within a predetermined range.
[0046]
In this case, by using an on-off valve 65 instead of the pump 63 in FIG. 3, the cost can be reduced by that much, and the amount of water pumped from the water storage tank 39 by the humidification water supply pump 41. However, the amount of water consumed by the humidifier 13 is subtracted from the amount supplied from the second water storage tank 55, and the amount is further reduced, so that the generation of a vortex near the humidification water outlet of the water storage tank 39 is more reliably avoided. This can reliably prevent stress concentration near the humidification water outlet of the water storage tank 39, decrease in efficiency of the humidification water supply pump 41, and deterioration of performance of the humidification water supply pump 41 itself.
[0047]
In the examples of FIGS. 3 and 5, the cooling system for the fuel cell 3 is provided separately from the humidifying water supply system. However, as in the example of FIG. A configuration in which system piping is connected may be employed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a vertical positional relationship among an air outlet of a cathode of a fuel cell, a condenser, and a second water storage tank in the embodiment of FIG. 3;
FIG. 5 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
3 fuel cell 3b air electrode 3bo air outlet 13 humidifier 25 condenser 33 separator 37 pressure regulating valve 39 storage tank 41 humidification water supply pump 43, 43a humidification water supply passage 45 humidification water return passage 47 cooling water supply passage 49 cooling water return passage 55 second water storage tank 61 discharge passage 63 pump 65 on-off valve

Claims (5)

燃料電池の空気極で生成される水を回収して貯水する貯水タンクを設けるとともに、前記燃料電池に供給される燃料と空気との少なくともいずれか一方を加湿する加湿器を設け、前記貯水タンクと前記加湿器とを、加湿水供給ポンプを備えた加湿水供給通路で接続し、前記加湿器に一端が接続される加湿水戻し通路の他端を、前記貯水タンクと加湿水供給ポンプとの間の加湿水供給通路に接続し、前記燃料電池の空気極と貯水タンクとの間に、空気極から排出された蒸気分を凝縮するコンデンサを設け、このコンデンサを、前記燃料電池における空気極の出口より上方に配置する一方、第2の貯水タンクを前記空気極の出口より下方に配置し、この第2の貯水タンクを前記空気極とコンデンサとの間の空気極出口近傍に接続したことを特徴とする燃料電池装置。A water storage tank for collecting and storing water generated at the air electrode of the fuel cell is provided, and a humidifier for humidifying at least one of fuel and air supplied to the fuel cell is provided. The humidifier is connected to a humidification water supply passage provided with a humidification water supply pump, and the other end of the humidification water return passage, one end of which is connected to the humidifier, is connected between the water storage tank and the humidification water supply pump. Connected to the humidification water supply passage, and provided between the air electrode of the fuel cell and the water storage tank, a condenser for condensing the vapor discharged from the air electrode. The second water storage tank is disposed below the outlet of the air electrode while being disposed above, and the second water storage tank is connected near the air electrode outlet between the air electrode and the condenser. Features and That the fuel cell device. 第2の貯水タンクに貯水した水を加湿水として使用することを特徴とする請求項1載の燃料電池装置。2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the water stored in the second water storage tank is used as humidification water. 第2の貯水タンク内の水を貯水タンクに圧送するポンプを設けたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池装置。3. The fuel cell device according to claim 2, further comprising a pump for pumping water in the second water storage tank to the water storage tank. 第2の貯水タンクと、加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間の加湿水供給通路とを接続する通路を設け、この通路を開閉する開閉弁を設けたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池装置。3. The humidification water supply passage between the second water storage tank and the humidification water supply pump and the water storage tank is provided with a passage for connecting the humidification water supply passage, and an on-off valve for opening and closing this passage is provided. Fuel cell device. 燃料電池を冷却するための冷却水が通る冷却水供給通路を加湿水供給通路の加湿器側端部に接続するとともに、冷却後燃料電池から排出される冷却水の冷却水戻し通路を、加湿水戻し通路の加湿器側端部に接続したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の燃料電池装置。The cooling water supply passage through which the cooling water for cooling the fuel cell passes is connected to the humidifier side end of the humidification water supply passage, and the cooling water return passage for the cooling water discharged from the fuel cell after cooling is connected to the humidification water supply passage. The fuel cell device according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell device is connected to a humidifier-side end of the return passage.
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