JP4464066B2

JP4464066B2 - Fuel cell system

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Publication number: JP4464066B2
Application number: JP2003108985A
Authority: JP
Inventors: 良和田中; 照丸原田; 伸二宮内; 哲也上田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2023-04-14
Also published as: JP2004006309A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いて発電と熱供給とを行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムでは、燃料電池において、燃料ガスとして供給される水素リッチなガスと、酸化剤ガスとして供給される空気等とを反応させることにより、電力及び熱を発生させる。この燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ加湿手段によって加湿された後に、燃料電池に供給される。燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段として、例えば、ヒータにより加熱された温水中に燃料ガス及び酸化剤ガスを通して加湿を行うバブラーがある（例えば特許文献１参照）。しかしながら、この場合、バブラーにおいて、水を加熱するためにエネルギーを消費するため、燃料電池システムのエネルギー効率の低下を招く。
【０００３】
一方、燃料電池の空気極側から排出される排出空気（オフガス）に含まれる水分（水蒸気）を、燃料電池の空気極側に供給する空気に、水蒸気透過膜を介して移動させ、それにより、供給空気の加湿を行う加湿装置がある（例えば特許文献２参照）。この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行うことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図るものである。しかしながら、この加湿装置では、被加湿ガス（ここでは加湿される供給空気）を、加湿ガス（ここでは水分の供給元となる排出空気）以上の露点温度に加湿することができない。また、被加湿ガスを高露点温度まで加湿するには、大きな膜面積の水蒸気透過膜が必要となり、よって、加湿装置の規模が大きくなる。したがって、燃料電池システムのコンパクト化が困難である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２８８１３４号公報
【特許文献２】
特開平６−１３２０３８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来の燃料電池システムが有する課題を解決するためになされたもので、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することによりシステム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化及びシステム動作の安定化が図られた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を順次加湿する第１の加湿部と第２の加湿部と、冷却水を前記燃料電池に通流する冷却構造とを備えた燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿部は、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくとも一方に含まれる水分を用いて前記加湿を行い、前記第２の加湿部は、前記冷却水を用いて前記加湿を行い、前記第２の加湿部から前記燃料電池に供給される前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの加湿量を検知する加湿量検知器、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の温度を検知する冷却水温度検知器、及び前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知器のいずれかと、前記いずれかの検知器で検知された値に基づいて前記第２の加湿部における前記供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えるものである。
【０００７】
かかる構成では、排出燃料ガス又は排出酸化剤ガスを用いて第１の加湿部において予め加温及び加湿した供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスに、第２の加湿部で温水を用いてさらに加湿を行う。このため、第２の加湿部における加湿において消費されるエネルギー（特に熱エネルギー）及び水分の低減化を図ることが可能となる。また、第１の加湿部では、燃料電池からの排出燃料ガス又は排出酸化剤ガスを利用して加湿を行うため、加湿に要するエネルギーの低減化を図ることが可能となる。したがって、かかる構成では、燃料電池システム全体のエネルギー効率を向上させることが可能となる。また、第２の加湿部での加湿に要する水分の低減化が図られることから、第２の加湿部に補給する水分の量が少なくすみ、よって、第２の加湿部の温度変動が小さくなる。それゆえ、第２の加湿部での加湿量が安定するとともに、システム動作の安定化が図られる。また、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを高露点に加湿する場合であっても、第１及び第２の加湿部で段階的に効率よく加湿を行うことが可能となるため、燃料電池システムのコンパクト化が図られる。
【０００９】
また、燃料電池の冷却に用いられる７０〜７５℃程度の冷却水を用いて第２の加湿部で供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスの加湿が行われる。したがって、第２の加湿部では、バブラーを用いる場合のように加湿のために水を加熱する必要がなくなり、よって、加湿に要するエネルギーの低減化を図ることが可能となる。また、冷却水は、ほぼ安定した温度に維持されているため、第２の加湿部において、安定して効率よく加湿を行うことが可能となる。さらに、かかる構成では、第１の加湿部によって予め加湿が行われているため、第２の加湿部で加湿に消費される水分の量が低減されており、よって、第２の加湿部で消費される冷却水の量が低減される。したがって、冷却構造に補給する水分の量を抑えることが可能となり、冷却構造における温度変動を抑制することが可能となる。その結果、第２の加湿部において安定した加湿量及び燃料電池の温度安定を実現することが可能となり、システム動作の安定化が図られる。
また、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスの加湿量を最適な値に調節することができるため、燃料電池システムの安定性やエネルギー効率の向上が図られる。また、特に、冷却水バイパス経路を設けて冷却水流量を調節する構成では、燃料電池に供給される冷却水の流量と第２の加湿部に供給される冷却水の流量とをそれぞれ個別に調節することができる。それゆえ、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスへの加湿に最適な流量の冷却水を第２の加湿部に供給し、それ以外の冷却水は、バイパス経路を通じて、第２の加湿部を経由することなく通流させることが可能となる。その結果、第２の加湿部における冷却水の水分及び熱エネルギーの浪費を抑制することができ、第２の加湿部で消費される冷却水の水分及び熱エネルギーの低減化を図ることが可能となる。したがって、効率よく最適な加湿量の供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを得ることができ、また、冷却水の本来の役割である燃料電池の冷却を効率よく安定して行って燃料電池の動作温度を最適値に調整するとともに、冷却水から効率よく熱を回収することが可能となる。したがって、燃料電池システムの安定性及びエネルギー効率の向上を両立してさらに図ることが可能となる。また、燃料電池の発電量や供給ガスの流量に応じて加湿量を調節する構成では、加湿量調節のための検知器を新たに追加する必要がなく、燃料電池システムの運転状態に応じて加湿量の調節を容易に行うことができる。
【００１６】
前記第１の加湿部と前記第２の加湿部とが隣接して一体化された加湿装置を備えてもよい。例えば、前記加湿装置は、複数の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記流路プレートの一方の主面には、前記第１の加湿部の領域に前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成されるとともに前記第２の加湿部の領域に前記冷却水の流路が形成され、各前記流路プレートの他方の主面には、前記第１の加湿部及び前記第２の加湿部にわたって連続した前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成されてもよい。あるいは、前記加湿装置の前記第１の加湿部は、複数の第１の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第１の流路プレートの一方の主面には前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成され、前記加湿装置の前記第２の加湿部は、複数の第２の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第２の流路プレートの一方の主面には前記冷却水流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成され、前記第１の加湿部と前記第２の加湿部とが積層されて前記加湿装置が構成されてもよい。
【００１７】
かかる構成によれば、第１の加湿部から第２の加湿部に、配管等を介することなく供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを供給することが可能となる。したがって、燃料電池システムの小型化及びシステムコストの低減化が図られるとともに、配管等におけるエネルギー損失を防止してエネルギー効率をより向上させることが可能となる。
【００２０】
前記制御装置は、前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよく、また、前記冷却構造が、前記第２の加湿部に前記冷却水を通流させる冷却水経路と、前記第２の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第２の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に燃料電池システムと呼ぶ）の構成を示す模式図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、空気供給装置４０と、前段加湿装置２２と、加湿装置２１ａと、燃料電池１１と、燃料供給装置４１と、燃料処理装置４２と、加湿装置２１ｂと、冷却水放熱器１３と、冷却水タンク１４と、冷却水ポンプ１２とを主な要素として含んで構成されている。
【００２７】
空気供給装置４０から空気経路１を介して前段加湿装置２２に供給された空気は、後述するように、前段加湿装置２２によって加湿される。該加湿された空気は、空気経路２を介して加湿装置２１ａに供給され、該装置２１ａによってさらに加湿される。加湿装置２１ａとしては、従来から使用されている加湿装置、例えば、ヒータで加熱した温水中に該空気を通すことによって加湿を行う構成のバブラーや、インジェクタにより直接水蒸気を該空気に噴霧して該空気を加湿する構成のもの等が挙げられる。加湿装置２１ａによって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、空気経路３を介して燃料電池１１の空気極側に供給される。一方、燃料供給装置４１から燃料経路８を介して、燃料処理装置４２に、原料、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等の、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等及びアルコール等、が供給される。ここでは、燃料処理装置４２として、具体的には、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部が用いられており、燃料処理装置４２では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチなガスが生成される。該水素リッチなガスは、燃料ガス経路９ａを介して加湿装置２１ｂに供給され、該装置２１ｂによって加湿される。加湿装置２１ｂとしては、加湿装置２１ａにおいて前述した加湿装置が用いられている。加湿された水素リッチなガスは、燃料電池１１の燃料ガスとして、燃料ガス経路９ｂを通じて燃料電池１１の燃料極側に供給される。燃料電池１１では、空気極側に供給された空気と、燃料極側に供給された水素リッチなガス（以下、燃料ガスと呼ぶ）とが反応することにより発電が行われ、電気と熱とが発生する。
【００２８】
燃料電池１１に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気経路４を介して、前段加湿装置２２に供給される。前段加湿装置２２では、供給された該排出空気に含まれる水分を利用して、酸化剤ガスとして燃料電池１１に供給される空気の加湿が行われる。前段加湿装置２２を経た空気は、排出空気経路５を通じて排出される。一方、燃料電池１１での反応に利用されなかった燃料ガスは、排出ガス経路１０を介して排出される。
【００２９】
また、燃料電池１１で発生した熱を除去するために、冷却水タンク１４の冷却水が、冷却水ポンプ１２によって加圧されて冷却水経路７を介して燃料電池１１に供給される。ここでは、冷却水タンク１４の冷却水が、７０℃程度に維持されている。燃料電池１１の熱は、供給された該冷却水によって除去される。該熱を回収して温度が７５℃程度となった冷却水は、冷却水流路６を介して再び冷却水タンク１４に戻される。ここで、冷却水流路６中には、冷却水放熱器１３が設けられており、冷却水の熱は、該冷却水放熱器１３によって放出される。このような放熱により、冷却水は、再び７０℃程度まで冷却される。燃料電池システムでは、このように冷却水が循環する構成となっており、また、該冷却水の温度が安定して所定の温度に維持されていることから、燃料電池１１を所定の温度に維持することが可能となる。
【００３０】
次に、本実施の形態の特徴である、前段加湿装置２２における供給空気への加湿動作について説明する。図２及び図３は、図１の燃料電池システムの前段加湿装置の構成を説明するための図であり、図２は、前段加湿装置を構成する流路プレートの透視的な斜視図であり、図２（ａ）はプレートを表面から見た図、及び図２（ｂ）は裏面から見た図である。図３は、図２の流路プレートを積層して構成された前段加湿装置の模式図であって、（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は斜視図である。
【００３１】
図２（ａ），（ｂ）及び図３（ａ），（ｂ）に示すように、前段加湿装置２２は、流路プレート２７が、水分移動膜２３を介して、複数積層されて構成される。流路プレート２７には、燃料電池１１に供給される空気の流路（以下、供給空気流路と呼ぶ）２４が表面に形成されるとともに、燃料電池１１から排出された空気の流路（以下、排出空気流路と呼ぶ）２５が裏面に形成されている。水分移動膜２３は、水分を選択的に透過させる膜であり、例えば、ナフィオン系膜等のプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。流路プレート２７の供給空気流路２４及び排出空気流路２５は、プレートの表面及び裏面に、複数のストライプ状の溝、又は、互いに平行に屈曲された複数の溝を設けることにより形成される。また、各流路プレート２７には、供給空気の経路となるマニホールド孔２８ａ，２８ｂが形成されるとともに、排出空気の経路となるマニホールド孔２９ａ，２９ｂが形成されている。そして、各流路プレート２７の各マニホールド孔２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂの位置がそれぞれ一致するように複数の流路プレート２７を積層することによって、積層体において、マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’、マニホールド孔２９ａが連通してなる排出空気の導入流路２９ａ’、及び、マニホールド孔２９ｂが連通してなる排出空気の取り出し流路２９ｂ’が形成される。マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’は、空気経路１に接続され、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’は、空気経路２に接続されている。それにより、空気経路１から前段加湿装置２２の流路プレート２７に供給された空気（すなわち供給空気）が、該プレート２７の表面に形成された供給空気流路２４に沿って流れ、空気経路２に送られる。一方、マニホールド孔２９ａが連通してなる排出空気の導入流路２９ａ’は、空気経路４に接続され、マニホールド孔２９ｂが連通してなる排出空気の取り出し流路２９ｂ’は、空気経路５に接続されている。それにより、空気経路４から前段加湿装置２２の流路プレート２７に供給された空気（すなわち排出空気）が、該プレート２７の裏面に形成された排出空気流路２５に沿って流れ、空気経路５に送られる。このように、流路プレート２７の表裏面において、対向する供給空気と排出空気の流れが形成される。
【００３２】
前段加湿装置２２では、上記構成を有する複数の流路プレート２７が、それぞれ水分移動膜２３を介して積層されていることから、流路プレート２７表面の供給空気流路２４を流れる供給空気と、別の流路プレート２７裏面の排出空気流路２５を流れる排出空気とが、水分移動膜２３を介して接している。ここで、燃料電池１１から排出された排出空気は、供給空気よりも多くの水分を含むことから、かかる構成の前段加湿装置２２では、該水分移動膜２３を介して、排出空気から供給空気に水分（具体的には水蒸気）が与えられる。特に、供給空気と排出空気とは、対向する流れを形成して接するため、前記水分の移動が効率よく行われる。このように、前段加湿装置２２では、排出空気から回収された水蒸気によって、供給空気が加湿される。また、燃料電池１１から排出された排出空気は、供給空気よりも温度が高いため、前段加湿装置２２では、前記水分の移動とともに、熱エネルギーも排出空気から供給空気に与えられる。それにより、供給空気が加熱される。
【００３３】
上記のようにして前段加湿装置２２によって加湿された供給空気は、空気経路２を介して、加湿装置２１ａに供給される。ここで、加湿装置２１ａに供給された空気は、前述のようにあらかじめ前段加湿装置２２によって加温及び加湿されているため、従来のように加湿装置２１ａのみで加湿する場合に比べて、加湿装置２１ａでは少ない加熱及び加湿でよい。それゆえ、加湿装置２１ａに要する熱エネルギーや水分を低減化することが可能となる。このように、本実施の形態では、あらかじめ前段加湿装置２２によって供給空気の加温及び加湿を行うことにより、加湿装置２１ａでの消費エネルギーを低減可能であるため、システム全体のエネルギー効率の向上を図ることが可能となる。また、加湿装置２１ａでの消費水分を低減可能であることから、加湿装置２１ａに補給する水分の量を抑えることが可能となる。その結果、補給した水分による温度変動を抑制することが可能となり、加湿装置２１ａにおいて安定した加湿量を実現することが可能となる。
さらに、かかる構成の燃料電池システムでは、前段加湿装置２２と加湿装置２１ａとにより、段階的に効率よく加湿を行うことが可能となるため、供給空気を高露点に加湿する場合においても、大型の前段加湿装置２２及び加湿装置２１ａを必要とせず、よって、システムのコンパクト化を図ることが可能となる。
【００３４】
上記においては、燃料電池１１に供給される燃料ガス（以下、供給燃料ガスと呼ぶ）が、加湿装置２１ｂのみで加湿される場合について説明したが、供給燃料ガスについても、前述の供給空気の場合と同様に、加湿装置２１ｂの上流に前段加湿装置を設けて段階的に加湿を行う構成であってもよい。かかる構成では、燃料電池１１から排出される排出燃料ガスが前段加湿装置に供給され、前段加湿装置において、排出燃料ガスの水分が供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加湿が行われるとともに、排出燃料ガスの熱エネルギーが供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加熱が行われる。それにより、供給空気の場合において前述したように、加湿装置２１ｂの消費エネルギーの低減化が図られて燃料電池システムのエネルギー効率の向上が図られるとともに、加湿装置２１ｂにおける水分の消費量の低減化が図られて加湿量の安定化が図られる。このような前段加湿装置は、例えば空気供給側において前述した前段加湿装置２２の構成と同様、水分移動膜を介して複数の流路プレートを積層された構成を有しており、この場合、流路プレートの一方の主面に供給燃料ガス流路が形成されるとともに、他方の主面に排出燃料ガス流路が形成される。
【００３５】
このように、燃料電池システムにおいて、燃料電池１１からの排出ガスを用いて供給ガスの加湿を行う前段加湿装置は、空気側及び燃料側の両方に設けられてもよく、また、いずれか一方に設けられてもよい。なお、燃料電池１１からの排出空気は、排出燃料ガスよりも高湿度であり、また、排出空気の方が、排出燃料ガスよりも、水分移動膜を介した水分移動において、効率よく水分のみを供給空気に与えることが可能である。このことから、空気供給側に前段加湿装置２２を配置することが好ましい。
【００３６】
なお、以下の実施の形態２〜９においては、燃料電池１１の空気供給側における加湿について説明するが、これらの実施の形態では、実施の形態１と同様、燃料ガス供給側についても空気供給側と同様の構成及び加湿方法を適用することが可能である。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図４に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成を有するが、バブラー等の従来の加湿装置を用いる加湿装置２１ａの代わりに、燃料電池１１を冷却するために循環させる冷却水を用いて供給空気の加湿を行う加湿装置２１ａ’が設けられた点が、実施の形態１とは異なっている。以下、この相違点について説明する。
【００３７】
本実施の形態のシステムでは、加湿装置２１ａ’に、前段加湿装置２２で処理された空気を供給する空気経路２が接続されるとともに、加湿装置２１ａ’で加湿処理した空気を燃料電池１１に供給するための空気経路３が接続されている。さらに、加湿装置２１ａ’には、燃料電池１１から回収した冷却水が流れる冷却水経路６ａ，６ｂが接続されており、冷却水が加湿装置２１ａ’を通流する構成となっている。
【００３８】
加湿装置２１ａ’は、実施の形態１の前段加湿装置２２とほぼ同様の構成を有するので、ここでは図２（ａ），（ｂ）及び図３（ａ），（ｂ）を参照して加湿装置２１ａ’の構成を説明する。加湿装置２１ａ’では、流路プレート２７の表面に燃料電池１１に供給される空気の流路（供給空気流路）２４が形成されるとともに、その裏面に、燃料電池１１から回収された冷却水の流路（以下、冷却水流路と呼ぶ）２５が形成されている。そして、該流路プレート２７が、水分移動膜２３を介して、複数積層されて加湿装置２１ａ’が構成される。加湿装置２１ａ’の各流路プレート２７では、マニホールド孔２８ａ，２８ｂが供給空気の流路となり、マニホールド孔２９ａ，２９ｂが冷却水の流路となる。各流路プレート２７の各マニホールド孔２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂの位置がそれぞれ一致するように複数の流路プレート２７を積層することによって、積層体において、マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’、マニホールド孔２９ａが連通してなる冷却水の導入流路２９ａ’、及び、マニホールド孔２９ｂが連通してなる冷却水の取り出し流路２９ｂ’が形成される。マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’は、空気経路２に接続され、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’は、空気経路３に接続されている。それにより、空気経路２から加湿装置２１ａ’の流路プレート２７に供給された空気（すなわち供給空気）が、該プレート２７の表面に形成された供給空気流路２４に沿って流れ、空気経路３に送られる。一方、マニホールド孔２９ａが連通してなる冷却水の導入流路２９ａ’は、冷却水経路６ａに接続され、マニホールド孔２９ｂが連通してなる冷却水の取り出し流路２９ｂ’は、冷却水経路６ｂに接続されている。それにより、冷却水経路６ａから加湿装置２１ａ’の流路プレート２７に供給された冷却水が、該プレート２７の裏面に形成された冷却水流路２５に沿って流れ、冷却水流路６ｂに送られる。このように、流路プレート２７の表裏面において、供給空気と冷却水との対向する流れが形成される。
【００３９】
加湿装置２１ａ’では、上記構成を有する複数の流路プレート２７が、それぞれ水移動膜２３を介して積層されていることから、流路プレート２７表面の供給空気流路２４を流れる供給空気と、別の流路プレート２７裏面の冷却水流路２５を流れる冷却水とが、水分移動膜２３を介して接している。このような構成の加湿装置２１ａ’では、水分移動膜２３を介して、冷却水から供給空気に水分が与えられる。特に、供給空気と冷却水とは、ここでは対向する流れを形成して接しているため、前記水分の移動が効率よく行われる。このように、加湿装置２１ａ’では、冷却水から回収した水分によって、供給空気が加湿される。また、このような水分の移動とともに、冷却水から供給空気へ熱エネルギーが移動する。それにより、供給空気が加熱される。
【００４０】
本実施の形態では、前段加湿装置２２が加湿装置２１ａ’の上流に設けられているため、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態では、加湿装置２１ａ’により、冷却水を利用して供給空気の加温及び加湿を行うことができるため、実施の形態１のようにバブラー等を用いて加湿を行う場合に比べて、加湿装置２１ａ’に供給するエネルギーや水分の低減化を図ることが可能となる。したがって、加湿装置２１ａ’での消費エネルギーをさらに低減し、システム全体のエネルギー効率の向上をさらに図ることが可能となる。また、燃料電池システムでは、燃料電池１１を冷却するために循環させる冷却水の温度が、前述のように７０〜７５℃程度に常に維持されており、特に、ここでは、実施の形態１において前述したように、前段加湿装置２２が設けられたことにより加湿装置２１ａに補給する水分量を低減でき、それゆえ、加湿装置２１ａ’の温度変動を抑制することが可能となっているため、この所定の温度に維持された冷却水を用いて加湿を行うことにより、安定して加湿を行うことが可能となる。さらに、加湿装置２１ａ’は、バブラーやインジェクタ等の加湿手段を別に設ける必要がなく、システム内の冷却水の循環構造を利用するので、簡単な装置構成で加湿を行うことができる。したがって、システムの簡素化及びコストの低減化を図ることが可能となる。
【００４１】
なお、本実施の形態では、燃料電池１１から回収した冷却水を用いて供給空気の加湿を行う場合について説明したが、本実施の形態の変形例として、燃料電池１１に供給される前の冷却水、すなわち冷却水経路７を流れる冷却水を加湿装置２１ａ’に供給することにより前記加湿を行う構成であってもよい。また、燃料電池１１を冷却するための冷却水循環経路６，７とは別に、冷却水タンク１４から加湿装置２１ａ’に冷却水を供給するための経路と、加湿装置２１ａ’から冷却水を取り出すための経路とをさらに設け、これらの経路を通じて加湿装置２１ａ’を通流する冷却水を用いて加湿装置２１ａ’により前記加湿を行う構成であってもよい。
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図５に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態２の燃料電池システムと同様の構成を有するが、冷却水放熱器１３が熱交換器で構成され、冷却水放熱器１３により冷却水から放熱させた熱を貯湯水タンク４５の水の加熱に利用する構成である点が、実施の形態２とは異なっている。以下、この相違点について説明する。
【００４２】
本実施の形態のシステムには、貯湯水タンク４５と、該タンク４５に貯められた水を給水するための貯湯水ポンプ４４と、該タンク４５から給水した水を冷却水放熱器１３を経由して再び該タンク４５に戻す貯湯水循環経路１５とが設けられている。かかる構成においては、加湿装置２１ａ’での加湿に利用された後の冷却水から、熱交換器で構成される冷却水放熱器１３に熱が与えられ、この熱が、さらに貯湯水循環経路１５を循環する水に与えられる。それにより、貯湯水タンク４５の水が加熱され、温水が該タンク４５に蓄えられる。
【００４３】
本実施の形態では、前段加湿装置２２が設けられているため、実施の形態２において前述したように、加湿装置２１ａ’での加湿において冷却水から供給空気に与えられる水分、及び、該水分とともに供給空気に移動する熱を低減することが可能となる。このように、冷却水から加湿により奪われる熱及び水分が少ないことから、冷却水放熱器１３により、より多くの熱を冷却水から回収し、該熱を貯湯水タンク４５の水の加熱に利用することができる。それゆえ、効率よく温水が得られるとともに貯湯水の温度を高くすることが可能となる。その結果、システム全体のエネルギー効率の向上が図られる。また、上記のようにして回収した貯湯水は、温度が高いので広い用途に用いることができ、よって、燃料電池１１から回収した熱の価値を高めることが可能となる。
【００４４】
なお、上記においては、本実施の形態が、実施の形態２の燃料電池システムの構成を基本構成とする場合について説明したが、実施の形態１の燃料電池システムの構成を基本構成とする場合においても、貯湯水タンクを備えた本実施の形態を適用することが可能である。
（実施の形態４）
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図６に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態３の燃料電池システムと同様の構成を有するが、前段加湿装置２２と加湿装置２１ａ’とが一体化した構成、すなわち、前段加湿部２２’と加湿部２１’とを有する加湿装置５０が設けられている点が、実施の形態３とは異なっている。以下、この相違点について説明する。
【００４５】
加湿装置５０では、前段加湿部２２’に、供給空気を供給する空気経路１と、燃料電池１１からの排出空気を供給する排出空気経路４と、加湿に用いられた排出空気を前段加湿部２２’から取り出す排出空気経路５とが接続されている。また、加湿部２１’には、燃料電池１１から取り出した冷却水を加湿部２１’に供給する冷却水経路６ａと、加湿に用いられた冷却水を加湿部２１’から取り出す冷却水経路６ｂと、加湿された供給空気を燃料電池１１に供給する空気経路３とが接続されている。
【００４６】
図７及び図８は、加湿装置５０の構成を示す模式図であり、図７は加湿装置５０を構成する流路プレートの透視的な斜視図であり、（ａ）はプレートを表面から見た図であり、（ｂ）は裏面から見た図である。図８は、図７の流路プレートを複数積層してなる加湿装置５０の模式図であって、（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は斜視図である。
【００４７】
図７（ａ），（ｂ）及び図８（ａ），（ｂ）に示すように、加湿装置５０の前段加湿部２２’は、実施の形態１〜３の前段加湿装置２２と同様の構成を有し、一方、加湿部２１’は、実施の形態２，３の加湿装置２１ａ’と同様の構成を有する。すなわち、加湿装置５０は、複数の流路プレート２７’が、水分移動膜２３を介して積層されて構成されている。流路プレート２７’は、表面に、排出空気流路２５と冷却水流路２６とが形成されており、排出空気流路２５が形成された領域が前段加湿部２２’に相当するとともに、冷却水流路２６が形成された領域が加湿部２１’に相当する。流路プレート２７’の裏面には、排出空気流路２５及び冷却水流路２６の下方に一致するように、前段加湿部２２’及び加湿部２１’にわたって連続して供給空気流路２４が形成されている。また、流路プレート２７’には、各流路２４，２５，２６が形成された領域を除く領域に、複数のマニホールド孔３１ａ〜３１ｆが形成されている。そして、各流路プレート２７’の各マニホールド孔３１ａ〜３１ｆがそれぞれ一致して配置されるように、流路プレート２７’が積層されている。それにより、積層体において、マニホールド孔３１ｃが連通してなる排出空気の導入流路３１ｃ’、マニホールド孔３１ａが連通してなる排出空気の取り出し流路３１ａ’、マニホールド孔３１ｆが連通してなる冷却水の導入流路３１ｆ’、及び、マニホールド孔３１ｄが連通してなる冷却水の取り出し流路３１ｄ’が形成される。また、マニホールド孔３１ｂが連通してなる供給空気の導入流路３１ｂ’が形成されるとともに、マニホールド孔３１ｅが連通してなる供給空気の取り出し流路３１ｅ’が形成される。マニホールド孔３１ｃが連通してなる排出空気の導入流路３１ｃ’は、排出空気経路４に接続され、マニホールド孔３１ａが連通してなる排出空気の取り出し流路３１ａ’は、排出空気経路５に接続されている。それにより、排出空気経路４から加湿装置５０の前段加湿部２１’に供給された排出空気が、流路プレート２７’の表面に形成された排出空気流路２５に沿って流れ、排出空気経路５に送られる。一方、マニホールド孔３１ｆが連通してなる冷却水の導入流路３１ｆ’は、冷却水流路６ａに接続され、マニホールド孔３１ｄが連通してなる冷却水の取り出し流路３１ｄ’は、冷却水流路６ｂに接続されている。それにより、冷却水流路６ａから加湿装置５０の流路プレート２７’の加湿部２１’に供給された冷却水が、該プレート２７’の表面に形成された冷却水流路２６に沿って流れ、冷却水流路６ｂに送られる。このように、流路プレート２７’の表面において、前段加湿部２２’には排出空気の流れが形成され、加湿部２１’には冷却水の流れが形成される。この排出空気の流れ及び冷却水の流れは、同一方向の流れである。
【００４８】
一方、マニホールド孔３１ｂが連通してなる供給空気の導入流路３１ｂ’は、空気経路１に接続され、マニホールド孔３１ｅが連通してなる供給空気の取り出し流路３１ｅ’は、空気経路３に接続されている。それにより、空気経路１から加湿装置５０の流路プレート２７’の前段加湿部２２’に供給された供給空気が、該プレート２７’の裏面に形成された供給空気流路２４に沿って流れ、さらに、加湿部２１’の供給空気流路２４に沿って流れた後、空気経路３に送られる。このように、前段加湿部２２’及び加湿部２１’にわたって形成される供給空気の流れは、プレート２７’表面に形成される排出空気及び冷却水の流れと対向する方向である。
【００４９】
ここで、加湿装置５０では、上記構成を有する複数の流路プレート２７’が、それぞれ水移動膜２３を介して積層されていることから、前段加湿部２２’では、流路プレート２７’の表面の排出空気流路２５を流れる排出空気と、別の流路プレート２７’裏面の供給空気流路２４を流れる供給空気とが、水分移動膜２３を介して接している。したがって、前段加湿部２２’においては、前段加湿装置２２において前述したように、水分移動膜２３を介して排出空気から供給空気に水分及び熱エネルギーが与えられる。また、加湿部２１’では、流路プレート２７’表面の冷却水流路２６を流れる冷却水と、別の流路プレート２７’裏面の供給空気流路２４を流れる供給空気とが、水分移動膜２３を介して接している。したがって、加湿部２１’においては、加湿装置２１ａ’において前述したように、水分移動膜２３を介して冷却水から供給空気に水分及び熱エネルギーが与えられる。ここで、前述のように、供給空気と、冷却水及び排出空気とは、対向する流れを形成して接しているため、前段加湿部２２’及び加湿部２１’における前記水分及び熱エネルギーの移動が、効率よく行われる。このように、加湿装置５０では、前段加湿部２２’において、排出空気を用いて供給空気の加温及び加湿が行われるとともに、加湿部２１’において、冷却水を用いてさらに供給空気の加温及び加湿が行われる。
【００５０】
かかる構成の燃料電池システムにおいては、実施の形態３において前述した効果と同様の効果が得られる。また、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが一体化した加湿装置５０が設けられているため、前段加湿部２２’と加湿部２１’との間の配管（具体的には、実施の形態３の空気経路２を構成する配管に相当）が不要となる。このため、システムの小型化が図られとともに、配管における熱の損失を防止して熱効率の向上を図ることが可能となる。
【００５１】
なお、上記においては、加湿装置５０において、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが水平方向に並べて配置されているが、前段加湿部２２’及び加湿部２１’の配置は、これに限定されるものではない。例えば、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが、積層されて一体化した構成であってもよい。
【００５２】
図９は、本実施の形態の変形例における燃料電池システムの加湿装置５０の構成を示す斜視図である。図９に示すように、本例の加湿部５０では、前段加湿部２２’の上に加湿部２１’が積層され、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが鉛直方向に並べて配置されている。前段加湿部２２’は、前述の前段加湿装置２２と同様の構成を有しており、また、加湿部２１’は、前述の加湿装置２１ａ’と同様の構成を有する。そして、前段加湿部２２’を構成する流路プレート２７のマニホールド孔２８ａによって形成される供給空気の導入流路２８ａ’に空気経路１が接続され、マニホールド孔２９ａによって形成される排出空気の導入流路２９ａ’に排出空気経路４が接続され、マニホールド孔２９ｂによって形成される排出空気の取り出し流路２９ｂ’に排出空気経路５が接続されている。また、加湿部２１’の流路プレート２７のマニホールド孔２８ａによって形成される供給空気の取り出し流路２８ａ’’に空気経路３が接続され、マニホールド孔２９ｂによって形成される冷却水の導入流路２９ｂ’’に冷却水経路６ａが接続され、マニホールド孔２９ａによって形成される冷却水の取り出し流路２９ａ’’に冷却水経路６ｂが接続されている。また、前段加湿部２２’においてマニホールド孔２８ｂによって形成される供給空気の取り出し流路２８ｂ’は、加湿部２１’においてマニホールド孔２８ｂ’によって形成される供給空気の導入流路２８ｂ’’に連結されている。
【００５３】
かかる構成の加湿装置５０では、空気経路１を通じて供給空気が前段加湿部２２’に供給され、各流路プレート２７表面の供給空気流路２４を流れてマニホールド孔２８ｂからなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’に入る。一方、排出空気経路４を通じて前段加湿部２２’に供給された排出空気は、前段加湿部２２’の各流路プレート２７裏面の排出空気流路２５を流れて排出空気経路５に送られる。前段加湿部２２’では、このように流路プレート２７の表裏面に供給空気の流れと排出空気の流れとが対向して形成されることにより、前述のように、水分移動膜２３を介して排出空気の水分及び熱エネルギーが供給空気に与えられ、供給空気の加温及び加湿が行われる。そして、このように加湿された供給空気は、前段加湿部２２’のマニホールド孔２８ｂから形成される供給空気の取り出し流路２８ｂ’を鉛直下向きに流れ、その後、この前段加湿部２２’の供給空気の取り出し流路２８ｂ’に連通する加湿部２１’の供給空気の導入流路２８ｂ’’を通じて、加湿部２１’の流路プレート２７に供給される。加湿部２１’の各流路プレート２７の表面では、このようにして前段加湿部２２’から供給された供給空気が、供給空気流路２４に沿って流れる。ここでは、前述の前段加湿部２２’における供給空気流路２４と対向する方向の流れが形成される。また、加湿部２１’では、冷却水経路６ａを通じて各流路プレート２７裏面の冷却水流路２６に冷却水が供給される。該冷却水は、冷却水流路２６に沿ってプレート裏面を流れた後、冷却水経路６ｂに送られる。加湿部２１’では、このように流路プレート２７の表裏面に供給空気の流れと冷却水の流れとが形成されることにより、前述のように、水分移動膜２３を介して冷却水の水分及び熱エネルギーが供給空気に与えられ、供給空気の加温及び加湿がさらに行われる。かかる構成の加湿装置５０を有する燃料電池システムにおいても、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが水平方向に並べて配置された場合と同様の効果が得られる。なお、前段加湿部２２’と加湿部２１’とを水平方向に並べて配置する構成では、鉛直方向に積層する場合のように前段加湿部２２’と加湿部２１’とを積み重ねる工程が不要となるため、製造工程の簡略化が図られ、それにより、燃料電池システムのコスト削減が図られる。
（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１０に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態４の燃料電池システムと同様の構成を有するが、加湿装置５０に隣接して燃料電池１１が配置された構成である点が、実施の形態４とは異なっている。以下に、相違点について説明する。
【００５４】
すなわち、本実施の形態の燃料電池システムでは、実施の形態４の加湿装置５０に隣接して、燃料電池１１が配置されている。加湿装置５０の前段加湿部２２’には、供給空気を供給する空気経路１が接続されるとともに、加湿に用いた排出空気を取り出す排出空気経路５が接続されている。また、加湿装置５０の加湿部２１’には、冷却水を供給する冷却水経路７が接続されるとともに、供給空気の加湿及び燃料電池１１の冷却に用いられた冷却水を取り出すための冷却水経路６が接続されている。かかる構成では、燃料電池１１と加湿装置５０とが一体化しているため、燃料電池１１から加湿装置５０の前段加湿部２２’に、直接的に排出空気を供給することが可能となる。また、加湿装置５０の加湿部２１’は冷却水を燃料電池１１に直接的に供給及び燃料電池から直接的に回収して循環させることが可能となる。さらに、加湿部２１’から燃料電池１１に、直接的に供給空気を供給することが可能となる。このように、本実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池１１と加湿装置５０との間で、配管等から構成される経路を要することなく、直接的に、排出空気、供給空気、及び、冷却水の供給を行うことが可能となるため、実施の形態４のシステムにおける空気経路２，３、排出空気経路４、及び、冷却水経路６ａ，６ｂが不要となる。したがって、これらの経路を構成する配管が不要となり、よって、該配管における熱の損失を防止することが可能となる。それゆえ、燃料電池システムにおける熱効率を向上させることが可能となるとともに、システムの小型化が図られる。また、特に、加湿装置５０の加湿部２１’から燃料電池１１に供給空気を供給するための配管（具体的には、空気経路３を構成する配管に相当）が不要となることから、該配管での放熱により結露した水分が燃料電池１１に供給されるのを防止することが可能となり、その結果、システムを安定して動作させることが可能となる。
【００５５】
なお、燃料電池１１と加湿装置５０とが接するのであれば、両者の配置は特に限定されるものではないが、加湿装置５０を構成する流路プレート２７’（又は２７）の積層方向に燃料電池１１を配置することが好ましい。この場合、配管の引き回しをなくすことができるため、システムの小型化が図られ。さらに、上記においては、前段加湿部２２’と加湿部２１’とが一体化された加湿装置５０が燃料電池１１と接して配置される場合について説明したが、例えば、実施の形態３のように前段加湿装置２２と加湿部２１ａ’とが別々に設けられた場合において、加湿装置２１ａ’と燃料電池１１とが接するようにシステムを構成してもよい。
（実施の形態６）
図１１は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態３の燃料電池システムと同様の構成を有するが、以下の点が実施の形態３とは異なっている。すなわち、本実施の形態の燃料電池システムでは、加湿装置２１ａ’から燃料電池１１に空気を供給する空気経路３に、供給空気の加湿量（具体的には、該空気の湿度）検知器６０が設けられるとともに、該検知器６０からの情報に基づいて加湿装置２１ａ’に供給する冷却水の流量を調節する制御装置６１が設けられている。ここでは、制御装置６１は、冷却水ポンプ１２の出力又は回転数を制御することにより、冷却水の流量調節を行う。
【００５６】
かかる構成の燃料電池システムでは、空気経路３を通じて燃料電池１１に供給される供給空気の加湿量を検知器６０によって検知する。検知器６０としては、例えば、電気抵抗式湿度センサやサーミスタ式湿度センサ等が用いられ、該検知器６０は、空気経路３の燃料電池１１の直前部分に配置される。検知器６０で得られた加湿量の情報は、制御装置６１に伝えられる。
【００５７】
例えば、検知器６０によって検知された加湿量が所定値よりも小さい場合には、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を増加させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を増加させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。したがって、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。
【００５８】
一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を減少させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を減少させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。したがって、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。
【００５９】
上記のように、供給空気の加湿量に応じて冷却水の供給流量を制御することにより、供給空気の加湿量を最適値に保つことが可能となる。それにより、燃料電池システムのエネルギー効率の向上が図れるとともに、システムの安定性の向上が図られる。
【００６０】
ここで、上記においては、冷却水ポンプ１２を制御装置６１で制御することによって加湿装置２１ａに供給される冷却水の流量を調節する場合について説明したが、冷却水の流量の調節方法は、これに限定されるものではない。例えば、本実施の形態の変形例として、図１２に示すように、加湿装置２１ａ’に冷却水を供給する冷却水経路６ａに、自動で開閉調節可能な比例弁７０を設けるとともに、制御装置６１が、検知器６０からの情報に基づいて、該比例弁７０の開閉を調節する構成であってもよい。かかる構成では、例えば、検知器６０によって検知された加湿量が所定値よりも小さい場合に、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、比例弁７０をより大きく開く。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、比例弁７０の開きがより小さくなるように該弁７０を閉じる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。このように比例弁７０を用いて加湿装置２１ａ’への冷却水の供給流量を調節することにより、上記と同様の効果が得られる。
【００６１】
さらに、上記においては、冷却水の供給量を調節することによって供給空気の加湿量を調節しているが、これ以外に、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度を調節することによって供給空気の加湿量を調節してもよい。加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度は、加湿装置２１ａ’における冷却水から供給空気への水分移動に影響を与え、冷却水の温度が高いと供給空気へ与えられる水分が多くなり、冷却水の温度が低いと与えられる水分が少なくなり、供給空気の加湿量に関与する。したがって、本実施の形態の他の変形例として、例えば、上記のように冷却水の流量を調節する代わりに、供給空気の加湿量に応じて、ヒータ等を用いて冷却水の温度を調節するか、又は、冷却水放熱器１３における冷却水の放熱量を調節することにより、冷却水の温度を調節してもよい。かかる構成では、検知器６０によって検知された加湿量が所定値よりも小さい場合に、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、ヒータ等により冷却水を昇温するか、又は、冷却水放熱器１３における放熱量を減少させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度が上昇し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、冷却水の温度を下げるか、又は、冷却水放熱器１３における放熱量を増加させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度が下がり、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。このように加湿装置２１ａ’に供給する冷却水の温度を調節することによっても、上記と同様の効果が得られる。
【００６２】
なお、上記においては、燃料電池システムの基本構成が実施の形態３の燃料電池システムと同様の構成である場合について説明したが、供給空気の加湿量に応じて冷却水の流量等を調節する本実施の形態は、実施の形態２，４，５の各燃料電池システムの構成を基本構成とする場合においても適用可能である。
（実施の形態７）
図１３は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態６と同様の構成を有するが、以下の点が実施の形態６とは異なっている。すなわち、本実施の形態の燃料電池システムでは、加湿装置２１ａ’をバイパスして冷却水を循環させることを可能とするバイパス経路６３が、冷却水経路６ａと冷却水流路６ｂとに接続されている。それにより、バイパス経路６３が加湿装置２１ａ’と並列に配置される。また、加湿装置２１ａ’に冷却水を供給する冷却水経路６ａ中には、三方弁６２が設けられている。三方弁６２は、３つの配管接続口を有し、該接続口の１つには冷却水経路６ａを構成する配管６４ａが接続され、別の接続口には冷却水経路６ａを構成する配管６４ｂが接続され、また別の接続口にはバイパス経路６３を構成する配管６３’が接続されている。そして、三方弁６２は、制御装置６１によって制御され、配管６４ａから供給される冷却水を、配管６３’及び配管６４ｂにどれだけの流量ずつ分配するか、自動で該分配量を調節可能に構成されている。
【００６３】
かかる構成の燃料電池システムでは、空気経路３を通じて燃料電池１１に供給される供給空気の加湿量が検知器６０によって検知され、該加湿量の情報に基づいて、制御装置６１が、三方弁６２を調節する。それにより、配管６４ａから供給された冷却水の、各配管６４ｂ，６３’への分配供給流量が調節される。
【００６４】
例えば、検知器６０によって検知された供給空気の加湿量が所定値よりも小さい場合には、制御装置６１は、加湿量情報に基づいて、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が増加し、かつ、バイパス経路６３に供給される冷却水の流量が減少するように、三方弁６２を調節する。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。それにより、供給空気の加湿量が最適値になるように調節される。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置６１が加湿量情報に基づいて、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が減少し、かつ、バイパス経路６３に供給される冷却水の流量が増加するように、三方弁６２を調節する。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。それにより、供給空気の加湿量が最適値になるように調節される。
【００６５】
上記のように、本実施の形態の燃料電池システムでは、供給空気の加湿量に応じて三方弁６２を用いて加湿装置２１ａ’への冷却水の供給流量を制御することにより、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。したがって、実施の形態６において前述した効果と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態のシステムでは、加湿装置２１ａ’をバイパスさせて冷却水を循環させることが可能であるため、燃料電池１１に供給される冷却水の流量と加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量とを個別に調節することが可能となる。それゆえ、供給空気への加湿に最適な流量の冷却水を加湿装置２１ａ’に供給して、それ以外の冷却水は、バイパス経路６３を通じて、加湿装置２１ａ’を経由することなく循環させることが可能となる。その結果、加湿装置２１ａ’における冷却水の水分及び熱エネルギーの浪費を抑制することができ、加湿装置２１ａ’で消費される冷却水の水分及び熱エネルギーの低減化を図ることが可能となる。したがって、効率よく最適な加湿量の供給空気を得ることができ、また、冷却水の本来の役割である燃料電池１１の冷却を効率よく安定して行って燃料電池１１の動作温度を最適値に調整するとともに、冷却水から効率よく熱を貯湯水に回収することが可能となる。したがって、燃料電池システムの安定性及びエネルギー効率の向上を両立してさらに図ることが可能となる。
【００６６】
なお、上記においては、三方弁６２により各配管６４ｂ，６３への冷却水の供給流量を調節する場合について説明したが、三方弁６２を設ける代わりに、例えば、バイパス経路６３、冷却水経路６ａ、及び、冷却水経路６ｂを構成する個々の配管に、適宜、比例弁を設けてもよい。
【００６７】
図１４は、本実施の形態の変形例における燃料電池システムの構成の一部を示す模式図であり、ここでは、加湿装置２１ａ’及びその周辺の構成について示している。図１４に示すように、この場合には、バイパス経路６３を構成する配管６３’が、冷却水経路６ａを構成する配管６ａ’と冷却水流路６ｂを構成する配管６ｂ’とに接続されている。そして、配管６ａ’には、配管６３’の接続部分よりも下流側に比例弁７０ａが設けられている。一方、配管６３’には、配管６ａとの接続部分側端部に、比例弁７０ｂが設けられている。これらの比例弁７０ａ，７０ｂの開閉は、制御装置６１によって自動制御される。例えば、検知器６０で検知された供給空気の加湿量が所定値よりも小さい場合には、制御装置６１が、加湿装置２１ａ’への冷却水の供給流量が増加するように比例弁７０ａを調節するとともに、バイパス経路６３への冷却水の供給流量が減少するように比例弁７０ｂを調節する。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置６１は、加湿装置２１ａ’への冷却水の供給流量が減少するように比例弁７０ａを調節するとともに、バイパス経路６３への冷却水の供給流量が増加するように比例弁７０ｂを調節する。それにより、かかる構成においても、実施の形態６と同様の効果が得られる。
【００６８】
なお、上記においては、基本構成が実施の形態３の燃料電池システムと同様の構成を有する場合について説明したが、供給空気の加湿量に応じて加湿装置２１ａ’及びバイパス経路６３への冷却水の供給流量をそれぞれ調節する本実施の形態は、実施の形態２，４，５の各燃料電池システムの構成においても適用可能である。
（実施の形態８）
図１５は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１５に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態６と同様の構成を有するが、供給空気の加湿量を検知する検知器６０の代わりに、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度を検知する検知器６５が設けられた点が、実施の形態６とは異なっている。以下、相違点について説明する。
【００６９】
実施の形態６において前述したように、冷却水の温度は、供給空気への加湿量に関与する。したがって、本実施の形態の燃料電池システムでは、検知器６５によって、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の温度を検知し、この温度情報に基づいて、制御装置６１が、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量を調節する。ここでは、検知器６５として、例えば電気抵抗式温度センサや接触式温度センサ等が用いられ、該検知器６５は、冷却水経路６ａの加湿装置２１ａ’の直前部分に配置される。
【００７０】
例えば、検知器６５によって検知された冷却水の温度が所定値よりも低い場合には、冷却水の温度が高い場合に比べて冷却水から供給空気へ移動する水分が少ないため、供給空気を最適な加湿量とするには冷却水の流量を増加させる必要がある。したがって、この場合には、制御装置６１が冷却水の温度情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を増加させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を増加させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。それにより、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。一方、冷却水の温度が所定値よりも高い場合には、冷却水から供給空気へ移動する水分が多いので、温度が低い場合よりも少ない冷却水の供給流量で最適な加湿量とすることができる。したがって、この場合には、制御装置６１が冷却水の温度情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を減少させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を減少させる。それにより、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置２１ａ’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。それにより、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。
【００７１】
上記のように、本実施の形態では、冷却水の温度に応じて冷却水の供給流量を制御するため、実施の形態６において前述した効果と同様の効果が得られる。
【００７２】
なお、上記においては、冷却水ポンプ１２を調節することにより冷却水の供給流量を調節する場合について説明したが、冷却水の流量の調節方法は、これに限定されるものではなく、例えば、実施の形態６において前述したように、比例弁を冷却水経路６ａに設け、該弁を用いて冷却水流量の調節を行ってもよい。また、実施の形態６において前述したように、冷却水の流量を調節する代わりに、冷却水の温度を調節することによって供給空気の加湿量の調節を行ってもよい。また、上記においては、燃料電池システムの基本構成が実施の形態３の燃料電池システムと同様である場合について説明したが、本実施の形態の燃料電池システムの基本構成は、実施の形態２，４，５の燃料電池システムの構成と同様であってもよい。さらに、実施の形態７の燃料電池システムの構成に本実施の形態を適用した構成、すなわち、加湿装置２１ａ’をバイパスするバイパス経路６３が設けられた構成であってもよい。
（実施の形態９）
図１６は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１６に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態６と同様の構成を有するが、供給空気の加湿量を検知する検知器６０の代わりに、燃料電池１１の発電量を検知する検知器６６が設けられた点が、実施の形態６とは異なっている。検知器６６としては、電力計が用いられる。ここで、通常、燃料電池システムでは、発電量を検知しながらシステムの運転を行っていることから、新たに電力計を設けることなく、もとからシステムが備える電力計を検知器６６として利用することができる。以下、実施の形態６との相違点について説明する。
【００７３】
燃料電池１１の発電量は、空気極側に供給される空気の供給量と、燃料極側に供給される燃料ガスの供給量に対応している。したがって、燃料電池１１の発電量が多い場合には、燃料電池１１への供給空気の流量も多くなり、よって、この供給空気を加湿するために、加湿部２１ａ’への冷却水の供給流量を多くする必要がある。一方、燃料電池１１の発電量が少ない場合には、燃料電池１１への供給空気の流量も少なくなり、よって、供給空気を加湿するために加湿装置２１ａへ供給する冷却水の流量も少なくてよい。したがって、燃料電池１１の発電量に応じて加湿装置２１ａへの冷却水の供給流量を調節することにより、供給空気の加湿量を最適値に調整することが可能となる。
【００７４】
例えば、検知器６６によって検知された燃料電池１１の発電量が所定値より多い場合には、燃料電池１１に供給される空気の供給量が多いので、加湿装置２１ａ’において冷却水から該供給空気に与えられる水分の量（すなわち加湿量）が多くなる。したがって、この場合には、制御装置６１が検知器６６からの発電量情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を増加させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を増加させ、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量を増加させる。それにより、加湿装置２１ａ’において、流量の多い供給空気に対しても最適な加湿を行うことが可能となる。一方、燃料電池１１での発電量が所定値よりも少ない場合には、燃料電池１１に供給される空気の供給量が少ないので、加湿装置２１ａ’において冷却水から該供給空気に与えられる水分の量（すなわち加湿量）も少なくてよい。したがって、この場合には、制御装置６１が検知器６６からの発電量情報に基づいて、冷却水ポンプ１２の出力を減少させるか、又は、該ポンプ１２の回転数を減少させ、加湿装置２１ａ’に供給される冷却水の流量を減少させる。それにより、供給空気に対して最適な加湿を行うことが可能となる。
【００７５】
上記のように、本実施の形態では、燃料電池１１の発電量に応じて、加湿装置２１ａ’への冷却水の供給流量を制御するため、燃料電池１１の動作状態に応じて、最適な加湿量の供給空気を安定して供給することが可能となる。したがって、実施の形態６において前述した効果と同様の効果が得られる。また、前述のように、システムが通常備えている発電計を検知器６６として利用できるため、加湿量の調節のための検知器を別に設ける必要がなく、システムの簡素化及びコストの削減化が図られる。
【００７６】
なお、上記においては、冷却水ポンプ１２を調節することにより冷却水の供給流量を調節する場合について説明したが、冷却水の流量の調節方法は、これに限定されるものではなく、実施の形態３において前述したように、比例弁を冷却水経路６ａに設けるとともに該弁を用いて調節を行ってもよい。また、実施の形態６において前述したように、冷却水の流量を調節する代わりに、冷却水の温度を調節することによって供給空気の加湿量の調節を行ってもよい。
【００７７】
さらに、上記においては、燃料電池１１の発電量に応じて供給空気の加湿量を調節する場合について説明したが、これ以外に、燃料電池１１に供給される供給空気の流量を直接検知し、該供給空気の流量に応じて加湿量を調節してもよい。例えば、空気経路３の燃料電池１１の直前部分に供給空気の流量を検知する検知器を配置し、該検知器で検知された供給空気の流量が多い場合には、前述と同様にして該空気への水分移動を促進させて加湿量を増加させ、一方、該検知器で検知された供給空気の流量が少ない場合には、前述と同様にして該空気への水分移動を抑制して加湿量を減少させる。それにより、前述と同様の効果が得られる。
【００７８】
また、上記においては、燃料電池システムの基本構成が実施の形態３の燃料電池システムと同様である場合について説明したが、本実施の形態の燃料電池システムの基本構成は、実施の形態２，４，５の燃料電池システムの構成と同様であってもよい。さらに、実施の形態７の燃料電池システムの構成に本実施の形態を適用した構成、すなわち、加湿装置２１ａ’をバイパスするバイパス経路６３が設けられた構成であってもよい。
【００７９】
上記の実施の形態においては、前段加湿装置２２及び前段加湿部２２’と加湿装置２１ａ’及び加湿部２１’とが、水分移動膜２３を介して複数の流路プレート２７，２７’を積層してなる構成（いわゆるプレート型構造）を有する場合について説明したが、これらの構成は、プレート型に限定されるものではない。例えば、前段加湿装置２２、前段加湿部２２’、加湿装置２１ａ’、及び、加湿部２１’が、チューブ型構造を有していてもよい。以下においては、チューブ型構造を有する前段加湿装置を例に挙げて説明する。
【００８０】
図１７は、チューブ型構造を有する前段加湿装置２２の構成を示す模式的な切り欠き斜視図である。図１７に示すように、前段加湿装置２２は、排出空気入口１０１及び排出空気出口１０２が形成された円板１０３，１０４によって両端部が封止され、かつ、側面に供給空気入口１０５と供給空気出口１０６とが形成された円筒形の本体１００の内部に、水分移動膜２３から構成される複数の中空糸繊維２３’が束状に集められて構成された水分移動膜モジュール１０７が、軸方向が一致するように収納されて構成されている。そして、本体１００の排出空気入口１０１には排出空気経路４（図示せず）が接続され、排出空気出口１０２には排出空気経路５（図示せず）が接続され、供給空気入口１０５には供給空気経路１（図示せず）が接続され、供給空気出口１０６には供給空気経路２（図示せず）が接続される。水分移動膜モジュール１０７の両端部にはシール部材１０８が装着されており、それにより、本体１００の内部が、排出空気入口１０１を介して排出空気経路４に連通する第１の空間１０９Ａと、水分移動膜モジュール１０７の外周に形成され供給空気入口１０５及び供給空気出口１０６を介してそれぞれ供給空気経路１，２に連通する第２の空間１０９Ｂと、排出空気出口１０２を介して排出空気経路５に連通する第３の空間１０９Ｃとに区画されている。
【００８１】
かかる構成の前段加湿装置２２では、供給空気入口１０５を通じて本体１００の第２の空間１０９Ｂに供給空気が供給されるとともに、供給空気出口１０６を通じて該空間１０９Ｂから供給空気が取り出される。それにより、第２の空間１０９Ｂにおいて、水分移動膜モジュール１０７の外周、及び、該膜モジュール１０７を構成する各中空糸繊維２３’の外周に、供給空気の流れが形成される。一方、排出空気入口１０１を通じて本体１００の第１の空間１０９Ａに供給された排出空気は、水分移動膜モジュール１０７の一方の端面からモジュール内に入る。そして、排出空気は、水分移動膜モジュール１０７を構成する各中空糸繊維２３’の内部を軸方向に沿って流れた後、モジュールの他方の端面から第３の空間１０９Ｃに放出され、排出空気出口１０２から取り出される。それにより、第１から第３の空間１０９Ａ〜１０９Ｃに至る排出空気の流れが形成される。
【００８２】
ここで、本体１００の第２の空間１０９Ｂでは、上記のように水分移動膜モジュール１０７及びこれを構成する中空糸繊維２３’の外周に形成された供給空気の流路と、該膜モジュール１０７の中空糸繊維２３’の内部に形成された排出空気流路とが、水分移動膜２３を介して接した構成であるため、前述のプレート型構造の場合と同様、排出空気から供給空気に、水分移動膜２３を介して水分及び熱エネルギーが与えられる。それゆえ、排出空気によって加熱及び加湿された供給空気を本体１００から取り出すことが可能となる。したがって、このようなチューブ型構造を有する前段加湿装置２２を備えた燃料電池システムにおいても、前述と同様の効果が得られる。なお、ここでは、前段加湿装置２２について説明したが、前段加湿部２２’、加湿装置２１ａ’、及び、加湿部２１’においても、図１７に示すチューブ型構造を適用することが可能である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したような形態で実施され、以下のような効果を奏する。
すなわち、本発明の燃料電池システムによれば、エネルギー効率を向上させるとともに、システムの安定した運転を実現することが可能となる。また、システムのコンパクト化及び簡素化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】図１の前段加湿装置を構成する流路プレートの構成を模式的に示す透視斜視図であり、（ａ）はプレートを表面から見た図であり、（ｂ）は裏面から見た図である。
【図３】図２の流路プレートが複数積層されて構成された図１の前段加湿装置の構成を説明するための図であり、（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図７】図６の加湿装置を構成する流路プレートの構成を示す透視斜視図であり、（ａ）はプレートを表面から見た図であり、（ｂ）は裏面から見た図である。
【図８】図７の流路プレートが複数積層されて構成された図６の加湿装置の構成を説明するための図であり、（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態４の変形例に係る燃料電池システムの加湿装置の構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施の形態６の変形例に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１３】本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態７の変形例に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態８に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態９に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１７】チューブ型構造を有する前段加湿装置の構成を示す切り欠き斜視図である。
【符号の説明】
１，２，３空気経路
４，５排出空気経路
６，６ａ，６ａ，７冷却水経路
１１燃料電池
１２冷却水ポンプ
１３冷却水放熱器
１４冷却水タンク
１５貯湯水経路
２１ａ加湿装置
２２前段加湿装置
２１’ 加湿部
２２’ 前段加湿部
２３水分移動膜
２４供給空気流路
２５排出空気流路
２６冷却水流路
２７，２７’ 流路プレート
４４貯湯水ポンプ
４５貯湯水タンク
５０加湿装置
６１制御装置
６２三方弁
６３バイパス経路
７０比例弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that generates power and supplies heat using a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell system, electric power and heat are generated by reacting a hydrogen-rich gas supplied as a fuel gas with air supplied as an oxidant gas in the fuel cell. The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell after being humidified by the humidifying means. As a means for humidifying the fuel gas and the oxidant gas, for example, there is a bubbler that humidifies the fuel gas and the oxidant gas through warm water heated by a heater (see, for example, Patent Document 1). However, in this case, the bubbler consumes energy to heat the water, resulting in a decrease in energy efficiency of the fuel cell system.
[0003]
On the other hand, moisture (water vapor) contained in the exhaust air (off gas) discharged from the air electrode side of the fuel cell is moved to the air supplied to the air electrode side of the fuel cell via the water vapor permeable membrane, thereby There is a humidifier that humidifies supply air (see, for example, Patent Document 2). This humidifier is intended to reduce energy required for humidification by performing humidification using high-temperature exhaust air. However, in this humidifier, the humidified gas (here, the supply air to be humidified) cannot be humidified to a dew point temperature equal to or higher than the humidified gas (here, the exhaust air from which moisture is supplied). In addition, in order to humidify the humidified gas to a high dew point temperature, a water vapor permeable membrane having a large membrane area is required, and the scale of the humidifying device is increased. Therefore, it is difficult to make the fuel cell system compact.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 7-288134 A
[Patent Document 2]
JP-A-6-132038
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the problems of the conventional fuel cell system as described above, and improves the energy efficiency of the entire system by reducing the energy required for humidifying the gas supplied to the fuel cell. Another object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the system is compact and the system operation is stabilized.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and a fuel gas and an oxidant gas that are supplied to the fuel cell, respectively. In the fuel cell system, comprising: a first humidifying unit and a second humidifying unit that sequentially humidify at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas; and a cooling structure for flowing cooling water to the fuel cell. The first humidification unit performs the humidification using moisture contained in at least one of the fuel gas and the oxidant gas, which is discharged from the fuel cell, and the oxidant gas. The humidification part 2 performs the humidification using the cooling water, and supplies at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas supplied from the second humidification part to the fuel cell. Humidification amount detector for detecting the amount of humidification of the scan, the cooling water temperature detector for detecting the temperature of the cooling water supplied to the second humidification section,And a power generation amount detector that detects the power generation amount of the fuel cell, and a control device that adjusts a humidification amount of the supply gas in the second humidification unit based on a value detected by any one of the detectors Is further provided.
[0007]
In such a configuration, the supply fuel gas or supply oxidant gas preheated and humidified in the first humidification unit using the exhaust fuel gas or exhaust oxidant gas is further humidified using hot water in the second humidification unit. Do. For this reason, it becomes possible to aim at reduction of the energy (especially heat energy) and water | moisture content consumed in the humidification in a 2nd humidification part. In addition, since the first humidifying unit performs humidification using the exhausted fuel gas or the exhausted oxidant gas from the fuel cell, it is possible to reduce the energy required for humidification. Therefore, with this configuration, the energy efficiency of the entire fuel cell system can be improved. In addition, since the moisture required for humidification in the second humidification unit is reduced, the amount of moisture supplied to the second humidification unit is reduced, and thus the temperature fluctuation of the second humidification unit is reduced. . Therefore, the humidification amount in the second humidification unit is stabilized, and the system operation is stabilized. Further, even when the supplied fuel gas or the supplied oxidant gas is humidified to a high dew point, the first and second humidifying sections can be efficiently humidified step by step. Compactness is achieved.
[0009]
  AlsoThe supply fuel gas or the supply oxidant gas is humidified in the second humidification unit using cooling water of about 70 to 75 ° C. used for cooling the fuel cell. Therefore, in the second humidification unit, it is not necessary to heat water for humidification as in the case of using a bubbler, and thus it is possible to reduce the energy required for humidification. Moreover, since the cooling water is maintained at a substantially stable temperature, it is possible to stably and efficiently humidify the second humidifying unit. Further, in such a configuration, since the humidification is performed in advance by the first humidification unit, the amount of moisture consumed for humidification by the second humidification unit is reduced, and therefore, the consumption by the second humidification unit. The amount of cooling water that is produced is reduced. Accordingly, it is possible to suppress the amount of moisture supplied to the cooling structure, and it is possible to suppress temperature fluctuations in the cooling structure. As a result, it is possible to realize a stable humidification amount and temperature stability of the fuel cell in the second humidification unit, and the system operation can be stabilized.
  Further, since the humidification amount of the supplied fuel gas or supplied oxidant gas can be adjusted to an optimum value, the stability and energy efficiency of the fuel cell system can be improved. In particular, in the configuration in which the cooling water flow rate is adjusted by providing the cooling water bypass path, the flow rate of the cooling water supplied to the fuel cell and the flow rate of the cooling water supplied to the second humidification unit are individually adjusted. can do. Therefore, cooling water having a flow rate optimum for humidification of the supplied fuel gas or supplied oxidant gas is supplied to the second humidifying unit, and other cooling water passes through the second humidifying unit through the bypass path. It becomes possible to let it flow without. As a result, waste of the water and heat energy of the cooling water in the second humidification unit can be suppressed, and the water and heat energy of the cooling water consumed in the second humidification unit can be reduced. Become. Accordingly, it is possible to efficiently obtain the supplied fuel gas or the supplied oxidant gas with the optimum humidification amount, and to efficiently and stably cool the fuel cell, which is the original role of the cooling water, to thereby operate the fuel cell operating temperature. Can be adjusted to an optimum value, and heat can be efficiently recovered from the cooling water. Accordingly, it is possible to further improve the stability and energy efficiency of the fuel cell system. In addition, in the configuration where the humidification amount is adjusted according to the power generation amount of the fuel cell and the flow rate of the supply gas, it is not necessary to add a new detector for adjusting the humidification amount, and the humidification amount is adjusted according to the operating state of the fuel cell system The amount can be easily adjusted.
[0016]
You may provide the humidifier with which the said 1st humidification part and the said 2nd humidification part were integrated integrally. For example, the humidifier has a configuration in which a plurality of flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively permeates moisture, and the first humidification is provided on one main surface of each flow path plate. A flow path for at least one of the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas is formed in the area of the exhaust gas, and a flow path of the cooling water is formed in the area of the second humidification section. A flow path for at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas that is continuous over the first humidification unit and the second humidification unit may be formed on the other main surface of the path plate. Good. Alternatively, the first humidifying unit of the humidifier has a configuration in which a plurality of first flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively permeates moisture, and each of the first flow path plates A flow path for at least one of the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas is formed on one main surface of the gas, and at least one of the supply fuel gas and the oxidant gas is supplied on the other main surface. A gas flow path is formed, and the second humidifying unit of the humidifier has a configuration in which a plurality of second flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively transmits moisture. The cooling water flow path is formed on one main surface of the second flow path plate, and the flow path of at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas is formed on the other main surface, The first humidifying unit and the second humidifying unit are stacked. The humidifier may be configured by.
[0017]
According to such a configuration, it is possible to supply the supplied fuel gas or the supplied oxidant gas from the first humidifying unit to the second humidifying unit without using a pipe or the like. Therefore, the fuel cell system can be reduced in size and the system cost can be reduced, and energy loss in the piping and the like can be prevented to further improve the energy efficiency.
[0020]
The control device may adjust a humidification amount of the supply gas by adjusting a flow rate of the cooling water supplied to the second humidification unit or a temperature of the cooling water, and the cooling structure A cooling water path for allowing the cooling water to flow through the second humidifying part, and a cooling water bypass path connected to the cooling water path so as to bypass the second humidifying part, The apparatus adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the second humidifying unit through the cooling water path and the flow rate of the cooling water supplied to the cooling water bypass path to humidify the supply gas. The amount may be adjusted.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell cogeneration system (hereinafter simply referred to as a fuel cell system) according to a first embodiment of the present invention.
[0026]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes an air supply device 40, a pre-humidification device 22, a humidification device 21 a, a fuel cell 11, a fuel supply device 41, and a fuel processing device 42. The humidifier 21b, the cooling water radiator 13, the cooling water tank 14, and the cooling water pump 12 are included as main elements.
[0027]
The air supplied from the air supply device 40 to the upstream humidifier 22 via the air path 1 is humidified by the upstream humidifier 22, as will be described later. The humidified air is supplied to the humidifying device 21a via the air path 2, and is further humidified by the device 21a. As the humidifier 21a, a conventionally used humidifier, for example, a bubbler configured to humidify by passing the air through warm water heated by a heater, or water vapor is directly sprayed on the air by an injector. The thing of the structure which humidifies air etc. are mentioned. The air humidified by the humidifier 21 a is supplied as an oxidant gas to the air electrode side of the fuel cell 11 via the air path 3. On the other hand, from the fuel supply device 41 to the fuel processing device 42 via the fuel path 8, a raw material, for example, a gas containing a compound composed of at least carbon and hydrogen, such as city gas, propane, methane, natural gas, etc. Alcohol etc. are supplied. Here, as the fuel processing device 42, specifically, a reforming unit that generates a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction, and a shift unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas by a shift reaction, A purification unit that further reduces carbon monoxide in the reformed gas that has passed through the shift conversion unit by a selective oxidation reaction is used. In the fuel processing device 42, the supplied raw material is heated in an atmosphere containing water vapor. As a result, a hydrogen-rich gas is generated. The hydrogen-rich gas is supplied to the humidifier 21b through the fuel gas path 9a and is humidified by the device 21b. As the humidifier 21b, the humidifier described above in the humidifier 21a is used. The humidified hydrogen-rich gas is supplied as a fuel gas of the fuel cell 11 to the fuel electrode side of the fuel cell 11 through the fuel gas path 9b. In the fuel cell 11, electricity is generated by the reaction between the air supplied to the air electrode side and the hydrogen-rich gas (hereinafter referred to as fuel gas) supplied to the fuel electrode side, and electricity and heat are generated. appear.
[0028]
Of the air supplied to the fuel cell 11, the air that has not been used for the reaction is supplied to the upstream humidifier 22 via the exhaust air path 4. In the pre-humidifier 22, the air supplied to the fuel cell 11 as the oxidant gas is humidified using the moisture contained in the supplied exhaust air. The air that has passed through the upstream humidifier 22 is exhausted through the exhaust air path 5. On the other hand, the fuel gas that has not been used for the reaction in the fuel cell 11 is discharged through the exhaust gas path 10.
[0029]
Further, in order to remove the heat generated in the fuel cell 11, the cooling water in the cooling water tank 14 is pressurized by the cooling water pump 12 and supplied to the fuel cell 11 through the cooling water path 7. Here, the cooling water in the cooling water tank 14 is maintained at about 70 ° C. The heat of the fuel cell 11 is removed by the supplied cooling water. The cooling water whose temperature has been recovered by recovering the heat is returned to the cooling water tank 14 again via the cooling water flow path 6. Here, a cooling water radiator 13 is provided in the cooling water passage 6, and heat of the cooling water is released by the cooling water radiator 13. By such heat radiation, the cooling water is cooled again to about 70 ° C. In the fuel cell system, the cooling water is circulated in this way, and the temperature of the cooling water is stably maintained at a predetermined temperature, so that the fuel cell 11 is maintained at a predetermined temperature. It becomes possible to do.
[0030]
Next, the humidifying operation to the supply air in the pre-humidifier 22 which is a feature of the present embodiment will be described. 2 and 3 are diagrams for explaining the configuration of the upstream humidifier of the fuel cell system of FIG. 1, and FIG. 2 is a perspective view of a flow path plate constituting the upstream humidifier, 2A is a view of the plate as viewed from the front surface, and FIG. 2B is a view of the plate as viewed from the back surface. 3A and 3B are schematic views of a pre-humidifier configured by stacking the flow path plates of FIG. 2, wherein FIG. 3A is an exploded perspective view and FIG. 3B is a perspective view.
[0031]
As shown in FIGS. 2A and 2B and FIGS. 3A and 3B, the pre-humidifier 22 is configured by stacking a plurality of flow path plates 27 with a moisture transfer film 23 interposed therebetween. The The flow path plate 27 is formed with a flow path (hereinafter referred to as a supply air flow path) 24 of air supplied to the fuel cell 11 on the surface and a flow path of air discharged from the fuel cell 11 (hereinafter referred to as a supply air flow path). , Called exhaust air flow path) 25 is formed on the back surface. The moisture transfer membrane 23 is a membrane that selectively permeates moisture. For example, a proton conductive polymer electrolyte membrane such as a Nafion-based membrane is used. The supply air flow path 24 and the discharge air flow path 25 of the flow path plate 27 are formed by providing a plurality of stripe-shaped grooves or a plurality of grooves bent in parallel with each other on the front and back surfaces of the plate. . Each flow path plate 27 is formed with manifold holes 28a and 28b serving as supply air paths and manifold holes 29a and 29b serving as exhaust air paths. Then, by stacking the plurality of flow path plates 27 so that the positions of the manifold holes 28a, 28b, 29a, 29b of the flow path plates 27 coincide with each other, the manifold holes 28a communicate with each other in the stacked body. Supply air introduction flow path 28a ', supply air take-out flow path 28b' formed by communication with manifold hole 28b, discharge air introduction flow path 29a 'formed by communication with manifold hole 29a, and manifold hole 29b communicate with each other. Thus, a discharge passage 29b ′ for exhaust air is formed. A supply air introduction flow path 28 a ′ in which the manifold hole 28 a communicates is connected to the air path 1, and a supply air take-out flow path 28 b ′ in which the manifold hole 28 b communicates is connected to the air path 2. Yes. Thereby, the air (that is, the supply air) supplied from the air path 1 to the flow path plate 27 of the upstream humidifier 22 flows along the supply air flow path 24 formed on the surface of the plate 27, and the air path 2. Sent to. On the other hand, an exhaust air introduction passage 29 a ′ in which the manifold hole 29 a communicates is connected to the air path 4, and an exhaust air extraction passage 29 b ′ in which the manifold hole 29 b communicates is connected to the air path 5. Has been. Thereby, the air (that is, exhaust air) supplied from the air path 4 to the flow path plate 27 of the upstream humidifier 22 flows along the exhaust air flow path 25 formed on the back surface of the plate 27, and the air path 5 Sent to. In this manner, opposed supply air and exhaust air flows are formed on the front and back surfaces of the flow path plate 27.
[0032]
In the pre-humidifier 22, since the plurality of flow path plates 27 having the above-described configuration are laminated via the moisture transfer film 23, supply air flowing through the supply air flow path 24 on the surface of the flow path plate 27, Exhaust air flowing through the exhaust air flow path 25 on the back surface of another flow path plate 27 is in contact with the moisture transfer film 23. Here, since the exhaust air discharged from the fuel cell 11 contains more moisture than the supply air, the upstream humidifier 22 having such a configuration converts the exhaust air into the supply air via the moisture transfer film 23. Moisture (specifically water vapor) is provided. In particular, since the supply air and the discharge air are in contact with each other while forming an opposing flow, the movement of the moisture is performed efficiently. Thus, in the pre-humidifier 22, the supply air is humidified by the water vapor collected from the exhaust air. Further, since the temperature of the exhaust air discharged from the fuel cell 11 is higher than that of the supply air, in the upstream humidifier 22, thermal energy is also given from the exhaust air to the supply air as the moisture moves. Thereby, supply air is heated.
[0033]
The supply air humidified by the upstream humidifier 22 as described above is supplied to the humidifier 21a via the air path 2. Here, since the air supplied to the humidifying device 21a is heated and humidified in advance by the pre-humidifying device 22 as described above, the humidifying device is compared with the case of humidifying only with the humidifying device 21a as in the prior art. 21a requires less heating and humidification. Therefore, it is possible to reduce the heat energy and moisture required for the humidifier 21a. Thus, in the present embodiment, the energy consumption of the humidifying device 21a can be reduced by preheating and humidifying the supplied air by the pre-humidifying device 22 in advance, so that the energy efficiency of the entire system can be improved. It becomes possible to plan. Moreover, since the water consumption in the humidifying device 21a can be reduced, the amount of moisture supplied to the humidifying device 21a can be suppressed. As a result, it is possible to suppress temperature fluctuations due to the replenished moisture, and it is possible to realize a stable humidification amount in the humidifier 21a.
Further, in the fuel cell system having such a configuration, it is possible to efficiently perform humidification stepwise by the pre-humidifying device 22 and the humidifying device 21a. Therefore, even when the supply air is humidified to a high dew point, a large-scale The pre-humidifier 22 and the humidifier 21a are not required, and thus the system can be made compact.
[0034]
In the above, the case where the fuel gas supplied to the fuel cell 11 (hereinafter referred to as supply fuel gas) is humidified only by the humidifying device 21b has been described, but the supply fuel gas is also the case of the supply air described above. Similarly to the above, a configuration may be adopted in which a pre-humidifying device is provided upstream of the humidifying device 21b to perform humidification step by step. In such a configuration, the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell 11 is supplied to the upstream humidifier, and in the upstream humidifier, the moisture of the exhaust fuel gas is given to the supplied fuel gas to humidify the supplied fuel gas, Heat energy of the discharged fuel gas is given to the supplied fuel gas to heat the supplied fuel gas. As a result, as described above, in the case of supply air, the energy consumption of the humidifier 21b is reduced to improve the energy efficiency of the fuel cell system, and the moisture consumption in the humidifier 21b is reduced. To stabilize the amount of humidification. Such a pre-humidifier has, for example, a configuration in which a plurality of flow path plates are stacked via a moisture transfer film, similar to the configuration of the pre-humidifier 22 described above on the air supply side. A supply fuel gas flow path is formed on one main surface of the path plate, and an exhaust fuel gas flow path is formed on the other main surface.
[0035]
In this way, in the fuel cell system, the pre-humidifier that humidifies the supply gas using the exhaust gas from the fuel cell 11 may be provided on both the air side and the fuel side, and either It may be provided. Note that the exhaust air from the fuel cell 11 has a higher humidity than the exhaust fuel gas, and the exhaust air is more efficient in transferring moisture through the moisture transfer film than the exhaust fuel gas. It is possible to feed the supply air. For this reason, it is preferable to arrange the pre-humidifier 22 on the air supply side.
[0036]
In the following second to ninth embodiments, humidification on the air supply side of the fuel cell 11 will be described. However, in these embodiments, as in the first embodiment, the fuel gas supply side is also the air supply side. It is possible to apply a configuration and a humidification method similar to the above.
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 4, the fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as that of the fuel cell system of the first embodiment. However, instead of the humidifier 21a using a conventional humidifier such as a bubbler, a fuel cell system is used. The difference from the first embodiment is that a humidifying device 21a ′ that humidifies the supply air using cooling water that is circulated to cool the battery 11 is provided. Hereinafter, this difference will be described.
[0037]
In the system of the present embodiment, the air path 2 that supplies the air processed by the upstream humidifier 22 is connected to the humidifier 21a ′, and the air humidified by the humidifier 21a ′ is supplied to the fuel cell 11. An air path 3 is connected. Further, the humidifying device 21a 'is connected to cooling water paths 6a and 6b through which the cooling water recovered from the fuel cell 11 flows, so that the cooling water flows through the humidifying device 21a'.
[0038]
Since the humidifier 21a ′ has substantially the same configuration as the pre-humidifier 22 of the first embodiment, the humidifier is referred to here with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b) and FIGS. 3 (a) and 3 (b). The configuration of the device 21a ′ will be described. In the humidifier 21a ′, a flow path (supply air flow path) 24 of air supplied to the fuel cell 11 is formed on the surface of the flow path plate 27, and cooling water recovered from the fuel cell 11 is formed on the back surface thereof. The flow path (hereinafter referred to as a cooling water flow path) 25 is formed. A plurality of the flow path plates 27 are stacked via the moisture transfer film 23 to form a humidifier 21a '. In each flow path plate 27 of the humidifier 21a ', the manifold holes 28a and 28b serve as a flow path for supply air, and the manifold holes 29a and 29b serve as a flow path for cooling water. Supply air formed by stacking a plurality of flow path plates 27 so that the positions of the manifold holes 28a, 28b, 29a, 29b of the flow path plates 27 coincide with each other in the stacked body. The supply air take-out flow path 28b 'in which the introduction flow path 28a' and the manifold hole 28b communicate, the cooling water introduction flow path 29a 'in which the manifold hole 29a communicates, and the manifold hole 29b communicate with each other. A cooling water take-out passage 29b 'is formed. A supply air introduction flow path 28 a ′ in which the manifold hole 28 a communicates is connected to the air path 2, and a supply air take-out flow path 28 b ′ in which the manifold hole 28 b communicates is connected to the air path 3. Yes. Thereby, the air (that is, the supply air) supplied from the air path 2 to the flow path plate 27 of the humidifier 21a ′ flows along the supply air flow path 24 formed on the surface of the plate 27, and the air path 3 Sent to. On the other hand, the cooling water introduction flow path 29a ′ formed by communicating the manifold hole 29a is connected to the cooling water path 6a, and the cooling water take-out flow path 29b ′ formed by communicating the manifold hole 29b is formed by the cooling water path 6b. It is connected to the. Thereby, the cooling water supplied from the cooling water path 6a to the flow path plate 27 of the humidifier 21a ′ flows along the cooling water flow path 25 formed on the back surface of the plate 27 and is sent to the cooling water flow path 6b. . In this manner, the opposed flows of supply air and cooling water are formed on the front and back surfaces of the flow path plate 27.
[0039]
In the humidifier 21a ′, since the plurality of flow path plates 27 having the above-described configuration are laminated via the water transfer film 23, supply air flowing through the supply air flow path 24 on the surface of the flow path plate 27, The cooling water flowing through the cooling water flow path 25 on the back surface of another flow path plate 27 is in contact with the water movement film 23. In the humidifier 21 a ′ having such a configuration, moisture is given to the supply air from the cooling water via the moisture transfer film 23. In particular, since the supply air and the cooling water are in contact with each other while forming an opposing flow here, the movement of the moisture is performed efficiently. Thus, in the humidifier 21a ', the supply air is humidified by the moisture recovered from the cooling water. Moreover, with such movement of moisture, heat energy moves from the cooling water to the supply air. Thereby, supply air is heated.
[0040]
In the present embodiment, since the pre-humidifier 22 is provided upstream of the humidifier 21a ', the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, in the present embodiment, the humidification device 21a ′ can perform heating and humidification of the supply air using the cooling water, so that the humidification is performed using a bubbler or the like as in the first embodiment. In comparison with the above, it is possible to reduce the energy and moisture supplied to the humidifying device 21a ′. Therefore, it is possible to further reduce the energy consumed by the humidifying device 21a 'and further improve the energy efficiency of the entire system. In the fuel cell system, the temperature of the cooling water circulated for cooling the fuel cell 11 is always maintained at about 70 to 75 ° C. as described above. As described above, since the pre-humidifying device 22 is provided, the amount of water supplied to the humidifying device 21a can be reduced, and therefore the temperature fluctuation of the humidifying device 21a ′ can be suppressed. By performing humidification using the cooling water maintained at this temperature, it becomes possible to perform humidification stably. Further, the humidifying device 21a 'does not require any additional humidifying means such as a bubbler or an injector, and uses the cooling water circulation structure in the system, so that humidification can be performed with a simple device configuration. Therefore, it is possible to simplify the system and reduce the cost.
[0041]
In the present embodiment, the case where the supply air is humidified using the cooling water recovered from the fuel cell 11 has been described. However, as a modification of the present embodiment, cooling before being supplied to the fuel cell 11 is performed. The configuration may be such that the humidification is performed by supplying water, that is, cooling water flowing through the cooling water path 7 to the humidifying device 21a ′. Further, in addition to the cooling water circulation paths 6 and 7 for cooling the fuel cell 11, a path for supplying cooling water from the cooling water tank 14 to the humidifying device 21a ', and for extracting cooling water from the humidifying device 21a'. May be provided, and the humidification may be performed by the humidifier 21a ′ using cooling water flowing through the humidifier 21a ′ through these paths.
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 5, the fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as that of the fuel cell system of the second embodiment, but the cooling water radiator 13 is configured by a heat exchanger, and the cooling water radiator The second embodiment is different from the second embodiment in that the heat dissipated from the cooling water is used for heating the water in the hot water tank 45. Hereinafter, this difference will be described.
[0042]
The system according to the present embodiment includes a hot water tank 45, a hot water pump 44 for supplying water stored in the tank 45, and water supplied from the tank 45 via the cooling water radiator 13. And a hot water circulation path 15 for returning the tank 45 to the tank 45 again. In such a configuration, heat is given to the cooling water radiator 13 constituted by a heat exchanger from the cooling water after being used for humidification in the humidifying device 21a ′, and this heat further passes through the hot water circulation path 15. Given to circulating water. Thereby, the water in the hot water storage tank 45 is heated, and the hot water is stored in the tank 45.
[0043]
In the present embodiment, since the pre-humidifier 22 is provided, as described above in the second embodiment, the moisture supplied from the cooling water to the supply air in the humidification in the humidifier 21a ′, and the moisture It is possible to reduce the heat transferred to the supply air. In this way, since the heat and moisture taken away from the cooling water by humidification are small, the cooling water radiator 13 recovers more heat from the cooling water and uses the heat for heating the water in the hot water tank 45. can do. Therefore, hot water can be obtained efficiently and the temperature of the hot water can be increased. As a result, the energy efficiency of the entire system is improved. Moreover, since the hot water collected as described above has a high temperature, it can be used for a wide range of applications. Therefore, the value of the heat collected from the fuel cell 11 can be increased.
[0044]
In the above description, the present embodiment has been described with respect to the case where the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 is the basic configuration. However, in the case where the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 is the basic configuration. However, it is possible to apply the present embodiment provided with a hot water tank.
(Embodiment 4)
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as the fuel cell system of the third embodiment, but the configuration in which the upstream humidifier 22 and the humidifier 21a ′ are integrated, that is, The point from which the humidification apparatus 50 which has front stage humidification part 22 'and humidification part 21' is provided differs from Embodiment 3. FIG. Hereinafter, this difference will be described.
[0045]
In the humidifier 50, the upstream humidifier 22 ′ supplies the air path 1 for supplying supply air, the exhaust air path 4 for supplying exhaust air from the fuel cell 11, and the exhaust air used for humidification is supplied to the upstream humidifier 22. The exhaust air path 5 to be taken out from 'is connected. Further, the humidifying unit 21 ′ has a cooling water path 6a for supplying the cooling water taken out from the fuel cell 11 to the humidifying part 21 ′, and a cooling water path 6b for taking out the cooling water used for humidification from the humidifying part 21 ′. The air path 3 for supplying the humidified supply air to the fuel cell 11 is connected.
[0046]
7 and 8 are schematic views showing the configuration of the humidifying device 50, FIG. 7 is a perspective view of the flow path plate constituting the humidifying device 50, and (a) is a view of the plate from the surface. It is a figure, (b) is the figure seen from the back surface. FIGS. 8A and 8B are schematic views of a humidifying device 50 in which a plurality of the flow path plates of FIG. 7 are stacked, where FIG. 8A is an exploded perspective view and FIG. 8B is a perspective view.
[0047]
As shown in FIGS. 7A and 7B and FIGS. 8A and 8B, the upstream humidifier 22 ′ of the humidifier 50 has the same configuration as the upstream humidifier 22 of the first to third embodiments. On the other hand, the humidifying unit 21 ′ has the same configuration as the humidifying device 21a ′ of the second and third embodiments. That is, the humidifier 50 is configured by laminating a plurality of flow path plates 27 ′ with the moisture transfer film 23 interposed therebetween. The flow path plate 27 ′ has a discharge air flow path 25 and a cooling water flow path 26 formed on the surface thereof, and a region where the discharge air flow path 25 is formed corresponds to the upstream humidification portion 22 ′, and the cooling water flow A region where the path 26 is formed corresponds to the humidifying portion 21 ′. On the back surface of the flow path plate 27 ′, a supply air flow path 24 is formed continuously over the preceding humidification part 22 ′ and the humidification part 21 ′ so as to coincide with the lower part of the discharge air flow path 25 and the cooling water flow path 26. ing. The flow path plate 27 'has a plurality of manifold holes 31a to 31f in areas other than the areas where the flow paths 24, 25, and 26 are formed. The flow path plates 27 ′ are stacked so that the manifold holes 31 a to 31 f of the flow path plates 27 ′ are aligned with each other. As a result, in the laminate, the exhaust air introduction flow path 31c ′ formed by communication with the manifold hole 31c, the exhaust air extraction flow path 31a ′ formed by communication with the manifold hole 31a, and the cooling formed by communication between the manifold holes 31f. A water introduction flow path 31f ′ and a cooling water extraction flow path 31d ′ formed by communicating the manifold hole 31d are formed. In addition, a supply air introduction flow path 31b 'formed by communication with the manifold hole 31b is formed, and a supply air extraction flow path 31e' formed by communication with the manifold hole 31e is formed. An exhaust air introduction flow path 31 c ′ in which the manifold hole 31 c communicates is connected to the exhaust air path 4, and an exhaust air extraction flow path 31 a ′ in which the manifold hole 31 a communicates is connected to the exhaust air path 5. Has been. As a result, the exhaust air supplied from the exhaust air path 4 to the upstream humidifier 21 ′ of the humidifier 50 flows along the exhaust air flow path 25 formed on the surface of the flow path plate 27 ′, and the exhaust air path 5 Sent to. On the other hand, the cooling water introduction flow path 31f ′ formed by communication with the manifold hole 31f is connected to the cooling water flow path 6a, and the cooling water extraction flow path 31d ′ formed by communication with the manifold hole 31d is formed by the cooling water flow path 6b. It is connected to the. As a result, the cooling water supplied from the cooling water flow path 6a to the humidifying portion 21 ′ of the flow path plate 27 ′ of the humidifying device 50 flows along the cooling water flow path 26 formed on the surface of the plate 27 ′. It is sent to the water flow path 6b. As described above, on the surface of the flow path plate 27 ′, a flow of exhaust air is formed in the upstream humidifier 22 ′, and a flow of cooling water is formed in the humidifier 21 ′. This flow of exhaust air and the flow of cooling water are in the same direction.
[0048]
On the other hand, the supply air introduction flow path 31 b ′ in which the manifold hole 31 b communicates is connected to the air path 1, and the supply air take-out flow path 31 e ′ in which the manifold hole 31 e communicates is connected to the air path 3. Has been. Thereby, the supply air supplied from the air path 1 to the upstream humidification part 22 ′ of the flow path plate 27 ′ of the humidifier 50 flows along the supply air flow path 24 formed on the back surface of the plate 27 ′. Further, after flowing along the supply air flow path 24 of the humidifying section 21 ′, the air is sent to the air path 3. As described above, the flow of the supply air formed across the upstream humidifier 22 ′ and the humidifier 21 ′ is in a direction opposite to the flow of exhaust air and cooling water formed on the surface of the plate 27 ′.
[0049]
Here, in the humidifier 50, since the plurality of flow path plates 27 ′ having the above-described configuration are stacked via the water transfer film 23, the front humidification section 22 ′ has a surface of the flow path plate 27 ′. The exhaust air flowing through the exhaust air flow path 25 and the supply air flowing through the supply air flow path 24 on the back surface of another flow path plate 27 ′ are in contact with each other through the moisture transfer film 23. Therefore, in the pre-humidifying unit 22 ′, moisture and thermal energy are given from the exhaust air to the supply air through the moisture transfer film 23 as described above in the pre-humidifying device 22. Further, in the humidifying section 21 ′, the cooling water flowing through the cooling water flow path 26 on the surface of the flow path plate 27 ′ and the supply air flowing through the supply air flow path 24 on the back surface of another flow path plate 27 ′ are the moisture transfer film 23. Is touching through. Therefore, in the humidifying unit 21 ′, moisture and heat energy are given from the cooling water to the supply air through the moisture transfer film 23 as described in the humidifying device 21 a ′. Here, as described above, the supply air, the cooling water, and the discharge air are in contact with each other while forming an opposing flow, so that the moisture and thermal energy transfer in the upstream humidification unit 22 ′ and the humidification unit 21 ′. Is done efficiently. As described above, in the humidifier 50, the supply air is heated and humidified using the exhaust air in the upstream humidifier 22 ′, and the supply air is further heated using the cooling water in the humidifier 21 ′. And humidification is performed.
[0050]
In the fuel cell system having such a configuration, the same effects as those described in the third embodiment can be obtained. Further, since the humidifying device 50 in which the upstream humidifying unit 22 ′ and the humidifying unit 21 ′ are integrated is provided, a pipe (specifically, an implementation of the pipe between the upstream humidifying unit 22 ′ and the humidifying unit 21 ′ is provided. (Corresponding to the piping constituting the air path 2 of the third embodiment) is not necessary. For this reason, it is possible to reduce the size of the system and to improve heat efficiency by preventing heat loss in the piping.
[0051]
In the above, in the humidifier 50, the front humidifier 22 ′ and the humidifier 21 ′ are arranged side by side in the horizontal direction, but the arrangement of the front humidifier 22 ′ and the humidifier 21 ′ is limited to this. Is not to be done. For example, the upstream humidification part 22 'and the humidification part 21' may be laminated and integrated.
[0052]
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of a humidifying device 50 of the fuel cell system in a modification of the present embodiment. As shown in FIG. 9, in the humidification part 50 of this example, humidification part 21 'is laminated | stacked on front stage humidification part 22', and front stage humidification part 22 'and humidification part 21' are arranged side by side in the perpendicular direction. Yes. The pre-humidifying unit 22 'has the same configuration as the above-described pre-humidifying device 22, and the humidifying unit 21' has the same configuration as the above-described humidifying device 21a '. The air path 1 is connected to the supply air introduction flow path 28a ′ formed by the manifold hole 28a of the flow path plate 27 constituting the upstream humidifying section 22 ′, and the exhaust air introduction flow formed by the manifold hole 29a. The exhaust air path 4 is connected to the path 29a ′, and the exhaust air path 5 is connected to the exhaust air extraction flow path 29b ′ formed by the manifold hole 29b. Further, the air path 3 is connected to the supply air take-out flow path 28a '' formed by the manifold hole 28a of the flow path plate 27 of the humidifying section 21 ', and the cooling water introduction flow path 29b formed by the manifold hole 29b. The cooling water path 6a is connected to '', and the cooling water path 6b is connected to the cooling water outlet flow path 29a '' formed by the manifold hole 29a. Further, the supply air take-out flow path 28b ′ formed by the manifold hole 28b in the upstream humidification section 22 ′ is connected to the supply air introduction flow path 28b ″ formed by the manifold hole 28b ′ in the humidification section 21 ′. ing.
[0053]
In the humidifier 50 having such a configuration, the supply air is supplied to the pre-humidification section 22 ′ through the air path 1, flows through the supply air flow path 24 on the surface of each flow path plate 27, and includes a supply air extraction flow path including the manifold holes 28b. Enter 28b '. On the other hand, the exhaust air supplied to the upstream humidifier 22 ′ through the exhaust air path 4 flows through the exhaust air flow path 25 on the back surface of each flow path plate 27 of the upstream humidifier 22 ′ and is sent to the exhaust air path 5. In the pre-humidifying part 22 ′, the flow of the supply air and the flow of the discharge air are formed on the front and back surfaces of the flow path plate 27 as described above so as to pass through the moisture transfer film 23 as described above. Moisture and heat energy of the exhaust air is given to the supply air, and the supply air is heated and humidified. The humidified supply air then flows vertically downward in the supply air extraction flow path 28b ′ formed from the manifold hole 28b of the upstream humidifier 22 ′, and then the supply air of the upstream humidifier 22 ′. The air is supplied to the flow path plate 27 of the humidifying section 21 ′ through the supply air introducing flow path 28 b ″ of the humidifying section 21 ′ communicating with the take-out flow path 28 b ′. On the surface of each flow path plate 27 of the humidifying part 21 ′, the supply air thus supplied from the preceding humidifying part 22 ′ flows along the supply air flow path 24. Here, a flow is formed in a direction opposite to the supply air flow path 24 in the preceding-stage humidification section 22 ′. Further, in the humidifying part 21 ′, the cooling water is supplied to the cooling water flow paths 26 on the back surface of the respective flow path plates 27 through the cooling water paths 6 a. The cooling water flows on the back surface of the plate along the cooling water flow path 26 and then is sent to the cooling water path 6b. In the humidifying section 21 ′, the flow of the supply air and the flow of the cooling water are formed on the front and back surfaces of the flow path plate 27 in this way, and as described above, the moisture of the cooling water through the moisture transfer film 23. And heat energy is applied to the supply air, and the supply air is further heated and humidified. Also in the fuel cell system having the humidifying device 50 having such a configuration, the same effect as that obtained when the upstream humidifying unit 22 ′ and the humidifying unit 21 ′ are arranged in the horizontal direction can be obtained. In addition, in the structure which arrange | positions the front stage humidification part 22 'and the humidification part 21' in a horizontal direction, the process of stacking the front stage humidification part 22 'and the humidification part 21' like the case where it laminates | stacks in a perpendicular direction becomes unnecessary. Therefore, the manufacturing process can be simplified, thereby reducing the cost of the fuel cell system.
(Embodiment 5)
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention. As shown in FIG. 10, the fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as the fuel cell system of the fourth embodiment, but has a configuration in which the fuel cell 11 is disposed adjacent to the humidifier 50. This is different from the fourth embodiment. Below, a difference is demonstrated.
[0054]
That is, in the fuel cell system of the present embodiment, the fuel cell 11 is disposed adjacent to the humidifying device 50 of the fourth embodiment. An air path 1 for supplying supply air and an exhaust air path 5 for extracting exhaust air used for humidification are connected to the upstream humidifier 22 ′ of the humidifier 50. Further, a cooling water path 7 for supplying cooling water is connected to the humidifying unit 21 ′ of the humidifying device 50, and cooling water for taking out the cooling water used for humidifying the supply air and cooling the fuel cell 11. The path 6 is connected. In this configuration, since the fuel cell 11 and the humidifier 50 are integrated, it is possible to supply exhaust air directly from the fuel cell 11 to the upstream humidifier 22 ′ of the humidifier 50. Further, the humidifying unit 21 ′ of the humidifying device 50 can supply the cooling water directly to the fuel cell 11 and directly collect and circulate it from the fuel cell 11. Furthermore, it becomes possible to supply the supply air directly from the humidifying unit 21 ′ to the fuel cell 11. As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the exhaust air, the supply air, and the Since the cooling water can be supplied, the air paths 2 and 3, the exhaust air path 4, and the cooling water paths 6 a and 6 b in the system of the fourth embodiment are not necessary. Therefore, the pipes constituting these paths are not required, and therefore heat loss in the pipes can be prevented. Therefore, the thermal efficiency in the fuel cell system can be improved and the system can be miniaturized. In particular, a pipe for supplying supply air from the humidifying unit 21 ′ of the humidifying device 50 to the fuel cell 11 (specifically, a pipe constituting the air path 3) is not required. It is possible to prevent moisture condensed by heat dissipation in the fuel cell 11 from being supplied to the fuel cell 11, and as a result, the system can be operated stably.
[0055]
As long as the fuel cell 11 and the humidifier 50 are in contact with each other, the arrangement of both is not particularly limited, but the fuel cell is arranged in the stacking direction of the flow path plates 27 ′ (or 27) constituting the humidifier 50. 11 is preferably arranged. In this case, it is possible to eliminate the routing of the piping, so that the system can be downsized. Furthermore, in the above description, the case where the humidifier 50 in which the upstream humidifier 22 ′ and the humidifier 21 ′ are integrated is arranged in contact with the fuel cell 11 has been described. For example, as in Embodiment 3 When the pre-humidifier 22 and the humidifier 21a ′ are provided separately, the system may be configured so that the humidifier 21a ′ and the fuel cell 11 are in contact with each other.
(Embodiment 6)
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention. As shown in FIG. 11, the fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as that of the fuel cell system of the third embodiment, but differs from the third embodiment in the following points. In other words, in the fuel cell system of the present embodiment, the humidification amount of the supply air (specifically, the humidity of the air) detector 60 is provided in the air path 3 for supplying air from the humidifier 21a ′ to the fuel cell 11. A control device 61 is provided that adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the humidifying device 21 a ′ based on information from the detector 60. Here, the control device 61 adjusts the flow rate of the cooling water by controlling the output or the rotational speed of the cooling water pump 12.
[0056]
In the fuel cell system having such a configuration, the humidification amount of the supply air supplied to the fuel cell 11 through the air path 3 is detected by the detector 60. As the detector 60, for example, an electrical resistance humidity sensor, a thermistor humidity sensor, or the like is used, and the detector 60 is disposed immediately before the fuel cell 11 in the air path 3. Information on the humidification amount obtained by the detector 60 is transmitted to the control device 61.
[0057]
For example, when the humidification amount detected by the detector 60 is smaller than a predetermined value, the control device 61 increases the output of the cooling water pump 12 based on the humidification amount information, or rotates the pump 12. Increase the number. Thereby, the flow rate of the cooling water supplied to the humidifying device 21a 'increases, and as a result, the amount of moisture given from the cooling water to the supply air, that is, the humidifying amount, increases in the humidifying device 21a'. Therefore, the humidification amount of the supply air can be adjusted to the optimum value.
[0058]
On the other hand, when the humidification amount of the supply air is larger than the predetermined value, the control device 61 reduces the output of the cooling water pump 12 or reduces the rotation speed of the pump 12 based on the humidification amount information. . As a result, the flow rate of the cooling water supplied to the humidifying device 21a 'decreases, and as a result, the amount of moisture given from the cooling water to the supply air, that is, the humidifying amount, decreases in the humidifying device 21a'. Therefore, the humidification amount of the supply air can be adjusted to the optimum value.
[0059]
As described above, by controlling the supply flow rate of the cooling water in accordance with the humidification amount of the supply air, the humidification amount of the supply air can be maintained at an optimum value. Thereby, the energy efficiency of the fuel cell system can be improved and the stability of the system can be improved.
[0060]
Here, in the above description, the case where the flow rate of the cooling water supplied to the humidifier 21a is adjusted by controlling the cooling water pump 12 with the control device 61 has been described. It is not limited to. For example, as a modification of the present embodiment, as shown in FIG. 12, a proportional valve 70 that can be automatically opened and closed is provided in a cooling water path 6 a that supplies cooling water to the humidifying device 21 a ′, and a control device 61. However, it may be configured to adjust the opening and closing of the proportional valve 70 based on information from the detector 60. In such a configuration, for example, when the humidification amount detected by the detector 60 is smaller than a predetermined value, the control device 61 opens the proportional valve 70 larger based on the humidification amount information. Thereby, the flow rate of the cooling water supplied to the humidifying device 21a 'increases, and as a result, the amount of moisture given from the cooling water to the supply air, that is, the humidifying amount, increases in the humidifying device 21a'. On the other hand, when the humidification amount of supply air is larger than a predetermined value, the control device 61 closes the valve 70 so that the opening of the proportional valve 70 becomes smaller based on the humidification amount information. As a result, the flow rate of the cooling water supplied to the humidifying device 21a 'decreases, and as a result, the amount of moisture given from the cooling water to the supply air, that is, the humidifying amount, decreases in the humidifying device 21a'. Thus, by adjusting the supply flow rate of the cooling water to the humidifier 21a 'using the proportional valve 70, the same effect as described above can be obtained.
[0061]
Further, in the above, the humidification amount of the supply air is adjusted by adjusting the supply amount of the cooling water, but in addition to this, the supply amount is adjusted by adjusting the temperature of the cooling water supplied to the humidifying device 21a ′. You may adjust the humidification amount of air. The temperature of the cooling water supplied to the humidifying device 21a ′ affects the moisture transfer from the cooling water to the supply air in the humidifying device 21a ′, and if the temperature of the cooling water is high, more water is given to the supply air. When the temperature of the cooling water is low, less water is given, which contributes to the humidification amount of the supply air. Therefore, as another modification of the present embodiment, for example, instead of adjusting the flow rate of the cooling water as described above, the temperature of the cooling water is adjusted using a heater or the like according to the humidification amount of the supply air. Alternatively, the temperature of the cooling water may be adjusted by adjusting the heat radiation amount of the cooling water in the cooling water radiator 13. In such a configuration, when the humidification amount detected by the detector 60 is smaller than a predetermined value, the control device 61 increases the temperature of the cooling water with a heater or the like based on the humidification amount information, or the cooling water radiator 13 reduces the amount of heat released. As a result, the temperature of the cooling water supplied to the humidifying device 21a 'increases, and as a result, the amount of moisture given from the cooling water to the supply air, that is, the humidifying amount, increases in the humidifying device 21a'. On the other hand, when the humidification amount of supply air is larger than a predetermined value, the control device 61 reduces the temperature of the cooling water or increases the heat radiation amount in the cooling water radiator 13 based on the humidification amount information. As a result, the temperature of the cooling water supplied to the humidifying device 21a 'decreases, and as a result, the amount of moisture given from the cooling water to the supply air, ie, the humidifying amount, decreases in the humidifying device 21a'. By adjusting the temperature of the cooling water supplied to the humidifier 21a 'as described above, the same effect as described above can be obtained.
[0062]
In the above description, the case where the basic configuration of the fuel cell system is the same as that of the fuel cell system of Embodiment 3 has been described, but the flow rate of the cooling water is adjusted according to the humidification amount of the supply air. The embodiment can also be applied to the case where the configuration of each fuel cell system of the second, fourth, and fifth embodiments is a basic configuration.
(Embodiment 7)
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 7 of the present invention. The fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as that of the sixth embodiment, but differs from the sixth embodiment in the following points. That is, in the fuel cell system of the present embodiment, the bypass path 63 that allows the coolant to circulate by bypassing the humidifier 21a ′ is connected to the coolant path 6a and the coolant path 6b. . Thereby, the bypass path 63 is arranged in parallel with the humidifier 21a '. A three-way valve 62 is provided in the cooling water path 6a for supplying cooling water to the humidifier 21a '. The three-way valve 62 has three pipe connection ports. One of the connection ports is connected to a pipe 64a constituting the cooling water path 6a, and the other connection port is a pipe 64b constituting the cooling water path 6a. A pipe 63 ′ constituting the bypass path 63 is connected to another connection port. The three-way valve 62 is controlled by the control device 61, and is configured to be able to automatically adjust the distribution amount of the flow rate of the cooling water supplied from the pipe 64a to the pipe 63 ′ and the pipe 64b. Has been.
[0063]
In the fuel cell system having such a configuration, the humidification amount of the supply air supplied to the fuel cell 11 through the air path 3 is detected by the detector 60, and the control device 61 controls the three-way valve 62 based on the humidification amount information. Adjust. Thereby, the distribution supply flow rate of the cooling water supplied from the pipe 64a to the pipes 64b and 63 'is adjusted.
[0064]
For example, when the humidification amount of the supply air detected by the detector 60 is smaller than a predetermined value, the control device 61 increases the flow rate of the cooling water supplied to the humidification device 21a ′ based on the humidification amount information. In addition, the three-way valve 62 is adjusted so that the flow rate of the cooling water supplied to the bypass passage 63 decreases. Thereby, the flow rate of the cooling water supplied to the humidifying device 21a 'increases, and as a result, the amount of moisture given from the cooling water to the supply air, that is, the humidifying amount, increases in the humidifying device 21a'. Thereby, the humidification amount of the supply air is adjusted to be an optimum value. On the other hand, when the humidification amount of the supply air is larger than the predetermined value, the control device 61 reduces the flow rate of the cooling water supplied to the humidification device 21a ′ based on the humidification amount information, and enters the bypass path 63. The three-way valve 62 is adjusted so that the flow rate of the supplied cooling water increases. As a result, the flow rate of the cooling water supplied to the humidifying device 21a 'decreases, and as a result, the amount of moisture given from the cooling water to the supply air, that is, the humidifying amount, decreases in the humidifying device 21a'. Thereby, the humidification amount of the supply air is adjusted to be an optimum value.
[0065]
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the supply air is humidified by controlling the supply flow rate of the cooling water to the humidifier 21a ′ using the three-way valve 62 according to the humidification amount of the supply air. The amount can be adjusted to the optimum value. Therefore, the same effects as those described in the sixth embodiment can be obtained. Further, in the system of the present embodiment, the humidifying device 21a ′ can be bypassed and the cooling water can be circulated, so the flow rate of the cooling water supplied to the fuel cell 11 and the humidifying device 21a ′ are supplied. It becomes possible to individually adjust the flow rate of the cooling water. Therefore, it is possible to supply cooling water having a flow rate optimum for humidification of the supply air to the humidifying device 21a ′ and to circulate other cooling water through the bypass path 63 without passing through the humidifying device 21a ′. It becomes possible. As a result, waste of the water and heat energy of the cooling water in the humidifier 21a 'can be suppressed, and the water and heat energy of the cooling water consumed by the humidifier 21a' can be reduced. Therefore, it is possible to efficiently obtain the supply air with the optimum humidification amount, and to efficiently and stably cool the fuel cell 11 which is the original role of the cooling water, so that the operating temperature of the fuel cell 11 is set to the optimum value. In addition to the adjustment, it is possible to efficiently recover heat from the cooling water into the hot water storage water. Accordingly, it is possible to further improve the stability and energy efficiency of the fuel cell system.
[0066]
In the above description, the case where the flow rate of the cooling water supplied to the pipes 64b and 63 is adjusted by the three-way valve 62 has been described. Instead of providing the three-way valve 62, for example, the bypass path 63, the cooling water path 6a, And a proportional valve may be suitably provided in each piping which constitutes cooling water channel 6b.
[0067]
FIG. 14 is a schematic diagram showing a part of the configuration of the fuel cell system according to a modification of the present embodiment. Here, the configuration of the humidifying device 21a 'and its surroundings is shown. As shown in FIG. 14, in this case, the pipe 63 ′ constituting the bypass path 63 is connected to the pipe 6a ′ constituting the cooling water path 6a and the pipe 6b ′ constituting the cooling water flow path 6b. . The pipe 6a 'is provided with a proportional valve 70a on the downstream side of the connecting portion of the pipe 63'. On the other hand, the pipe 63 'is provided with a proportional valve 70b at the end of the connection portion with the pipe 6a. The opening and closing of these proportional valves 70a and 70b is automatically controlled by the control device 61. For example, when the humidification amount of the supply air detected by the detector 60 is smaller than a predetermined value, the control device 61 adjusts the proportional valve 70a so that the cooling water supply flow rate to the humidification device 21a ′ increases. At the same time, the proportional valve 70b is adjusted so that the flow rate of the cooling water supplied to the bypass path 63 is reduced. On the other hand, when the humidification amount of the supply air is larger than the predetermined value, the control device 61 adjusts the proportional valve 70a so as to reduce the supply flow rate of the cooling water to the humidification device 21a ′, and to the bypass path 63. The proportional valve 70b is adjusted so that the cooling water supply flow rate increases. Thereby, also in this configuration, the same effect as in the sixth embodiment can be obtained.
[0068]
In the above description, the basic configuration has the same configuration as that of the fuel cell system of the third embodiment. However, depending on the humidification amount of the supply air, the cooling water to the humidifying device 21a ′ and the bypass path 63 is described. The present embodiment for adjusting the supply flow rate can also be applied to the configurations of the fuel cell systems of the second, fourth, and fifth embodiments.
(Embodiment 8)
FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 8 of the present invention. As shown in FIG. 15, the fuel cell system according to the present embodiment has the same configuration as that of the sixth embodiment, but is supplied to the humidifier 21a ′ instead of the detector 60 that detects the humidification amount of the supply air. The point from which the detector 65 which detects the temperature of the cooling water to be provided was provided differs from Embodiment 6. FIG. Hereinafter, differences will be described.
[0069]
As described above in the sixth embodiment, the temperature of the cooling water is related to the humidification amount of the supply air. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the detector 65 detects the temperature of the cooling water supplied to the humidifying device 21a ′, and the control device 61 controls the humidifying device 21a ′ based on this temperature information. Adjust the flow rate of the cooling water supplied. Here, for example, an electrical resistance temperature sensor, a contact temperature sensor, or the like is used as the detector 65, and the detector 65 is disposed in the portion immediately before the humidifier 21a 'in the cooling water path 6a.
[0070]
For example, when the temperature of the cooling water detected by the detector 65 is lower than a predetermined value, less water moves from the cooling water to the supply air than when the temperature of the cooling water is high. In order to achieve a proper amount of humidification, it is necessary to increase the flow rate of cooling water. Therefore, in this case, the control device 61 increases the output of the cooling water pump 12 or increases the rotational speed of the pump 12 based on the temperature information of the cooling water. Thereby, the flow rate of the cooling water supplied to the humidifying device 21a 'increases, and as a result, the amount of moisture given from the cooling water to the supply air, that is, the humidifying amount, increases in the humidifying device 21a'. As a result, the humidification amount of the supply air can be adjusted to an optimum value. On the other hand, when the temperature of the cooling water is higher than the predetermined value, a large amount of moisture moves from the cooling water to the supply air. it can. Therefore, in this case, the control device 61 reduces the output of the cooling water pump 12 or reduces the rotational speed of the pump 12 based on the temperature information of the cooling water. As a result, the flow rate of the cooling water supplied to the humidifying device 21a 'decreases, and as a result, the amount of moisture given from the cooling water to the supply air, that is, the humidifying amount, decreases in the humidifying device 21a'. As a result, the humidification amount of the supply air can be adjusted to an optimum value.
[0071]
As described above, in the present embodiment, since the cooling water supply flow rate is controlled in accordance with the temperature of the cooling water, the same effects as those described in the sixth embodiment can be obtained.
[0072]
In the above description, the case where the cooling water supply flow rate is adjusted by adjusting the cooling water pump 12 has been described. However, the method for adjusting the cooling water flow rate is not limited to this, for example, As described above in Embodiment 6, a proportional valve may be provided in the cooling water passage 6a, and the cooling water flow rate may be adjusted using the valve. In addition, as described above in the sixth embodiment, the humidification amount of the supply air may be adjusted by adjusting the temperature of the cooling water instead of adjusting the flow rate of the cooling water. In the above description, the basic configuration of the fuel cell system is the same as that of the fuel cell system of the third embodiment. However, the basic configuration of the fuel cell system of the present embodiment is the second and fourth embodiments. , 5 may be the same as the configuration of the fuel cell system. Furthermore, a configuration in which the present embodiment is applied to the configuration of the fuel cell system according to the seventh embodiment, that is, a configuration in which a bypass path 63 that bypasses the humidifier 21a 'is provided.
(Embodiment 9)
FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 9 of the present invention. As shown in FIG. 16, the fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as that of the sixth embodiment, but the power generation amount of the fuel cell 11 is used instead of the detector 60 that detects the humidification amount of the supply air. The difference from the sixth embodiment is that a detector 66 for detecting the above is provided. As the detector 66, a wattmeter is used. Here, since the fuel cell system normally operates the system while detecting the amount of power generation, the power meter provided in the system is used as the detector 66 without providing a new power meter. be able to. Hereinafter, differences from the sixth embodiment will be described.
[0073]
The power generation amount of the fuel cell 11 corresponds to the supply amount of air supplied to the air electrode side and the supply amount of fuel gas supplied to the fuel electrode side. Therefore, when the amount of power generated by the fuel cell 11 is large, the flow rate of the supply air to the fuel cell 11 also increases. Therefore, in order to humidify the supply air, the supply flow rate of the cooling water to the humidifying unit 21a ′ is increased. There is a need to do more. On the other hand, when the power generation amount of the fuel cell 11 is small, the flow rate of the supply air to the fuel cell 11 is also reduced, and therefore the flow rate of the cooling water supplied to the humidifier 21a to humidify the supply air may be small. . Therefore, it is possible to adjust the humidification amount of the supply air to the optimum value by adjusting the supply flow rate of the cooling water to the humidifier 21a according to the power generation amount of the fuel cell 11.
[0074]
For example, when the power generation amount of the fuel cell 11 detected by the detector 66 is larger than a predetermined value, the supply amount of air supplied to the fuel cell 11 is large, so that the humidification device 21a ′ supplies the supply air from the cooling water. The amount of moisture (ie, the amount of humidification) given to is increased. Therefore, in this case, the control device 61 increases the output of the cooling water pump 12 based on the power generation amount information from the detector 66 or increases the rotational speed of the pump 12 to increase the humidification device 21a ′. The flow rate of the cooling water supplied to is increased. As a result, the humidifier 21a 'can perform optimum humidification even for supply air having a large flow rate. On the other hand, when the amount of power generated by the fuel cell 11 is less than the predetermined value, the amount of air supplied to the fuel cell 11 is small, so that the moisture supplied from the cooling water to the supply air in the humidifier 21a ′ is reduced. The amount (ie, humidification amount) may be small. Therefore, in this case, the control device 61 reduces the output of the cooling water pump 12 based on the power generation amount information from the detector 66, or reduces the rotational speed of the pump 12, and the humidifying device 21a ′. The flow rate of the cooling water supplied to is reduced. Thereby, it is possible to optimally humidify the supply air.
[0075]
As described above, in the present embodiment, since the flow rate of the cooling water supplied to the humidifier 21a ′ is controlled according to the amount of power generated by the fuel cell 11, optimal humidification is performed according to the operating state of the fuel cell 11. An amount of supply air can be stably supplied. Therefore, the same effects as those described in the sixth embodiment can be obtained. In addition, as described above, since the power meter normally provided in the system can be used as the detector 66, it is not necessary to provide a separate detector for adjusting the humidification amount, and the system can be simplified and the cost can be reduced. Figured.
[0076]
In the above description, the case where the cooling water supply flow rate is adjusted by adjusting the cooling water pump 12 has been described. However, the method of adjusting the cooling water flow rate is not limited to this, and the embodiment is described. As described above in FIG. 3, a proportional valve may be provided in the cooling water path 6a and adjustment may be performed using the valve. In addition, as described above in the sixth embodiment, the humidification amount of the supply air may be adjusted by adjusting the temperature of the cooling water instead of adjusting the flow rate of the cooling water.
[0077]
Further, in the above description, the case where the humidification amount of the supply air is adjusted according to the power generation amount of the fuel cell 11 has been described, but in addition to this, the flow rate of the supply air supplied to the fuel cell 11 is directly detected, The humidification amount may be adjusted according to the flow rate of the supply air. For example, if a detector for detecting the flow rate of the supply air is disposed in the portion immediately before the fuel cell 11 in the air path 3 and the flow rate of the supply air detected by the detector is large, the air is similarly used as described above. When the flow rate of the supply air detected by the detector is small, the moisture transfer to the air is suppressed in the same manner as described above to increase the humidification amount. Decrease. Thereby, the same effect as described above can be obtained.
[0078]
In the above description, the basic configuration of the fuel cell system is the same as that of the fuel cell system of the third embodiment. However, the basic configuration of the fuel cell system of the present embodiment is the second and fourth embodiments. , 5 may be the same as the configuration of the fuel cell system. Furthermore, a configuration in which the present embodiment is applied to the configuration of the fuel cell system according to the seventh embodiment, that is, a configuration in which a bypass path 63 that bypasses the humidifier 21a 'is provided.
[0079]
In the above embodiment, the upstream humidifier 22 and the upstream humidifier 22 ′, the humidifier 21 a ′ and the humidifier 21 ′ stack the plurality of flow path plates 27 and 27 ′ via the moisture transfer film 23. However, these configurations are not limited to the plate type. For example, the upstream humidifier 22, the upstream humidifier 22 ', the humidifier 21a', and the humidifier 21 'may have a tube structure. In the following, description will be given by taking a pre-humidifier having a tube-type structure as an example.
[0080]
FIG. 17 is a schematic cutaway perspective view showing the configuration of the pre-humidifier 22 having a tube-type structure. As shown in FIG. 17, the upstream humidifier 22 is sealed at both ends by disks 103 and 104 in which a discharge air inlet 101 and a discharge air outlet 102 are formed, and the supply air inlet 105 and the supply air are provided on the side surfaces. A moisture transfer membrane module 107 configured by collecting a plurality of hollow fiber fibers 23 ′ composed of a moisture transfer membrane 23 in a bundle shape inside a cylindrical main body 100 in which an outlet 106 is formed has an axial direction. Are housed and configured to match. A discharge air passage 4 (not shown) is connected to the discharge air inlet 101 of the main body 100, a discharge air passage 5 (not shown) is connected to the discharge air outlet 102, and a supply air is supplied to the supply air inlet 105. An air path 1 (not shown) is connected, and a supply air path 2 (not shown) is connected to the supply air outlet 106. Seal members 108 are attached to both ends of the moisture transfer membrane module 107, whereby the inside of the main body 100 communicates with the first space 109 </ b> A communicating with the exhaust air path 4 via the exhaust air inlet 101 and the moisture. A second space 109B that is formed on the outer periphery of the moving membrane module 107 and communicates with the supply air paths 1 and 2 through the supply air inlet 105 and the supply air outlet 106, respectively, and the discharge air path 5 through the discharge air outlet 102. It is partitioned into a third space 109C that communicates.
[0081]
In the pre-humidifier 22 having such a configuration, the supply air is supplied to the second space 109B of the main body 100 through the supply air inlet 105, and the supply air is extracted from the space 109B through the supply air outlet 106. Thereby, in the second space 109 </ b> B, a flow of supply air is formed on the outer periphery of the moisture transfer membrane module 107 and the outer periphery of each hollow fiber 23 ′ constituting the membrane module 107. On the other hand, the exhaust air supplied to the first space 109 </ b> A of the main body 100 through the exhaust air inlet 101 enters the module from one end face of the moisture transfer membrane module 107. Then, after the exhaust air flows along the axial direction inside each hollow fiber 23 ′ constituting the moisture transfer membrane module 107, the exhaust air is discharged from the other end face of the module to the third space 109 </ b> C, and the exhaust air outlet 102 is taken out. Thereby, a flow of exhaust air reaching the first to third spaces 109A to 109C is formed.
[0082]
Here, in the second space 109B of the main body 100, the flow path of the supply air formed on the outer periphery of the moisture transfer membrane module 107 and the hollow fiber 23 'constituting the same as described above, and the membrane module 107 Since the exhaust air flow path formed inside the hollow fiber 23 ′ is in contact with the moisture transfer membrane 23, moisture is supplied from the exhaust air to the supply air as in the case of the plate-type structure described above. Moisture and thermal energy are given through the moving film 23. Therefore, the supply air heated and humidified by the exhaust air can be taken out from the main body 100. Therefore, the same effect as described above can be obtained also in the fuel cell system including the upstream humidifier 22 having such a tube-type structure. In addition, although the front stage humidifier 22 was demonstrated here, the tube type structure shown in FIG. 17 is applicable also to the front stage humidifier 22 ', humidifier 21a', and humidifier 21 '.
[0083]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form as described above, and has the following effects.
That is, according to the fuel cell system of the present invention, energy efficiency can be improved and stable operation of the system can be realized. In addition, the system can be made compact and simple.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
2 is a perspective view schematically showing a configuration of a flow path plate constituting the upstream humidifier of FIG. 1. FIG. 2 (a) is a view of the plate as viewed from the front surface, and FIG. It is a figure.
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the configuration of the pre-humidifying device of FIG. 1 configured by stacking a plurality of flow path plates of FIG. 2, wherein FIG. 3A is an exploded perspective view, and FIG. FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention.
7 is a perspective view showing a configuration of a flow path plate constituting the humidifying device of FIG. 6, wherein (a) is a view of the plate as seen from the front surface, and (b) is a view as seen from the back surface. .
8 is a diagram for explaining the configuration of the humidifying device in FIG. 6 in which a plurality of flow path plates in FIG. 7 are stacked, (a) is an exploded perspective view, and (b) is a perspective view. It is.
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of a humidifying device of a fuel cell system according to a modification of Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a modification of the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 7 of the present invention.
FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a modification of the seventh embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 8 of the present invention.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 9 of the present invention.
FIG. 17 is a cutaway perspective view showing a configuration of a front humidifier having a tube-type structure.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3 Air path
4,5 Exhaust air path
6, 6a, 6a, 7 Cooling water path
11 Fuel cell
12 Cooling water pump
13 Cooling water radiator
14 Cooling water tank
15 Hot water path
21a Humidifier
22 Pre-humidifier
21 'humidifier
22 'Pre-humidification part
23 Moisture transfer membrane
24 Supply air flow path
25 Exhaust air flow path
26 Cooling water flow path
27, 27 'channel plate
44 Hot water pump
45 Hot water storage tank
50 Humidifier
61 Controller
62 Three-way valve
63 Bypass route
70 proportional valve

Claims

A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas;
A first humidifying unit and a second humidifying unit for sequentially humidifying at least one of a supply fuel gas and a supply oxidant gas which are fuel gas and oxidant gas respectively supplied to the fuel cell;
A fuel cell system comprising a cooling structure for flowing cooling water through the fuel cell;
The first humidification unit performs the humidification by using moisture contained in at least one of the fuel gas and the oxidant gas that are discharged from the fuel cell, and the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas, respectively.
The second humidifying unit performs the humidification using the cooling water,
A humidification amount detector that detects a humidification amount of at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas supplied from the second humidification unit to the fuel cell, and is supplied to the second humidification unit. coolant temperature detector for detecting the temperature of the coolant that, and with any of the power generation amount detector for detecting a power generation amount of the fuel cell,
A fuel cell system, further comprising a control device that adjusts a humidification amount of the supply gas in the second humidification unit based on a value detected by any one of the detectors.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device adjusts a humidification amount of the supply gas by adjusting a flow rate of the cooling water supplied to the second humidification unit or a temperature of the cooling water.

The cooling structure includes a cooling water path through which the cooling water flows to the second humidifying section, and a cooling water bypass path connected to the cooling water path so as to bypass the second humidifying section. And
The control device adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the second humidifying unit through the cooling water path and the flow rate of the cooling water supplied to the cooling water bypass path. The fuel cell system according to claim 1, wherein the amount of humidification is adjusted.

A humidifier in which the first humidifying unit and the second humidifying unit are adjacently integrated;
The humidifier has a configuration in which a plurality of flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively transmits moisture.
On one main surface of each of the flow path plates, a flow path for at least one of the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas is formed in the region of the first humidification unit, and the second The flow path of the cooling water is formed in the area of the humidification section, and the other main surface of each of the flow path plates has the supply fuel gas continuous over the first humidification section and the second humidification section, and the The fuel cell system according to claim 1, wherein a flow path for at least one of the supply oxidant gases is formed.

A humidifier in which the first humidifying unit and the second humidifying unit are adjacently integrated;
The first humidifying unit of the humidifier has a configuration in which a plurality of first flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively permeates moisture, and one of the first flow path plates A flow path for at least one of the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas is formed on the main surface, and at least one supply gas of the supply fuel gas and the supply oxidant gas is formed on the other main surface. Is formed,
The second humidifying unit of the humidifier has a configuration in which a plurality of second flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively permeates moisture, and one of the second flow path plates A flow path for the cooling water is formed on the main surface of the gas, and at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas is formed on the other main surface.
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the humidifying device is configured by stacking the first humidifying unit and the second humidifying unit.