JP2004071349A

JP2004071349A - Fuel circulation type fuel cell system

Info

Publication number: JP2004071349A
Application number: JP2002228938A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ushio; 牛尾　健; Kazuya Aoki; 青木　和也; Tatsu Okano; 岡野　竜
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-06
Also published as: JP4028320B2

Abstract

【課題】燃料循環式燃料電池システムにおいて、システム全体の燃費向上を図る。
【解決手段】水素ガスおよび空気を供給されて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に水素ガスを供給する水素ガス供給流路１０と、燃料電池１から排出される水素オフガスを水素ガス供給流路１０に合流させる水素オフガス循環流路２０と、を備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、水素オフガス循環流路２０内の流体と所定の別流体（空気あるいは空気オフガス）との間で水分を移動させることにより水素オフガス循環流路２０内の流体の湿度を所望に調整可能にする水透過膜式湿度調整装置２１を、水素オフガス循環流路２０に備える。
【選択図】　　図１An object of the present invention is to improve the fuel efficiency of the entire fuel circulation type fuel cell system.
A fuel cell (1) that generates power by being supplied with hydrogen gas and air, a hydrogen gas supply channel (10) that supplies hydrogen gas to the fuel cell (1), and supplies hydrogen off gas discharged from the fuel cell (1) with hydrogen gas In a fuel circulation type fuel cell system including a hydrogen off-gas circulation flow path 20 that joins the flow path 10, moisture between the fluid in the hydrogen off-gas circulation flow path 20 and another predetermined fluid (air or air off-gas) The hydrogen off-gas circulation flow path 20 is provided with a water-permeable membrane-type humidity control device 21 that enables desired adjustment of the humidity of the fluid in the hydrogen off-gas circulation flow path 20 by moving the water.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料循環式燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
この燃料電池では、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。このように、燃料電池での発電には水の生成を伴うので、燃料電池から排出される酸化剤ガス（すなわち、酸化剤オフガス）には水分が含まれている。また、燃料電池から排出される燃料ガス（すなわち、燃料オフガス）にも生成水が固体高分子電解質膜を透過してくることにより水分が含まれている。
また、この種の燃料電池では、一般に、発電に供された後に燃料電池から排出される燃料ガス、すなわち燃料オフガスには未反応の燃料ガスが含まれているので、燃費向上のため、燃料オフガスをリサイクルさせ新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給している。
【０００４】
ところで、この燃料電池にあっては、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、発電出力が低下するため、良好な発電性能を保つために固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。
このため、この種の燃料電池では、一般に、燃料電池に供給する前に予め燃料ガスあるいは酸化剤ガス若しくはこれら両方のガスを加湿器で加湿し、加湿されたこれらガスを固体高分子電解質膜に供給することにより、固体高分子電解質膜に水分を供給している（特開平８−２７３６８７号等）。
【０００５】
一方、固体高分子電解質膜への水分供給が過多になると、燃料電池内部のガス通路内で水蒸気が凝縮して該ガス通路を閉塞（フラッディング）し、ガス供給を阻害して発電が不安定になり、発電出力（セル電圧）が低下する場合がある。特に、アノード側においては、燃料オフガスを循環利用しているため、水分が徐々に増えていく傾向にあり、水分過多になり易い。
そのため、従来は、セル電圧が低下した場合には、燃料オフガスの循環流路に設けられたパージ弁を開放して燃料オフガスを外部にパージし、燃料電池内部のガス流速を一時的に速めることにより燃料電池内の余分な水分を系外に放出し、発電を安定させてセル電圧を回復させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のようにパージ弁を開放して水分を放出するようにした場合には、水分の放出と同時に燃料ガスも系外に放出されることとなるため、燃料消費率（燃費という場合もある）が悪くなるという問題がある。
そこで、この発明は、燃料電池のアノードに供給される燃料の湿度を最適に制御することができ、燃料の外部放出の抑制により燃費向上を図ることができる燃料循環式燃料電池システムを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料（例えば、後述する実施の形態における水素ガス）および酸化剤（例えば、後述する実施の形態における空気）を供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給流路１０）と、前記燃料電池から排出される燃料オフガス（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス）を前記燃料供給流路に合流させる循環流路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路２０）と、を備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、前記循環流路および／または前記合流後の燃料供給流路の内部流体と所定の別流体との間で水分を移動させることにより前記循環流路内の流体の湿度を所望に調整可能にする水透過膜式湿度調整装置（例えば、後述する実施の形態における湿度調整装置２１）を、前記循環流路および／または前記合流後の燃料供給流路に備えることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料を放出することなく燃料オフガスの湿度を所望に調整することができ、その結果、燃料電池に供給される燃料の湿度を所望に調整することができる。
なお、「湿度を所望に調整可能にする」とは、単にこれまでより高い湿度へと調整可能にするのみならず、必要に応じてこれまでより低い湿度に変更調整可能としたり、一定の湿度に維持調整可能にするものを含む意味である。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記湿度調整装置に供給される前記別流体は、前記酸化剤または前記燃料電池から排出される酸化剤オフガス（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス）であることを特徴とする。
このように構成することにより、湿度調整装置に供給される前記別流体を簡単に用意することがが可能になる。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記湿度調整装置に供給される前記別流体として、前記内部流体よりも低い湿度の流体と高い湿度の流体のいずれか一方を選択供給可能にする切り替え手段（例えば、後述する実施の形態における第１切替弁４１）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、湿度調整装置の除湿機能と加湿機能の切り替えが簡単にできる。
【００１０】
請求項４に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記燃料電池に供給される酸化剤は、前記酸化剤オフガスの水分を該酸化剤に移動可能な膜加湿器（例えば、後述する実施の形態におけるカソード加湿器３）によって加湿されたのちに前記燃料電池に供給され、前記湿度調整装置に供給される前記別流体として前記膜加湿器に導入される前の前記酸化剤と前記酸化剤オフガスのいずれか一方を選択供給可能にする第１の切り替え手段（例えば、後述する実施の形態における第１切替弁４１）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、第１の切り替え手段によって、前記膜加湿器に導入される前の前記酸化剤を前記別流体として選択した場合には湿度調整装置を除湿器として機能させることができ、酸化剤オフガスを前記別流体として選択した場合には湿度調整装置を加湿器として機能させることができる。
【００１１】
請求項５に記載した発明は、請求項４に記載の発明において、前記燃料電池に供給される燃料の湿度を検出する湿度センサ（例えば、後述する実施の形態における湿度センサ６１）と前記燃料オフガスの湿度を検出する湿度センサの少なくとも一方の湿度センサを備え、この湿度センサで検出された湿度に基づいて前記第１の切り替え手段が切り替えられることを特徴とする。
このように構成することにより、前記湿度センサで検出される湿度に基づいて除湿と加湿のいずれが必要かを判断し、その判断結果に応じて第１の切り替え手段を切り替えることができる。
【００１２】
請求項６に記載した発明は、請求項４に記載の発明において、前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段（例えば、後述する実施の形態におけるセル電圧センサ６４）を備え、前記セル電圧検出手段で検出されたセル電圧に基づいて前記第１の切り替え手段が切り替えられることを特徴とする。
このように構成することにより、セル電圧検出手段で検出されるセル電圧に基づいて除湿と加湿のいずれが必要かを判断し、その判断結果に応じて第１の切り替え手段を切り替えることができる。
【００１３】
請求項７に記載した発明は、請求項４から請求項６のいずれかに記載の発明において、前記湿度調整装置から排出される前記別流体を、前記酸化剤に合流させる流路（例えば、後述する実施の形態における湿調空気排出流路５５）と系外に排出させる流路（例えば、後述する実施の形態における湿調空気排出流路５６）のいずれか一方に選択的に流通可能にする第２の切り替え手段（例えば、後述する実施の形態における第２切替弁４２）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、湿度調整装置を除湿器として機能させているときに、第２の切り替え手段によって、湿度調整装置から排出される別流体を酸化剤に合流させる流路に流通するように切り替えると、燃料オフガスから除去した水分を酸化剤とともに燃料電池のカソードに供給することができる。
【００１４】
請求項８に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記湿度調整装置に供給される前記別流体の湿度は、前記燃料電池に供給される前記燃料の目標湿度に応じて予め調整されていることを特徴とする。
このように構成することにより、湿度調整装置において燃料オフガスの湿度は予め所定に調整された前記別流体の湿度と平衡するので、燃料オフガスの湿度を目標とする所定の湿度に自動調整することができる。
【００１５】
請求項９に記載した発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の発明において、前記燃料オフガスが合流する前の前記燃料を前記燃料電池内における前記燃料が流通する流路の途中に供給する補助燃料供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給流路１３）を備えることを特徴とする。
燃料電池内を流通する燃料は燃料電池の出口に接近するにしたがって湿度が上昇していくが、前述のように構成することにより、燃料電池の途中で燃料の湿度を下げることができる。
【００１６】
請求項１０に記載した発明は、請求項１から請求項９のいずれかに記載の発明において、前記循環流路にはパージ用バルブ（例えば、後述する実施の形態におけるパージ弁２３）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、必要に応じてパージ用バルブを開放して燃料オフガスを放出することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料循環式燃料電池システムの態様である。
【００１８】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る燃料循環式燃料電池システム（以下、燃料電池システムと略す）の第１の実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【００１９】
大気からエアクリーナ５を介して取り入れられた空気はコンプレッサ２により加圧され、空気流路３１を通って燃料電池１のカソードに供給される。空気流路３１にはカソード加湿器（膜加湿器）３が設けられており、空気はカソード加湿器３の加湿側に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気オフガスとして空気オフガス流路３２に排出され、カソード加湿器３の加湿媒体側に供給された後、圧力制御弁４を介して排出される。カソード加湿器３において、空気オフガスの水分が燃料電池１に供給される空気に受け渡されて、該空気が加湿される。したがって、燃料電池１のカソードにはカソード加湿器３で加湿された空気が供給される。
【００２０】
一方、水素タンク６から供給される水素ガスは、レギュレータ７で所定圧力に減圧された後、水素ガス供給流路（燃料供給流路）１０を通って燃料電池１のアノードに供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、アノード側の生成水と共に水素オフガスとしてアノードから水素オフガス循環流路（循環流路）２０に排出される。水素オフガス循環流路２０は、水素オフガスをエゼクタ１１を介して水素ガス供給流路１０に合流させる流路であり、水素オフガス循環流路２０には湿度調整装置２１と水素ポンプ２２が設けられている。
【００２１】
湿度調整装置２１は、ガスの透過を阻止し水蒸気の透過だけを許可する非多孔質な透過膜（イオン水和型透過膜あるいは溶解拡散型透過膜など）２１ｃを挟んで第１流路２１ａと第２流路２１ｂを備えており、透過膜２１ｃは透過膜２１ｃの両面に接する流体間で水分量の多い流体から水分量の少ない流体に水分を移動させる性質を有している。すなわち、湿度調整装置２１はいわゆる水透過膜式湿度調整装置で構成されている。透過膜２１ｃの素材としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを例示することができる。
水素オフガス循環流路２０は湿度調整装置２１の第１流路２１ａに接続されており、その内部流体である水素オフガスは第１流路２１ａを流通した後、水素ポンプ２２で加圧されてエゼクタ１１に導入され、水素タンク６から供給される新鮮な水素ガスと合流して、再び燃料電池１のアノードに供給される。
なお、湿度調整装置２１は、水素オフガス循環流路２０に配置する以外にも、上記合流後の水素ガス供給流路１０に配置してもよい。この場合、湿度調整装置２１の第１流路２１ａに合流後の水素ガス供給流路１０が接続され、水素オフガスと新鮮な水素ガスとが合流した後のガス（これが内部流体である）が第１流路２１ａを流通した後、燃料電池１のアノードに供給される。さらに、湿度調整装置２１を水素オフガス循環流路２０と合流後の水素ガス供給流路１０との両方に配置してもよく、いずれの配置であっても燃料電池１に供給される水素ガスの湿度調整が行われる。
【００２２】
湿度調整装置２１の第２流路２１ｂの入口は、湿度調整用空気供給流路（以下、湿調空気供給流路と略す）５１を介して第１切替弁（第１の切り替え手段）４１に接続されている。第１切替弁４１は３つのポートを有し、その第１ポートに湿調空気供給流路５１が接続され、第２ポートにカソード加湿器３よりも上流の空気流路３１から分岐した湿調空気供給流路５２が接続され、第３ポートにカソード加湿器３よりも上流の空気オフガス流路３２から分岐した湿調空気供給流路５３が接続されている。第１切替弁４１は、第２ポートと第３ポートのいずれか一方を選択して第１ポートに接続する切替弁であり、第２ポートが選択された場合にはカソード加湿器３で加湿される前の湿度の低い乾燥した空気を湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給可能となり、第３ポートが選択された場合には燃料電池１から排出された湿度の高い空気オフガスを湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給可能となる。
【００２３】
また、湿度調整装置２１の第２流路２１ｂの出口は、湿度調整用空気排出流路（以下、湿調空気排出流路と略す）５４を介して第２切替弁（第２の切り替え手段）４２に接続されている。第２切替弁４２は３つのポートを有し、その第１ポートに湿調空気排出流路５４が接続され、第２ポートにカソード加湿器３よりも下流の空気流路３１に連なる湿調空気排出流路５５が接続され、第３ポートに圧力制御弁４より下流の空気オフガス流路３２に連なる湿調空気排出流路５６が接続されている。第２切替弁４２は、第２ポートと第３ポートのいずれか一方を選択して第１ポートに接続する切替弁であり、第２ポートが選択された場合には湿度調整装置２１の第２流路２１ｂから排出された空気をカソード加湿器３よりも下流の空気流路３１に排出可能となり、第３ポートが選択された場合には圧力制御弁４よりも下流の空気オフガス流路３２に排出可能となる。
【００２４】
次に、この燃料電池システムの作用を説明する。
図２は、燃料電池１のアノードガス流路内における湿度変化の様子を示したものであり、燃料電池１のアノード出口に接近するにしたがって徐々に湿度が上昇していく。
ここで、燃料電池１の発電性能を高く維持するためには、燃料電池１のアノード出口における水素ガスの湿度を１００％を超えない範囲で可能な限り高く管理するのが良いとされている。湿度が１００％を越えると燃料電池１内で水素ガス中の水分が凝縮しフラッデイングを起こす虞があるからであり、また、湿度が低いとイオン伝導率が低下する虞があるからである。
【００２５】
そこで、この燃料電池システムでは、切替弁４１，４２を切り替えることにより、燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの湿度（換言すれば、アノード入口における水素ガスの湿度）を適切に調整し、アノード出口における水素ガスの湿度を前述の如く適切な湿度となるようにする。
例えば、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度が不足している場合には、第１切替弁４１の第１ポートと第３ポートを接続し第２ポートを遮断するように第１切替弁４１を切り替え、第２切替弁４２の第１ポートと第３ポートを接続し第２ポートを遮断するように第２切替弁４２を切り替える。
【００２６】
このように第１切替弁４１を切り替えると、燃料電池１のカソードから排出されカソード加湿器３に導入される前の湿度の高い空気オフガスが、湿調空気供給流路５３，５１を介して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される。その結果、湿度調整装置２１において、第２流路２１ｂに湿度の高い空気オフガスが流れ、この空気オフガスよりも湿度の低い水素オフガスが第１流路２１ａに流れるので、空気オフガス中の水分が透過膜２１ｃを介して水素オフガスへと移動し、水素オフガスを加湿する。すなわち、この場合には、湿度調整装置２１は水素オフガスを加湿する加湿器として機能する。なお、前述したように、湿度調整装置２１の透過膜２１ｃはガスの透過を阻止するので、第１流路２１ａの水素オフガス中の水素ガスが第２流路２１ｂに透過することはなく、また、第２流路２１ｂの空気オフガス中の酸素が第１流路２１ａに透過することもない。
【００２７】
このようにして加湿された水素オフガスが水素オフガス循環流路２０を通って水素ガス供給流路１０に合流せしめられるので、燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの湿度を上げることができ、その結果、アノード出口における水素ガスの湿度を上げることができる。
そして、湿度調整装置２１の第２流路２１ｂからは、水素オフガスに水分を奪われて湿度が下がった空気オフガスが湿調空気排出流路５４に排出される。この湿度の低い空気オフガスは、第２切替弁４２が前述のように切り替えられているので、湿調空気排出流路５６を通って、圧力制御弁４よりも下流の空気オフガス流路３２に排出される。
【００２８】
一方、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度が過度である場合には、第１切替弁４１の第１ポートと第２ポートを接続し第３ポートを遮断するように第１切替弁４１を切り替え、第２切替弁４２の第１ポートと第２ポートを接続し第３ポートを遮断するように第２切替弁４２を切り替える。
【００２９】
このように第１切替弁４１を切り替えると、コンプレッサ２から圧送されたカソード加湿器３に導入される前の湿度の低い乾燥した空気が、湿調空気供給流路５２，５１を介して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される。その結果、湿度調整装置２１において、第１流路２１ａに湿度の高い水素オフガスが流れ、第２流路２１ｂに湿度の低い乾燥した空気が流れるので、水素オフガス中の水分が透過膜２１ｃを介して乾燥した空気へと移動し、水素オフガスを除湿する。すなわち、この場合には、湿度調整装置２１は水素オフガスを除湿する除湿器として機能する。なお、前述したように、湿度調整装置２１の透過膜２１ｃはガスの透過を阻止するので、第１流路２１ａの水素オフガス中の水素ガスが第２流路２１ｂに透過することはなく、また、第２流路２１ｂの空気中の酸素が第１流路２１ａに透過することもない。
このようにして除湿された水素オフガスが水素オフガス循環流路２０を通って水素ガス供給流路１０に合流せしめられるので、燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの湿度を下げることができ、その結果、アノード出口における水素ガスの湿度を下げることができる。
【００３０】
そして、湿度調整装置２１の第２流路２１ｂからは、水素オフガスから水分を譲り受けて湿度が上がった空気が湿調空気排出流路５４に排出される。この湿度の高い空気は、第２切替弁４２が前述のように切り替えられているので、湿調空気排出流路５５を通って、カソード加湿器３よりも下流の空気流路３１に排出される。これにより、水素オフガスから奪った水分を含む湿度の高い空気を、カソード加湿器３で加湿された空気と合流させて、燃料電池１のカソードに供給することができる。その結果、燃料電池１のアノードの水分をカソードの加湿に利用することができ、カソードの加湿性能が向上する。
【００３１】
このようにして燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの湿度が適切に調整されるので、燃料電池１のアノードで水分が過多になったり過少になるのを防止することができる。したがって、燃料電池１の発電性能の低下を防止することができ、各セル電圧の低下を防止することができる。
しかも、水素ガスを放出することなくアノードに供給される水素ガスの湿度調整ができるので、水素タンク６から供給された水素ガスの総てを燃料電池１の発電に利用することができ、燃料電池システム全体としての燃費が向上する。
【００３２】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第２の実施の形態を図３の図面を参照して説明する。第２の実施の形態の燃料循環式燃料電池システムが第１の実施の形態のものと相違する点は以下の通りである。
第２の実施の形態における燃料電池システムにおいては、第１の実施の形態における第１切替弁４１および第２切替弁４２と、湿調空気供給流路５１〜５３と、湿調空気排出流路５４〜５６を備えていない。
【００３３】
また、第２の実施の形態における燃料電池システムでは、第１の実施の形態におけるカソード加湿器３に代えて、第１カソード加湿器３Ａと第２カソード加湿器３Ｂが設けられている。コンプレッサ２で加圧された空気は、空気通路３１を通って燃料電池１のカソード入口に到達するまでの間に、第１カソード加湿器３Ａの加湿側と第２カソード加湿器３Ｂの加湿側を順に流通する。また、燃料電池１のカソードから排出された空気オフガスは空気オフガス流路３２を通って圧力制御弁４に到達するまでの間に、第２カソード加湿器３Ｂの加湿媒体側と第１カソード加湿器３Ａの加湿媒体側を順に流通する。
【００３４】
さらに、第２の実施の形態における燃料電池システムでは、湿度調整装置２１の第２流路２１ｂの入口に、第１カソード加湿器３Ａと第２カソード加湿器３Ｂの間の空気流路３１から分岐され第１流量制御弁４３を備えた湿調空気供給流路５７が接続されており、第１カソード加湿器３Ａで加湿された空気が所定流量で第２流路２１ｂに供給されるようになっている。また、第２流路２１ｂの出口は、湿調空気排出流路５９を介して、第２カソード加湿器３Ｂよりも下流の空気流路３１に接続されている。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】
この第２の実施の形態における燃料電池システムでは、アノード入口における水素ガスの目標湿度（以下、アノード入口目標湿度と略す）に基づいて、水素ガス供給流路１０に合流する水素オフガスの目標湿度（以下、水素オフガス目標湿度と略す）を設定する。そして、第１カソード加湿器３Ａで加湿された空気の湿度が、水素オフガス目標湿度と同じになるように、予め第１カソード加湿器３Ａの加湿性能を設定しておく。
このように第１カソード加湿器３Ａの加湿性能を設定すると、水素オフガス目標湿度と同じ湿度の空気が、湿調空気供給流路５７を介して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される。その結果、湿度調整装置２１の第１流路２１ａに水素オフガス目標湿度よりも低い湿度の水素オフガスが流れている場合には、第１流路２１ａを流れる空気中の水分が透過膜２１ｃを介して第２流路２１ｂを流れる水素オフガスへと移動して水素オフガスを加湿し、逆に、湿度調整装置２１の第１流路２１ａに水素オフガス目標湿度よりも高い湿度の水素オフガスが流れている場合には、第２流路２１ｂを流れる水素オフガス中の水分が透過膜２１ｃを介して第１流路２１ａを流れる空気へと移動して水素オフガスを除湿する。
したがって、水素オフガスの湿度を水素オフガス目標湿度に自動調整することができ、その結果、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度をアノード入口目標湿度に自動調整することができる。
【００３６】
また、この第２の実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池１内において、カソード側に生じた生成水が固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散する量が少なくて、アノード側の水分が不足する場合には、カソードから排出される空気オフガス中の水分量が増えるので、第１カソード加湿器３Ａによる空気への加湿量が増え、湿調空気供給流路５７を介して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される空気の湿度が上がって、第１流路２１ａを流れる水素オフガスへの加湿量が増えるという自己制御が期待できる。
その逆に、燃料電池１内において、カソード側に生じた生成水が固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散する量が多くて、アノード側の水分が余る場合には、カソードから排出される空気オフガス中の水分量が減るので、第１カソード加湿器３Ａによる空気への加湿量が減り、湿調空気供給流路５７を介して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される空気の湿度が下がって、第１流路２１ａを流れる水素オフガスへの加湿量が減るという自己制御が期待できる。
【００３７】
なお、第１流量制御弁４３よりも下流の湿調空気供給流路５７に、第１カソード加湿器３Ａよりも上流の空気流路３１から分岐された湿調空気供給流路５８を接続し、この湿調空気供給流路５８に第２流量制御弁４４を設け、水素オフガスに対する加湿、除湿の要求に応じて、第１流量制御弁４３と第２流量制御弁４４の開度を調整して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される空気の湿度を微調整することも可能である。
ただし、アノード入口目標湿度の許容範囲が大きい場合には、第２流路２１ｂに供給される空気湿度の微調整も必要ないので、湿調空気供給流路５８および第２流量制御弁４４は必要ない。
【００３８】
このように、第２の実施の形態の燃料電池システムの場合には、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度をアノード入口目標湿度に自動調整することができるので、燃料電池１のアノードで水分が過多になったり過少になるのを防止することができる。したがって、燃料電池１の発電性能の低下を防止することができ、各セル電圧の低下を防止することができる。
また、この第２の実施の形態においても、水素ガスを放出することなくアノードに供給される水素ガスの湿度調整ができるので、水素タンク６から供給された水素ガスの総てを燃料電池１の発電に利用することができ、燃料電池システム全体としての燃費が向上する。
【００３９】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第３の実施の形態を図４の図面を参照して説明する。
第３の実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、第１切替弁４１および第２切替弁４２の切り替えと第２流路２１ｂを流れる流体の流量を、燃料電池１の運転状態に応じて自動制御するという点だけである。
これを実現するために、第３の実施の形態では、第１切替弁４１を流量制御も可能な切替弁とし、エゼクタ１１と燃料電池１の間の水素ガス供給流路１０と、燃料電池１と湿度調整装置２１の間の水素オフガス循環流路２０と、湿度調整装置２１と水素ポンプ２２の間の水素オフガス循環流路２０のいずれかの流路に湿度センサを設けている。この実施の形態では、例として、エゼクタ１１と燃料電池１の間の水素ガス供給流路１０に湿度センサ６１を設けた場合を示している。その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４０】
そして、湿度センサ６１は湿度に応じた電気信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００は、湿度センサ６１の出力信号に基づいて、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度を適切に保持すべく、第１切替弁４１および第２切替弁４２の切り替えを制御するとともに、第２流路２１ｂへの空気供給流量を制御する。このようにすると、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度をより正確に目標値に制御することができる。
なお、湿度センサ６１を設けずに、燃料電池１に設けられているセル電圧センサ（セル電圧検出手段）６４の出力信号に基づいて、第１切替弁４１および第２切替弁４２の切り替えを制御するとともに、第２流路２１ｂへの空気供給流量を制御して、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度を適切に保持することも可能である。
このようにセル電圧で水素ガス湿度を調整する場合、例えばセル電圧が時間経過に対しゆっくり下がるときには湿度不足と判断し、急激に下がる時には湿度過多と判断することで湿度調整ができる。
【００４１】
〔第４の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池システムの第４の実施の形態を図５および図６の図面を参照して説明する。
第４の実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池が２つの燃料電池を直列に接続して構成されている。水素ガスは水素ガス供給流路１０から第１燃料電池１Ａのアノードに供給され、第１燃料電池１Ａのアノードから排出された水素オフガスが水素オフガス流路２３を介して第２燃料電池１Ｂのアノードに供給され、第２燃料電池１Ｂのアノードから排出された水素オフガスが水素オフガス循環流路２０に排出されて湿度調整装置２１の第１流路２１ａに供給されるようになっている。また、カソード加湿器３で加湿された空気は空気流路３１から第２燃料電池１Ｂのカソードに供給され、第２燃料電池１Ｂのカソードから排出された空気オフガスが空気オフガス流路３３を介して第１燃料電池１Ａのカソードに供給され、第１燃料電池１Ａのカソードから排出された空気オフガスが空気オフガス流路３２に排出されてカソード加湿器３の加湿媒体側に供給されるようになっている。
【００４２】
また、第１燃料電池１Ａのアノード出口と第２燃料電池１Ｂのアノード入口を接続する水素オフガス流路２３には、エゼクタ１１よりも上流の水素ガス供給流路１０から分岐され流量制御弁１２を備えた水素ガス供給流路（補助燃料供給流路）１３が接続されている。
そして、水素タンク６から放出された乾燥した水素ガスが水素ガス供給流路１３を介して水素オフガス流路２３に供給され、第２燃料電池１Ｂのアノードには、前記乾燥した水素ガスと第１燃料電池１Ａから排出される水素オフガスとが混合されて供給されるようになっている。
なお、第１燃料電池１Ａと第２燃料電池１Ｂをこれらを直列に接続してなる一つの燃料電池とみなした場合、水素ガス供給流路１３は、水素オフガスが合流する前の水素ガスを、燃料電池内における水素ガス流路の途中に供給する流路ということができる。
【００４３】
このように構成された第４の実施の形態の燃料電池システムによれば、第１の実施の形態の燃料電池システムにおける作用・効果を得ることができるだけでなく、さらに次のような作用・効果を得ることができる。
すなわち、第４の実施の形態の燃料電池システムでは、図６の湿度変化図に示すように、第１燃料電池１Ａのアノード出口における水素ガスの湿度が上昇しても、第２燃料電池１Ｂのアノード入口における水素ガスの湿度を下げることができ、水素ガス供給流路１３から乾燥した水素ガスを導入しないときよりも、第２燃料電池１Ｂのアノードガス流路内全体の水素ガスの湿度を下げることができる。なお、図６における破線は、水素ガス供給流路１３から乾燥した水素ガスを導入せずに、第１燃料電池１Ａから排出された水素オフガスを第２燃料電池１Ｂのアノードに供給したときの水素ガスの湿度変化を示している。
したがって、第４の実施の形態の燃料電池システムによれば、第２燃料電池１Ｂのアノードにおけるフラッディングをより確実に防止することができる。
なお、前述した第２の実施の形態あるいは第３の実施の形態の燃料電池システムに水素ガス供給流路１３および流量制御弁１２を設けた場合にも、同様の効果を得ることができる。
【００４４】
なお、前述した各実施の形態の燃料電池システムにおいては、湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される湿度調整用流体として、燃料電池１のカソードに供給される空気や燃料電池１のカソードから排出される空気オフガスを用いているので、湿度調整用流体を別個に用意する必要がなく、システム構成が簡単になる。
【００４５】
また、燃料電池１の発電性能はアノードの水分過多以外の要因で低下することも考えられる。例えば、水素オフガスの循環利用は水素以外の不純物（例えば、窒素）の濃度上昇を生じさせることがあり、この不純物濃度の上昇が燃料電池１の発電性能を低下させることが考えられる。
そこで、図１において破線で示すように、湿度調整装置２１と水素ポンプ２２を接続する水素オフガス流路２０にパージ弁（パージ用バルブ）２３を設けておき、燃料電池１の発電性能が低下したときに、アノード入口における水素ガスの湿度調整を行っても発電性能が回復しない場合に、パージ弁２３を開放することにより発電性能を回復することができるようにすることも可能である。このようにパージ弁２３を設けた場合であっても、従来よりは水素の放出を極めて少なくすることができる。なお、パージ弁２３から排出される水素オフガスは水素処理器２４によって希釈して排気する。
なお、第２〜第４の各実施の形態における燃料電池システムにおいても、同様にパージ弁２３を設置可能である。
【００４６】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、燃料電池の燃料は純粋な水素ガスに限られるものではなく、例えば、炭化水素を含む液体燃料（ガソリンやメタノールなど）を改質して生成された水素を多く含む燃料ガスであってもよい。
なお、水素オフガス循環流路（循環流路）１０にエゼクタ１１や水素ポンプ２２を設けなくても、本発明は成立する。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、燃料を放出することなく燃料オフガスの湿度を所望に調整することができ、ひいいては、燃料電池に供給される燃料の湿度を所望に調整することができるので、発電性能の低下を防止することができるとともに、燃料電池に供給される燃料の総てを発電のために利用することができ、燃料電池システム全体としての燃費が向上するという優れた効果が奏される。
請求項２に記載した発明によれば、湿度調整装置に供給される前記別流体を簡単に用意することが可能になり、システムの構成が簡単になるという効果がある。
【００４８】
請求項３または請求項４に記載した発明によれば、湿度調整装置の除湿機能と加湿機能の切り替えが簡単にでき、システム構成が簡単になるという効果がある。
請求項５に記載した発明によれば、湿度センサで検出される湿度に基づいて除湿と加湿のいずれが必要かを判断し、その判断結果に応じて第１の切り替え手段を切り替えることができるので、水素オフガスの湿度を確実に目標値に制御することができるという効果がある。
請求項６に記載した発明によれば、セル電圧検出手段で検出されるセル電圧に基づいて除湿と加湿のいずれが必要かを判断し、その判断結果に応じて第１の切り替え手段を切り替えることができるので、水素オフガスの湿度を確実に目標値に制御することができるという効果がある。
【００４９】
請求項７に記載した発明によれば、湿度調整装置を除湿器として機能させているときに、第２の切り替え手段によって、湿度調整装置から排出される別流体を酸化剤に合流させる流路に流通するように切り替えると、燃料オフガスから除去した水分を酸化剤とともに燃料電池のカソードに供給することができるので、燃料電池のアノードの水分をカソードの加湿に利用することができ、カソードの加湿性能を向上させることができるという効果がある。
請求項８に記載した発明によれば、湿度調整装置において燃料オフガスの湿度は予め所定に調整された前記別流体の湿度と平衡するので、燃料オフガスの湿度を所定の湿度に自動調整することができ、その結果、燃料電池に供給される燃料の湿度を前記目標湿度に自動調整することができるという効果がある。
【００５０】
請求項９に記載した発明によれば、燃料電池の途中で燃料の湿度を下げることができるので、燃料電池内におけるフラッディングをより確実に防止することができる。
請求項１０に記載した発明によれば、必要に応じてパージ用バルブを開放して燃料オフガスを放出することができるので、アノードの水分過多以外の要因によって燃料電池の発電性能が低下したときに、燃料オフガスを放出して発電性能の回復を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第１の実施の形態における概略構成図である。
【図２】前記第１の実施の形態においてアノードガス流路内の湿度変化を示す図である。
【図３】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第２の実施の形態における概略構成図である。
【図４】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第３の実施の形態における概略構成図である。
【図５】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第４の実施の形態における概略構成図である。
【図６】前記第４の実施の形態においてアノードガス流路内の湿度変化を示す図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
３　カソード加湿器（膜加湿器）
１０　水素ガス供給流路（燃料供給流路）
１３　水素ガス供給流路（補助燃料供給流路）
２０　水素オフガス循環流路（循環流路）
２１　湿度調整装置（水透過膜式湿度調整装置）
２３　パージ弁（パージ用バルブ）
４１　第１切替弁（切り替え手段、第１の切り替え手段）
４２　第２切替弁（第２の切り替え手段）
５５　湿調空気排出流路（流路）
５６　湿調空気排出流路（流路）
６１　湿度センサ
６４　セル電圧センサ（セル電圧検出手段）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel circulation type fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like includes an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, supplies a fuel gas (eg, hydrogen gas) to the anode, and supplies an oxidizing gas (eg, oxygen or oxygen) to the cathode. In some cases, air (air) is supplied to directly extract chemical energy involved in the oxidation-reduction reaction of these gases as electric energy.
[0003]
In this fuel cell, hydrogen gas is ionized at the anode and travels through the solid polymer electrolyte, and electrons travel to the cathode through an external load and undergo a series of electrochemical reactions that react with oxygen to produce water. Electric energy can be extracted. As described above, since the power generation in the fuel cell involves the generation of water, the oxidant gas (ie, the oxidant off-gas) discharged from the fuel cell contains moisture. In addition, the fuel gas discharged from the fuel cell (that is, the fuel off-gas) also contains moisture due to the permeation of the generated water through the solid polymer electrolyte membrane.
In addition, in this type of fuel cell, generally, unreacted fuel gas is contained in the fuel gas discharged from the fuel cell after being subjected to power generation, that is, the fuel off gas. Is recycled, mixed with fresh fuel gas, and supplied to the fuel cell again.
[0004]
By the way, in this fuel cell, if the solid polymer electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity is reduced, and the power generation output is reduced. It is necessary to supply water.
For this reason, in this type of fuel cell, generally, a fuel gas or an oxidizing gas or both gases are humidified in advance by a humidifier before being supplied to the fuel cell, and the humidified gas is supplied to the solid polymer electrolyte membrane. By supplying water, water is supplied to the solid polymer electrolyte membrane (Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-273687).
[0005]
On the other hand, when the water supply to the solid polymer electrolyte membrane becomes excessive, water vapor condenses in the gas passage inside the fuel cell and closes (floods) the gas passage, obstructing the gas supply and making power generation unstable. The power generation output (cell voltage) may decrease. In particular, on the anode side, since the fuel off-gas is circulated and used, the water tends to gradually increase, and the water tends to be excessive.
Therefore, conventionally, when the cell voltage decreases, the purge valve provided in the fuel off gas circulation flow path is opened to purge the fuel off gas to the outside, and the gas flow rate inside the fuel cell is temporarily increased. As a result, excess water in the fuel cell is released out of the system to stabilize power generation and recover the cell voltage.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case where the purge valve is opened to release moisture as in the prior art, the fuel gas is also released to the outside of the system simultaneously with the release of moisture. Is worse).
Accordingly, the present invention provides a fuel circulation type fuel cell system capable of optimally controlling the humidity of the fuel supplied to the anode of the fuel cell and improving the fuel efficiency by suppressing the external release of the fuel. It is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 generates a power by supplying a fuel (for example, hydrogen gas in an embodiment described later) and an oxidant (for example, air in an embodiment described later). A fuel cell to be performed (for example, a fuel cell 1 in an embodiment described later), a fuel supply flow path for supplying the fuel to the fuel cell (for example, a hydrogen gas supply flow path 10 in an embodiment to be described later), A circulation flow path (for example, a hydrogen off-gas circulation flow path 20 in an embodiment to be described later) that joins a fuel off-gas (for example, a hydrogen off-gas in an embodiment to be described later) discharged from the fuel cell to the fuel supply flow path; In the fuel circulation type fuel cell system provided with the above, the moisture between the internal fluid of the circulation flow path and / or the fuel supply flow path after the confluence and a predetermined different fluid A water permeable membrane type humidity controller (for example, a humidity controller 21 in an embodiment described later) that allows the humidity of the fluid in the circulation channel to be adjusted as desired by moving the device is moved to the circulation channel and / or The fuel supply passage after the merging is provided.
With this configuration, the humidity of the fuel off-gas can be adjusted as desired without releasing the fuel, and as a result, the humidity of the fuel supplied to the fuel cell can be adjusted as desired.
It should be noted that "adjusting the humidity as desired" means not only that the humidity can be adjusted to a higher level than before, but also that the humidity can be adjusted to a lower level if necessary, It is meant to include what can be maintained and adjusted.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the different fluid supplied to the humidity controller is the oxidant or an oxidant off-gas discharged from the fuel cell (for example, as described later). (Air off-gas in the embodiment).
With this configuration, it is possible to easily prepare the different fluid to be supplied to the humidity control device.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the different fluids supplied to the humidity control device include a fluid having a lower humidity and a fluid having a higher humidity than the internal fluid. A switching means (for example, a first switching valve 41 in an embodiment to be described later) for selectively supplying either one is provided.
With this configuration, it is possible to easily switch between the dehumidifying function and the humidifying function of the humidity adjusting device.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the oxidant supplied to the fuel cell is a film humidifier capable of moving moisture of the oxidant off-gas to the oxidant (for example, a film humidifier described later) The oxidant before being introduced into the membrane humidifier as the separate fluid supplied to the fuel cell after being humidified by the cathode humidifier 3) according to the embodiment and supplied to the humidity adjusting device. A first switching means (for example, a first switching valve 41 in an embodiment described later) for selectively supplying either one of the oxidant off-gas is provided.
With this configuration, when the oxidizing agent before being introduced into the film humidifier is selected as the different fluid by the first switching unit, the humidity adjusting device can function as a dehumidifier. When the oxidant off-gas is selected as the another fluid, the humidity controller can function as a humidifier.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in the invention of the fourth aspect, a humidity sensor (for example, a humidity sensor 61 in an embodiment described later) for detecting a humidity of fuel supplied to the fuel cell and the fuel off-gas are provided. And at least one of humidity sensors for detecting the humidity of the first and second sensors, wherein the first switching means is switched based on the humidity detected by the humidity sensor.
With this configuration, it is possible to determine whether dehumidification or humidification is necessary based on the humidity detected by the humidity sensor, and switch the first switching unit according to the determination result.
[0012]
The invention according to claim 6 is the invention according to claim 4, further comprising a cell voltage detection means (for example, a cell voltage sensor 64 in an embodiment described later) for detecting a cell voltage of the fuel cell, The first switching unit is switched based on the cell voltage detected by the voltage detection unit.
With this configuration, it is possible to determine whether dehumidification or humidification is necessary based on the cell voltage detected by the cell voltage detection unit, and switch the first switching unit according to the determination result.
[0013]
According to a seventh aspect of the present invention, in the invention according to any one of the fourth to sixth aspects, a flow path (for example, as described later) for joining the different fluid discharged from the humidity control device to the oxidizing agent. To be selectively circulated to one of a humidity control air discharge channel 55 in the embodiment described below and a channel (for example, a humidity control air discharge channel 56 in an embodiment to be described later). It is characterized by including a second switching means (for example, a second switching valve 42 in an embodiment described later).
With this configuration, when the humidity adjustment device is functioning as a dehumidifier, the second switching unit allows another fluid discharged from the humidity adjustment device to flow through the flow path that joins the oxidizing agent. When switched to, the water removed from the fuel off-gas can be supplied to the cathode of the fuel cell together with the oxidant.
[0014]
In the invention described in claim 8, in the invention described in claim 1 or claim 2, the humidity of the another fluid supplied to the humidity adjusting device is set to a target humidity of the fuel supplied to the fuel cell. It is characterized in that it is adjusted in advance in accordance with this.
With this configuration, the humidity of the fuel off-gas in the humidity adjusting device is balanced with the humidity of the another fluid that has been adjusted in advance, so that the humidity of the fuel off-gas can be automatically adjusted to the target predetermined humidity. it can.
[0015]
According to a ninth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to eighth aspects, the fuel before the fuel off-gas merges in the middle of a flow path in which the fuel flows in the fuel cell. An auxiliary fuel supply flow path (for example, a hydrogen gas supply flow path 13 in an embodiment described later) for supplying the gas to the fuel cell is provided.
The humidity of the fuel flowing through the fuel cell increases as it approaches the outlet of the fuel cell. However, the configuration described above can reduce the humidity of the fuel in the middle of the fuel cell.
[0016]
According to a tenth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, a purge valve (for example, a purge valve 23 in an embodiment described later) is provided in the circulation flow path. It is characterized by having.
With such a configuration, the fuel off-gas can be released by opening the purge valve as needed.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a fuel circulation type fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS. Each of the embodiments described below is an embodiment of a fuel circulation type fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle.
[0018]
[First Embodiment]
First, a first embodiment of a fuel circulation type fuel cell system (hereinafter abbreviated as fuel cell system) according to the present invention will be described with reference to the drawing of FIG.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the fuel cell system according to the first embodiment.
The fuel cell 1 is composed of a stack formed by stacking a plurality of cells formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane between an anode and a cathode from both sides. When gas is supplied and air containing oxygen as an oxidant is supplied to the cathode, hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the anode pass through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode, where oxygen and electrochemical reactions occur at the cathode. A reaction occurs to generate power and produce water. Since a part of the generated water generated on the cathode side is back-diffused to the anode side through the solid polymer electrolyte membrane, the generated water also exists on the anode side.
[0019]
Air taken in from the atmosphere via the air cleaner 5 is pressurized by the compressor 2 and supplied to the cathode of the fuel cell 1 through the air passage 31. A cathode humidifier (membrane humidifier) 3 is provided in the air passage 31, and air is supplied to the humidifying side of the cathode humidifier 3. After the air supplied to the fuel cell 1 was used for power generation, it was discharged from the fuel cell 1 together with the water generated on the cathode side as an air off-gas to the air off-gas flow path 32 and supplied to the humidifying medium side of the cathode humidifier 3. Thereafter, it is discharged via the pressure control valve 4. In the cathode humidifier 3, the moisture of the air off-gas is transferred to the air supplied to the fuel cell 1, and the air is humidified. Therefore, the air humidified by the cathode humidifier 3 is supplied to the cathode of the fuel cell 1.
[0020]
On the other hand, the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 6 is reduced to a predetermined pressure by the regulator 7 and then supplied to the anode of the fuel cell 1 through the hydrogen gas supply passage (fuel supply passage) 10. The unreacted hydrogen gas that has not been consumed is discharged from the anode to the hydrogen off-gas circulation flow path (circulation flow path) 20 as hydrogen off-gas together with the water generated on the anode side. The hydrogen off-gas circulation flow path 20 is a flow path for joining the hydrogen off-gas to the hydrogen gas supply flow path 10 via the ejector 11, and the hydrogen off-gas circulation flow path 20 is provided with a humidity controller 21 and a hydrogen pump 22. I have.
[0021]
The humidity control device 21 is disposed between the first flow path 21a and a non-porous permeable membrane (such as an ion-hydrated permeable membrane or a dissolution-diffused permeable membrane) 21c that blocks gas permeation and permits only water vapor permeation. The second flow path 21b is provided, and the permeable membrane 21c has a property of transferring water from a fluid having a large amount of water to a fluid having a small amount of moisture between fluids in contact with both surfaces of the permeable membrane 21c. That is, the humidity adjusting device 21 is constituted by a so-called water permeable membrane type humidity adjusting device. As a material of the permeable membrane 21c, a perfluorosulfonic acid polymer can be exemplified.
The hydrogen off-gas circulation flow path 20 is connected to the first flow path 21a of the humidity control device 21. After the hydrogen off-gas as the internal fluid flows through the first flow path 21a, the hydrogen off-gas is pressurized by the hydrogen pump 22 and ejected by the hydrogen pump 22. The fuel gas is introduced into the fuel cell 11, merges with fresh hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 6, and is supplied again to the anode of the fuel cell 1.
The humidity adjusting device 21 may be arranged in the hydrogen gas supply passage 10 after the merging, in addition to being arranged in the hydrogen off-gas circulation passage 20. In this case, the hydrogen gas supply flow path 10 after the merging is connected to the first flow path 21a of the humidity adjusting device 21, and the gas (this is the internal fluid) after the hydrogen off-gas and the fresh hydrogen gas have merged is connected to the first flow path 21a. After flowing through the one flow path 21 a, it is supplied to the anode of the fuel cell 1. Further, the humidity control device 21 may be disposed in both the hydrogen off-gas circulation flow path 20 and the hydrogen gas supply flow path 10 after merging. Humidity adjustment is performed.
[0022]
The inlet of the second flow path 21b of the humidity adjustment device 21 is connected to a first switching valve (first switching means) 41 via a humidity adjustment air supply flow path (hereinafter, abbreviated as humidity control air supply flow path) 51. It is connected. The first switching valve 41 has three ports. The first port is connected to the humidity control air supply flow path 51, and the second port is connected to the humidity control branching from the air flow path 31 upstream of the cathode humidifier 3. An air supply channel 52 is connected, and a humidified air supply channel 53 branched from the air off-gas channel 32 upstream of the cathode humidifier 3 is connected to the third port. The first switching valve 41 is a switching valve that selects one of the second port and the third port and connects to the first port. When the second port is selected, the first switching valve 41 is humidified by the cathode humidifier 3. Low-humidity dry air can be supplied to the second flow path 21b of the humidity control device 21 before the air is discharged. When the third port is selected, the high-humidity air off-gas discharged from the fuel cell 1 is subjected to humidity control. It can be supplied to the second flow path 21b of the device 21.
[0023]
Further, the outlet of the second flow path 21b of the humidity control device 21 is connected to a second switching valve (second switching means) through a humidity control air discharge flow path (hereinafter abbreviated as a humidity control air discharge flow path) 54. 42. The second switching valve 42 has three ports, the first port of which is connected to the humidity control air discharge channel 54, and the second port of which is connected to the air flow channel 31 downstream of the cathode humidifier 3. The discharge flow path 55 is connected, and a humidity controlled air discharge flow path 56 connected to the air off-gas flow path 32 downstream of the pressure control valve 4 is connected to the third port. The second switching valve 42 is a switching valve that selects one of the second port and the third port and connects to the first port. When the second port is selected, the second switching valve 42 The air discharged from the flow path 21b can be discharged to the air flow path 31 downstream of the cathode humidifier 3 and, when the third port is selected, to the air off-gas flow path 32 downstream of the pressure control valve 4. It can be discharged.
[0024]
Next, the operation of the fuel cell system will be described.
FIG. 2 shows how the humidity changes in the anode gas flow path of the fuel cell 1, and the humidity gradually increases as approaching the anode outlet of the fuel cell 1.
Here, in order to maintain the power generation performance of the fuel cell 1 high, it is recommended that the humidity of the hydrogen gas at the anode outlet of the fuel cell 1 be controlled as high as possible within a range not exceeding 100%. If the humidity exceeds 100%, moisture in the hydrogen gas may be condensed in the fuel cell 1 to cause flooding, and if the humidity is low, the ionic conductivity may decrease.
[0025]
Therefore, in this fuel cell system, by switching the switching valves 41 and 42, the humidity of the hydrogen gas supplied to the anode of the fuel cell 1 (in other words, the humidity of the hydrogen gas at the anode inlet) is appropriately adjusted. The humidity of the hydrogen gas at the anode outlet is adjusted to an appropriate humidity as described above.
For example, when the humidity of the hydrogen gas at the anode inlet of the fuel cell 1 is insufficient, the first switching valve is connected so that the first and third ports of the first switching valve 41 are connected and the second port is shut off. 41 is switched, and the second switching valve 42 is switched so that the first port and the third port of the second switching valve 42 are connected and the second port is shut off.
[0026]
When the first switching valve 41 is switched in this manner, the high-humidity air off-gas discharged from the cathode of the fuel cell 1 and introduced into the cathode humidifier 3 passes through the humidified air supply passages 53 and 51, and the humidity is reduced. It is supplied to the second flow path 21b of the adjustment device 21. As a result, in the humidity controller 21, the air off-gas having a high humidity flows through the second flow path 21b, and the hydrogen off-gas having a lower humidity than the air off-gas flows through the first flow path 21a. It moves to the hydrogen off-gas through the film 21c, and humidifies the hydrogen off-gas. That is, in this case, the humidity adjusting device 21 functions as a humidifier for humidifying the hydrogen off-gas. As described above, since the permeable membrane 21c of the humidity controller 21 prevents the gas from permeating, the hydrogen gas in the hydrogen off-gas in the first flow path 21a does not permeate to the second flow path 21b. Also, oxygen in the air off-gas in the second flow path 21b does not permeate the first flow path 21a.
[0027]
Since the humidified hydrogen off-gas is joined to the hydrogen gas supply flow path 10 through the hydrogen off-gas circulation flow path 20, the humidity of the hydrogen gas supplied to the anode of the fuel cell 1 can be increased, As a result, the humidity of the hydrogen gas at the anode outlet can be increased.
Then, from the second flow path 21b of the humidity control device 21, the air off-gas whose moisture has been deprived by the hydrogen off-gas and whose humidity has been lowered is discharged to the humidity-regulated air discharge flow path 54. The low-humidity air off-gas is discharged to the air off-gas flow path 32 downstream of the pressure control valve 4 through the humidity control air discharge flow path 56 because the second switching valve 42 is switched as described above. Is done.
[0028]
On the other hand, when the humidity of the hydrogen gas at the anode inlet of the fuel cell 1 is excessive, the first switching valve 41 is connected so that the first port and the second port of the first switching valve 41 are connected and the third port is shut off. And switches the second switching valve 42 so as to connect the first and second ports of the second switching valve 42 and shut off the third port.
[0029]
When the first switching valve 41 is switched in this manner, the low-humidity dry air before being introduced into the cathode humidifier 3 fed from the compressor 2 is supplied to the humidity control air supply passages 52 and 51 to adjust the humidity. It is supplied to the second flow path 21b of the device 21. As a result, in the humidity control device 21, high-humidity hydrogen off-gas flows through the first flow path 21a and low-humidity dry air flows through the second flow path 21b, so that moisture in the hydrogen off-gas flows through the permeable membrane 21c. To dry air and dehumidify the hydrogen off-gas. That is, in this case, the humidity adjusting device 21 functions as a dehumidifier for dehumidifying the hydrogen off-gas. As described above, since the permeable membrane 21c of the humidity controller 21 prevents the gas from permeating, the hydrogen gas in the hydrogen off-gas in the first flow path 21a does not permeate to the second flow path 21b. In addition, oxygen in the air in the second flow path 21b does not permeate the first flow path 21a.
Since the dehumidified hydrogen off-gas is joined to the hydrogen gas supply channel 10 through the hydrogen off-gas circulation channel 20, the humidity of the hydrogen gas supplied to the anode of the fuel cell 1 can be reduced, As a result, the humidity of the hydrogen gas at the anode outlet can be reduced.
[0030]
Then, from the second flow path 21 b of the humidity control device 21, the air whose humidity has been increased by receiving the moisture from the hydrogen off-gas is discharged to the humidity control air discharge flow path 54. The high-humidity air is discharged to the air flow path 31 downstream of the cathode humidifier 3 through the humidity control air discharge flow path 55 because the second switching valve 42 is switched as described above. . Thereby, high-humidity air containing moisture taken from the hydrogen off-gas can be combined with the air humidified by the cathode humidifier 3 and supplied to the cathode of the fuel cell 1. As a result, the moisture of the anode of the fuel cell 1 can be used for humidifying the cathode, and the humidifying performance of the cathode is improved.
[0031]
In this way, the humidity of the hydrogen gas supplied to the anode of the fuel cell 1 is appropriately adjusted, so that it is possible to prevent the anode of the fuel cell 1 from having too much or too little moisture. Therefore, the power generation performance of the fuel cell 1 can be prevented from lowering, and the cell voltage can be prevented from lowering.
Moreover, since the humidity of the hydrogen gas supplied to the anode can be adjusted without releasing the hydrogen gas, all of the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 6 can be used for power generation of the fuel cell 1, Fuel efficiency of the entire system is improved.
[0032]
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the fuel circulation type fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawing of FIG. The difference between the fuel-circulation-type fuel cell system of the second embodiment and that of the first embodiment is as follows.
In the fuel cell system according to the second embodiment, the first switching valve 41 and the second switching valve 42 according to the first embodiment, the humidity control air supply channels 51 to 53, and the humidity control air discharge channel 54 to 56 are not provided.
[0033]
Further, in the fuel cell system according to the second embodiment, a first cathode humidifier 3A and a second cathode humidifier 3B are provided instead of the cathode humidifier 3 according to the first embodiment. The air pressurized by the compressor 2 passes between the humidifying side of the first cathode humidifier 3A and the humidifying side of the second cathode humidifier 3B before reaching the cathode inlet of the fuel cell 1 through the air passage 31. Distribute in order. The air off-gas discharged from the cathode of the fuel cell 1 passes through the air off-gas flow path 32 and reaches the pressure control valve 4 before the humidifying medium side of the second cathode humidifier 3B and the first cathode humidifier. It circulates in order through the humidifying medium side of 3A.
[0034]
Further, in the fuel cell system according to the second embodiment, the air flow path 31 between the first cathode humidifier 3A and the second cathode humidifier 3B is branched into the inlet of the second flow path 21b of the humidity control device 21. A humidified air supply flow path 57 having a first flow rate control valve 43 is connected thereto, and air humidified by the first cathode humidifier 3A is supplied to the second flow path 21b at a predetermined flow rate. ing. The outlet of the second flow path 21b is connected to the air flow path 31 downstream of the second cathode humidifier 3B via the humidity control air discharge flow path 59.
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and therefore, the same reference numerals are given to the same aspects, and description thereof will be omitted.
[0035]
In the fuel cell system according to the second embodiment, based on the target humidity of the hydrogen gas at the anode inlet (hereinafter abbreviated as the anode inlet target humidity), the target humidity of the hydrogen off-gas that joins the hydrogen gas supply flow path 10 ( Hereinafter, this is abbreviated as hydrogen off-gas target humidity). The humidification performance of the first cathode humidifier 3A is set in advance so that the humidity of the air humidified by the first cathode humidifier 3A becomes equal to the hydrogen off-gas target humidity.
When the humidification performance of the first cathode humidifier 3A is set as described above, air having the same humidity as the hydrogen off-gas target humidity is supplied to the second flow path 21b of the humidity control device 21 via the humidity control air supply flow path 57. You. As a result, when the hydrogen off-gas having a lower humidity than the hydrogen off-gas target humidity flows through the first flow path 21a of the humidity control device 21, moisture in the air flowing through the first flow path 21a passes through the permeable membrane 21c. To the hydrogen off-gas flowing through the second flow path 21b to humidify the hydrogen off-gas, and conversely, the hydrogen off-gas having a humidity higher than the hydrogen off-gas target humidity flows through the first flow path 21a of the humidity controller 21. In this case, the moisture in the hydrogen off gas flowing through the second flow path 21b moves to the air flowing through the first flow path 21a via the permeable membrane 21c to dehumidify the hydrogen off gas.
Therefore, the humidity of the hydrogen off-gas can be automatically adjusted to the hydrogen off-gas target humidity, and as a result, the humidity of the hydrogen gas at the anode inlet of the fuel cell 1 can be automatically adjusted to the anode inlet target humidity.
[0036]
Further, in the fuel cell system according to the second embodiment, in the fuel cell 1, the amount of water generated on the cathode side that is back-diffused to the anode side via the solid polymer electrolyte membrane is small. When the water content is insufficient, the amount of water in the air off-gas discharged from the cathode increases, so that the amount of humidification of the air by the first cathode humidifier 3A increases, and Self-control can be expected in which the humidity of the air supplied to the second flow path 21b of the adjusting device 21 increases and the amount of humidification to the hydrogen off-gas flowing through the first flow path 21a increases.
Conversely, in the fuel cell 1, when the amount of water generated on the cathode side diffuses back to the anode side via the solid polymer electrolyte membrane and the amount of water on the anode side is excessive, the water is discharged from the cathode. Since the amount of moisture in the air off-gas is reduced, the amount of humidification of the air by the first cathode humidifier 3A is reduced, and the humidified air is supplied to the second flow path 21b of the humidity controller 21 via the humidified air supply flow path 57. Self-control can be expected in that the humidity of the air flowing down decreases and the amount of humidification to the hydrogen off-gas flowing through the first flow path 21a decreases.
[0037]
In addition, a humidity control air supply flow path 58 branched from the air flow path 31 upstream of the first cathode humidifier 3A is connected to a humidity control air supply flow path 57 downstream of the first flow rate control valve 43, A second flow control valve 44 is provided in the humidity control air supply flow path 58, and the degree of opening of the first flow control valve 43 and the second flow control valve 44 is adjusted in accordance with the demand for humidification and dehumidification of the hydrogen off-gas. It is also possible to finely adjust the humidity of the air supplied to the second flow path 21b of the humidity adjusting device 21.
However, when the allowable range of the anode inlet target humidity is large, fine adjustment of the air humidity supplied to the second flow path 21b is not necessary, so the humidity control air supply flow path 58 and the second flow control valve 44 are required. Absent.
[0038]
As described above, in the case of the fuel cell system of the second embodiment, the humidity of the hydrogen gas at the anode inlet of the fuel cell 1 can be automatically adjusted to the anode inlet target humidity. It is possible to prevent the amount of water from becoming excessive or insufficient. Therefore, the power generation performance of the fuel cell 1 can be prevented from lowering, and the cell voltage can be prevented from lowering.
Also in the second embodiment, since the humidity of the hydrogen gas supplied to the anode can be adjusted without releasing the hydrogen gas, all of the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 6 can be used for the fuel cell 1. It can be used for power generation, and the fuel efficiency of the entire fuel cell system is improved.
[0039]
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of a fuel circulation type fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawing of FIG.
The third embodiment is different from the first embodiment in that the switching of the first switching valve 41 and the second switching valve 42 and the flow rate of the fluid flowing through the second flow path 21b are controlled by the operation of the fuel cell 1. The only difference is that automatic control is performed according to the state.
In order to realize this, in the third embodiment, the first switching valve 41 is a switching valve capable of controlling the flow rate, and the hydrogen gas supply flow path 10 between the ejector 11 and the fuel cell 1 and the fuel cell 1 A humidity sensor is provided in a hydrogen off-gas circulation flow path 20 between the humidity control apparatus 21 and the hydrogen off-gas circulation flow path 20 between the humidity control apparatus 21 and the hydrogen pump 22. In this embodiment, as an example, a case where a humidity sensor 61 is provided in the hydrogen gas supply channel 10 between the ejector 11 and the fuel cell 1 is shown. Other configurations are the same as those of the first embodiment, and therefore, the same reference numerals are given to the same aspects, and description thereof will be omitted.
[0040]
Then, the humidity sensor 61 outputs an electric signal corresponding to the humidity to the ECU 100, and based on the output signal of the humidity sensor 61, the ECU 100 appropriately controls the humidity of the hydrogen gas at the anode inlet of the fuel cell 1 to maintain the humidity. The switching of the first switching valve 41 and the second switching valve 42 is controlled, and the flow rate of air supplied to the second flow path 21b is controlled. By doing so, the humidity of the hydrogen gas at the anode inlet of the fuel cell 1 can be more accurately controlled to the target value.
Note that, without providing the humidity sensor 61, the switching of the first switching valve 41 and the second switching valve 42 is controlled based on the output signal of the cell voltage sensor (cell voltage detecting means) 64 provided in the fuel cell 1. At the same time, it is also possible to control the air supply flow rate to the second flow path 21b to appropriately maintain the humidity of the hydrogen gas at the anode inlet of the fuel cell 1.
In the case where the hydrogen gas humidity is adjusted with the cell voltage in this manner, for example, it is determined that the humidity is insufficient when the cell voltage decreases slowly with the passage of time, and it is determined that the humidity is excessive when the cell voltage decreases sharply.
[0041]
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS.
In the fuel cell system according to the fourth embodiment, the fuel cell is configured by connecting two fuel cells in series. Hydrogen gas is supplied from the hydrogen gas supply channel 10 to the anode of the first fuel cell 1A, and the hydrogen off-gas discharged from the anode of the first fuel cell 1A passes through the hydrogen off-gas channel 23 to the anode of the second fuel cell 1B. And the hydrogen off-gas discharged from the anode of the second fuel cell 1B is discharged to the hydrogen off-gas circulation flow path 20 and supplied to the first flow path 21a of the humidity controller 21. The air humidified by the cathode humidifier 3 is supplied from the air passage 31 to the cathode of the second fuel cell 1B, and the air off-gas discharged from the cathode of the second fuel cell 1B is passed through the air off-gas passage 33. The air off-gas supplied to the cathode of the first fuel cell 1A and discharged from the cathode of the first fuel cell 1A is discharged to the air off-gas flow path 32 and supplied to the humidifying medium side of the cathode humidifier 3. I have.
[0042]
The hydrogen off-gas flow path 23 connecting the anode outlet of the first fuel cell 1A and the anode inlet of the second fuel cell 1B has a flow rate control valve 12 branched from the hydrogen gas supply flow path 10 upstream of the ejector 11. The provided hydrogen gas supply channel (auxiliary fuel supply channel) 13 is connected.
Then, the dried hydrogen gas released from the hydrogen tank 6 is supplied to the hydrogen off-gas flow path 23 through the hydrogen gas supply flow path 13, and the dried hydrogen gas and the first hydrogen gas are supplied to the anode of the second fuel cell 1B. The hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 1A is mixed and supplied.
When the first fuel cell 1A and the second fuel cell 1B are regarded as one fuel cell in which these are connected in series, the hydrogen gas supply channel 13 supplies hydrogen gas before the hydrogen off-gas joins, It can be said that the flow path is supplied in the middle of the hydrogen gas flow path in the fuel cell.
[0043]
According to the fuel cell system of the fourth embodiment configured as described above, not only the operation and effect of the fuel cell system of the first embodiment can be obtained, but also the following operation and effect. Can be obtained.
That is, in the fuel cell system according to the fourth embodiment, as shown in the humidity change diagram of FIG. 6, even if the humidity of the hydrogen gas at the anode outlet of the first fuel cell 1A increases, the second fuel cell 1B The humidity of the hydrogen gas at the anode inlet can be reduced, and the humidity of the hydrogen gas in the entire anode gas flow path of the second fuel cell 1B is reduced as compared with the case where dry hydrogen gas is not introduced from the hydrogen gas supply flow path 13. be able to. The dashed line in FIG. 6 indicates the hydrogen when the hydrogen off-gas discharged from the first fuel cell 1A is supplied to the anode of the second fuel cell 1B without introducing the dried hydrogen gas from the hydrogen gas supply channel 13. It shows the humidity change of the gas.
Therefore, according to the fuel cell system of the fourth embodiment, flooding at the anode of the second fuel cell 1B can be more reliably prevented.
The same effect can be obtained when the hydrogen gas supply passage 13 and the flow control valve 12 are provided in the fuel cell system according to the second or third embodiment.
[0044]
In the fuel cell system according to each of the above-described embodiments, the air supplied to the cathode of the fuel cell 1 or the air supplied to the cathode of the fuel cell 1 is used as the humidity adjusting fluid supplied to the second flow path 21b of the humidity adjusting device 21. Since the air off-gas discharged from the cathode is used, there is no need to separately prepare a humidity adjusting fluid, and the system configuration is simplified.
[0045]
It is also conceivable that the power generation performance of the fuel cell 1 is reduced due to factors other than the excessive water content of the anode. For example, the circulating use of hydrogen off-gas may cause an increase in the concentration of impurities other than hydrogen (for example, nitrogen), and this increase in the impurity concentration may decrease the power generation performance of the fuel cell 1.
Therefore, as shown by a broken line in FIG. 1, a purge valve (purge valve) 23 is provided in the hydrogen off-gas flow path 20 connecting the humidity adjusting device 21 and the hydrogen pump 22, and the power generation performance of the fuel cell 1 is reduced. In some cases, when the power generation performance does not recover even if the humidity of the hydrogen gas is adjusted at the anode inlet, the power generation performance can be recovered by opening the purge valve 23. Even in the case where the purge valve 23 is provided in this manner, the release of hydrogen can be extremely reduced as compared with the conventional case. The hydrogen off-gas discharged from the purge valve 23 is diluted by the hydrogen processor 24 and exhausted.
In the fuel cell systems according to the second to fourth embodiments, the purge valve 23 can be installed similarly.
[0046]
[Other embodiments]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment.
For example, the fuel of the fuel cell is not limited to pure hydrogen gas. For example, a fuel gas containing a large amount of hydrogen produced by reforming a liquid fuel containing hydrocarbons (such as gasoline or methanol) may be used. Good.
The present invention can be realized even if the ejector 11 and the hydrogen pump 22 are not provided in the hydrogen off-gas circulation channel (circulation channel) 10.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, it is possible to adjust the humidity of the fuel off-gas as desired without discharging the fuel, and consequently, to adjust the humidity of the fuel supplied to the fuel cell. Since it can be adjusted as desired, a decrease in power generation performance can be prevented, and all of the fuel supplied to the fuel cell can be used for power generation, and the fuel efficiency of the entire fuel cell system can be reduced. An excellent effect of improving is achieved.
According to the second aspect of the present invention, it is possible to easily prepare the separate fluid to be supplied to the humidity adjusting device, and there is an effect that the configuration of the system is simplified.
[0048]
According to the third or fourth aspect of the present invention, it is possible to easily switch between the dehumidifying function and the humidifying function of the humidity adjusting device, and to simplify the system configuration.
According to the invention described in claim 5, it is possible to determine whether dehumidification or humidification is necessary based on the humidity detected by the humidity sensor, and to switch the first switching means according to the determination result. This has the effect that the humidity of the hydrogen off-gas can be reliably controlled to the target value.
According to the invention described in claim 6, it is determined whether dehumidification or humidification is necessary based on the cell voltage detected by the cell voltage detection means, and the first switching means is switched according to the determination result. Therefore, there is an effect that the humidity of the hydrogen off-gas can be reliably controlled to the target value.
[0049]
According to the invention described in claim 7, when the humidity adjusting device is functioning as a dehumidifier, the second switching unit causes the second fluid to flow to the flow path for joining another fluid discharged from the humidity adjusting device to the oxidizing agent. When switched to flow, the moisture removed from the fuel off-gas can be supplied to the cathode of the fuel cell together with the oxidant, so that the moisture of the anode of the fuel cell can be used to humidify the cathode, and the humidification performance of the cathode There is an effect that can be improved.
According to the invention described in claim 8, since the humidity of the fuel off-gas in the humidity adjusting device is balanced with the humidity of the another fluid that has been adjusted in advance, the humidity of the fuel off-gas can be automatically adjusted to the predetermined humidity. As a result, there is an effect that the humidity of the fuel supplied to the fuel cell can be automatically adjusted to the target humidity.
[0050]
According to the ninth aspect of the present invention, since the humidity of the fuel can be reduced in the middle of the fuel cell, flooding in the fuel cell can be more reliably prevented.
According to the invention described in claim 10, the purge valve can be opened as necessary to release the fuel off-gas, so that when the power generation performance of the fuel cell is reduced due to a factor other than excessive moisture of the anode. In addition, there is an effect that the power generation performance can be restored by discharging the fuel off-gas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel circulation type fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a change in humidity in an anode gas flow channel in the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a fuel circulation type fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fuel circulation type fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a fuel circulation type fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a change in humidity in an anode gas flow channel in the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 fuel cell
3 Cathode humidifier (membrane humidifier)
10 Hydrogen gas supply channel (fuel supply channel)
13 Hydrogen gas supply channel (auxiliary fuel supply channel)
20 Hydrogen off-gas circulation channel (circulation channel)
21 Humidity adjusting device (water permeable membrane type humidity adjusting device)
23 Purge valve (Purge valve)
41 1st switching valve (switching means, 1st switching means)
42 second switching valve (second switching means)
55 Humidity control air discharge channel (flow channel)
56 Humidity control air discharge channel (flow channel)
61 Humidity sensor
64 cell voltage sensor (cell voltage detecting means)

Claims

A fuel cell that is supplied with fuel and oxidant to generate power,
A fuel supply channel for supplying the fuel to the fuel cell;
A circulation flow path for joining the fuel off-gas discharged from the fuel cell to the fuel supply flow path, a fuel circulation type fuel cell system comprising:
Water that makes it possible to adjust the humidity of the fluid in the circulation channel as desired by moving moisture between the internal fluid of the circulation channel and / or the fuel supply channel after the merging and a predetermined other fluid. A fuel circulation type fuel cell system comprising a permeable membrane type humidity controller provided in the circulation channel and / or the fuel supply channel after the merging.

The fuel circulation type fuel cell system according to claim 1, wherein the another fluid supplied to the humidity adjusting device is the oxidant or an oxidant off-gas discharged from the fuel cell.

2. The apparatus according to claim 1, further comprising a switching unit configured to selectively supply one of a fluid having a lower humidity and a fluid having a higher humidity than the internal fluid as the different fluid supplied to the humidity adjusting device. 3. The fuel circulation type fuel cell system according to claim 2.

The oxidant supplied to the fuel cell is supplied to the fuel cell after being humidified by a film humidifier capable of moving the moisture of the oxidant off-gas to the oxidant,
A first switching unit configured to selectively supply any one of the oxidizing agent and the oxidizing agent off-gas before being introduced into the film humidifier as the different fluid supplied to the humidity adjusting device. The fuel circulation type fuel cell system according to claim 2, wherein

A humidity sensor for detecting the humidity of the fuel supplied to the fuel cell; and a humidity sensor for detecting the humidity of the fuel off-gas, and the first sensor based on the humidity detected by the humidity sensor. The fuel circulation type fuel cell system according to claim 4, wherein the switching means is switched.

5. The fuel cell system according to claim 4, further comprising a cell voltage detecting means for detecting a cell voltage of the fuel cell, wherein the first switching means is switched based on a cell voltage detected by the cell voltage detecting means. Fuel circulation fuel cell system.

A second switching unit configured to selectively allow the different fluid discharged from the humidity control device to flow to one of a flow path that joins the oxidizing agent and a flow path that is discharged outside the system. The fuel circulation type fuel cell system according to any one of claims 4 to 6, wherein:

The humidity of the another fluid supplied to the humidity adjusting device is adjusted in advance according to a target humidity of the fuel supplied to the fuel cell. Fuel circulation fuel cell system.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 8, further comprising an auxiliary fuel supply passage that supplies the fuel before the fuel off-gas merges to a middle of a passage through which the fuel flows in the fuel cell. The fuel-circulating fuel cell system according to item 1.

10. The fuel circulation type fuel cell system according to claim 1, wherein a purge valve is provided in the circulation flow path.