JP2004265684A

JP2004265684A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004265684A
Application number: JP2003053698A
Authority: JP
Inventors: Shiro Tanaka; 詩郎田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】燃料電池運転時には反応ガスを加湿した状態で燃料電池に供給可能としながら、燃料電池の運転を停止させるときには乾燥したパージガス（反応ガス）を速やかに燃料電池に供給して、燃料電池の水分パージを短時間で適切に行えるようにする。
【解決手段】燃料電池１の運転時には、反応ガスを加湿装置２を通してオフガス中の水分により加湿し、燃料電池１に供給する。一方、燃料電池１の運転を停止させるときには、反応ガスの供給を一時的に継続させるとともに、反応ガス流路切り替え弁６を作動させてパージガスの全量を反応ガスバイパス路５に流し、加湿装置２で加湿することなく乾燥した反応ガスをパージガスとして素速く燃料電池１に供給する。
【選択図】図１When a fuel cell is operated, a reactant gas can be supplied to the fuel cell in a humidified state, and when the operation of the fuel cell is stopped, a dry purge gas (reaction gas) is promptly supplied to the fuel cell. Properly perform moisture purging in a short time.
When operating a fuel cell, a reaction gas is humidified by a moisture in an off-gas through a humidifier and supplied to the fuel cell. On the other hand, when the operation of the fuel cell 1 is stopped, the supply of the reactant gas is temporarily continued, and the reactant gas flow path switching valve 6 is operated to allow the entire amount of the purge gas to flow through the reactant gas bypass passage 5 and the humidifying device 2. The reaction gas dried without being humidified as described above is quickly supplied to the fuel cell 1 as a purge gas.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に反応ガスを（水素ガス及び空気）を供給して燃料電池での電気化学的な反応によって発電電力を得る燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池からのオフガスの水分を利用して反応ガスの加湿を行う燃料電池システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスである水素、酸化剤極に酸化剤ガスである空気をそれぞれ供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。この固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に膜状の固体高分子が設けられたものであり、この固体高分子膜が水素イオン伝導体として機能するようになっている。この固体高分子タイプの燃料電池では、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を酸化剤極に向かって移動することになる。
【０００４】
ところで、固体高分子膜をイオン伝導体として機能させるためには、この固体高分子膜にある程度の水分を含ませておく必要がある。このため、このような固体高分子タイプの燃料電池を用いた燃料電池システムでは、水素や空気等の反応ガスを加湿装置により加湿した状態で燃料電池に供給することで、燃料電池の固体高分子膜を加湿することが一般に行われている。
【０００５】
具体的には、例えば、反応後に燃料電池から排出されるオフガスに水蒸気が多く含まれていることに着目し、この燃料電池からのオフガスを加湿ガスとして用い、このオフガス中の水分を水分透過型加湿装置を用いて燃料電池に供給される反応ガス（水素や空気）に移動させることで、反応ガスの加湿を行うようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１３２０３８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のように水分透過型加湿装置を用いてオフガス中の水分を反応ガスに移動させることで反応ガスの加湿を行う燃料電池システムでは、以下のような課題があった。
【０００８】
すなわち、燃料電池システムを自動車の動力源等として用いることを考えると、寒冷地での使用も考慮する必要があることから、主に凍結防止のために、発電停止後には燃料電池にパージガス（反応ガスを使用）を供給して水分パージを行い、燃料電池内部に滞留している水分を除去することが求められる。このとき、停止直後の燃料電池は発電しておらず、反応生成水が生成されることはないが、燃料電池内にそれまでの生成水が溜まっているため、オフガスは水蒸気リッチな状態で排出されることになる。一方、パージガス（反応ガス）はほとんど含水していない状態で供給されるが、水分透過型加湿装置を用いた燃料電池システムでは、パージガスが水分透過型加湿装置を通過する際に前記オフガスに含まれる水蒸気によって加湿されてしまい、燃料電池内に再び水分を供給してしまうことになる。
【０００９】
水分パージを続ければ、この後、徐々に燃料電池内の水分が取り除かれ、オフガスが乾燥してようやくパージガスを加湿しなくなる。しかしながら、それまでの間はパージガスを継続的に供給することが求められ、例えば空気ブロアの無駄な稼働や水素ガスの無駄な消費に繋がる。したがって、燃料電池の停止時には、できるだけ短時間に乾燥したパージガスを供給することが望まれる。
【００１０】
本発明は、以上のような従来技術の有する欠点を解消するために提案されたものであり、燃料電池運転時には水素ガスや空気等の反応ガスを適切に加湿した状態で燃料電池に供給することができ、しかも、燃料電池の運転を停止したときには、燃料電池に乾燥したパージガス（反応ガス）を速やかに供給して適切に水分パージを行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給により発電が行われる燃料電池と、燃料電池に供給する反応ガスの経路となる反応ガス供給路と、燃料電池から排出される反応後のオフガスの経路となるオフガス排出路と、これら反応ガス供給路とオフガス排出路との間に設けられ、燃料電池に供給される反応ガスを燃料電池での反応後に排出されるオフガスに含まれる水分により加湿する水分透過型の加湿装置とを備えるものである。そして、この燃料電池システムでは、反応ガス供給路に、加湿装置をバイパスする反応ガスバイパス路が設けられていることを特徴としている。
【００１２】
この燃料電池システムにおいて、燃料電池運転時には、反応ガスは水分透過型の加湿装置を通過することでオフガスに含まれる水分により加湿され、燃料電池に供給される。一方、燃料電池の運転を停止したときには、反応ガスは反応ガスバイパス路へと導かれ、加湿装置で加湿されることなく乾燥したパージガスとして燃料電池に送り込まれ、燃料電池内部をパージする。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムにおいては、前記構成に加えて、オフガス排出路に純水を噴霧する噴射弁や加湿装置をバイパスするオフガスバイパス路を設けてもよい。
【００１４】
水分透過型の加湿装置は、パージガス及びオフガスの双方が乾燥した状態で供給されると、内部に設けられた水分透過膜が乾燥して、膜強度の低下や次回起動時の加湿遅れを招くという問題も懸念される。このような場合、前記噴射弁から純水をオフガス中に噴霧したり、乾燥したオフガスをオフガスバイパス路に導き加湿装置をバイパスすることで、加湿装置内部に設けられた水分透過膜の乾燥が有効に防止される。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池運転時には、反応ガスが水分透過型の加湿装置を通過することでオフガスに含まれる水分により加湿され、燃料電池に供給されるので、燃料電池を円滑に運転することが可能である。一方、燃料電池の運転を停止したときには、反応ガスは反応ガスバイパス路へと導かれ、加湿装置で加湿されることなく乾燥したパージガスとして燃料電池に送り込まれるので、この乾燥したパージガスにより燃料電池内の水分パージを速やかに行うことが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を概略的に示す図である。この燃料電池システムは、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気中の酸素との反応により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に供給される反応ガス（水素、あるいは空気）を加湿する水分透過型の加湿装置２とを備える。
【００１８】
燃料電池１は、水素が供給される燃料極と空気が供給される酸化剤極とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池１の各発電セルでは、燃料極に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１９】
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００２０】
燃料電池１においては、反応ガス、すなわち燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極や酸化剤極に供給する必要があり、そのための機構が燃料供給系及び空気供給系である。
【００２１】
ここで、燃料供給系は、例えば水素供給源、水素供給流路、エゼクタ、燃料極排ガス排気流路及び水素循環流路等から構成され、水素供給源から供給される水素が、水素供給流路及びエゼクタを通って燃料電池１の燃料極に送り込まれるようになっている。また、燃料電池１での発電に寄与しなかった余剰分の水素（燃料電池１の燃料極から排出されるオフガス）が、水素循環流路を通ってエゼクタにより循環され、新たに水素供給源から供給される水素と混合されて、再び燃料電池１の燃料極に供給されるようになっている。
【００２２】
空気供給系は、例えばコンプレッサ、空気供給流路、排気バルブ及び酸化剤極排ガス排気流路等から構成され、コンプレッサにて圧縮された空気が空気供給流路を通って燃料電池１の酸化剤極に送り込まれるようになっている。また、燃料電池１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分（燃料電池１の酸化剤極からのオフガス）が、排気バルブ及び酸化剤極排ガス排気流路を介して排出されるようになっている。
【００２３】
加湿装置２は、図１に示すように、燃料電池１に供給される反応ガスの経路となる反応ガス供給路３と燃料電池１から排出される反応後のオフガスの経路となるオフガス排出路４との間に設けられ、燃料電池１に供給される反応ガスをオフガスに含まれる水分により加湿するものである。
【００２４】
本実施形態では、この加湿装置２が空気供給系側に設置された場合を例に挙げて、以下、燃料電池１に供給される空気を反応ガス、燃料電池１から排出される余剰分の酸素及び空気中の他の成分をオフガスとし、空気供給流路を反応ガス供給路３、酸化剤極排ガス排気流路をオフガス排出路４として説明するが、本発明がこの例に限定されるものでないことは勿論であり、燃料供給系側に加湿装置２を設置して、燃料電池１に供給される水素を反応ガス、燃料電池１から排出される余剰分の水素をオフガスとし、水素供給流路を反応ガス供給路３、燃料極排ガス排気流路をオフガス排出路４と置き換えてもよい。また、これら空気供給系と燃料供給系との双方に加湿装置２を設置して、これら双方に本発明を適用することも可能である。
【００２５】
燃料電池１から排出されてオフガス排出路４を通るオフガスには、燃料電池１の発電の際に生成された純水が水蒸気となって多量に含有されている。そこで、本発明を適用した燃料電池システムでは、反応ガス供給路３とオフガス排出路４との間に加湿装置２を設け、オフガス排出路４を通るオフガス中の水分を加湿装置２によって反応ガス供給路３側へと移動させることで、反応ガスを加湿するようにしている。この加湿装置２は、水分透過膜を有する水分透過型の加湿装置であり、オフガス排出路４を通るオフガス中の水分を水分透過膜を介して反応ガス供給路３側へと移動させ、反応ガス供給路３を通る反応ガスを加湿するものである。
【００２６】
また、本発明を適用した燃料電池システムでは、燃料電池１に供給される反応ガスの経路となる反応ガス供給路３に、加湿装置２をバイパスする反応ガスバイパス路５が設けられており、この反応ガスバイパス路５の入り口において、反応ガス流路切替弁６によって反応ガスの流路を切り替えることができるようになっている。
【００２７】
一方、オフガス排出路４上の加湿装置２手前には、加湿装置２に供給されるオフガスの露点を測定する露点計７が設けられており、加湿装置２に供給されるオフガスの露点を監視することができるようになっている。また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、オフガス排出路４上の露点計７と加湿装置２との間に、オフガス中に純水を噴霧する噴射弁８が設けられている。この噴射弁８には純水を供給する純水供給管９が接続されており、この純水供給管９と接続して純水タンク１０及び純水ポンプ１１が設けられている。
【００２８】
また、オフガス排水路４上の加湿装置２下流側にはセパレータ１２が設けられており、燃料電池１で生成した純水や乾燥時に噴射弁８から噴霧された純水を回収するようになっている。このセパレータ１２で回収された純水は、純水タンク１０及び純水ポンプ１１を介して噴射弁８に供給される。
【００２９】
本実施形態の燃料電池システムにおいては、当該燃料電池システム全体の動作を制御するためのコントローラ１３が設けられており、前記反応ガス流路切替弁６や噴射弁８、純水ポンプ１１は、燃料電池１や露点計７からの検出情報に応じて、このコントローラ１３によって制御されるようになっている。
【００３０】
次に、本実施形態の燃料電池システムにおいて、反応ガスの含水量及び流量を制御する具体的な方法について説明する。
【００３１】
燃料電池１の運転時には、反応ガス供給路３を通る反応ガスが、加湿装置２を通過することによって加湿されて燃料電池１へと供給される。燃料電池１に供給された反応ガスは、燃料電池１での反応後、オフガスとして燃料電池１から排出される。このオフガスは、オフガス排出路４を通って加湿装置２に供給される。このとき、このオフガス中の水分が加湿装置２の水分透過膜を介して反応ガス供給路３側へと移動する。そして、この水分によって新たに反応ガス供給路３を通る反応ガスが加湿されることになる。
【００３２】
一方、燃料電池１の運転を停止させるときは、凍結防止のため乾燥したパージガス（反応ガスを使用）によって燃料電池１内部の水分をパージする必要がある。しかしながら、燃料電池１の運転を停止した直後は、燃料電池１内部にそれまでの生成水が溜まった状態となっており、燃料電池１から排出されるオフガスは水蒸気リッチのままである。このため、パージガス（反応ガス）を加湿装置２を通して燃料電池１に供給すると、パージガスが加湿装置２においてオフガス中の水分によって加湿され、燃料電池１内部を余計に湿らせてしまうといった不都合が生じる。
【００３３】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、図２に示すような手順に従ってパージガス（反応ガス）やオフガスの水分を制御することで、以上のような不都合を生じさせないようにしている。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の運転を停止させたとき（ステップＳ１）、コントローラ１３が反応ガス流路切替弁６を作動させて流路の切り替えを行い、パージガス（反応ガス）の全量が反応ガスバイパス路５を流れるようにする（ステップＳ２）。これにより、パージガスが加湿装置２で加湿されることなく、乾燥した状態で素速く燃料電池１に供給されることになる。
【００３４】
この後、徐々に燃料電池１内の水分が取り除かれて、乾燥したオフガスが燃料電池１から排出されるようになる。このとき、乾燥したオフガスが加湿装置２に供給され続けると、加湿装置２中の水分透過膜が乾燥してしまい、膜強度の低下や、次回起動時の加湿遅れを招くという問題が発生する虞れがある。
【００３５】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、このオフガスの露点を露点計７で測定し（ステップＳ３）、オフガスの露点が以上のような問題が懸念される所定値以下になった段階で、コントローラ１３が純水ポンプ１１及び噴射弁８を作動させて、オフガスに純水を噴霧させる（ステップＳ４）。これにより、オフガスが加湿された状態で加湿装置２に流入することになり、このオフガス中の水分で加湿装置２の水分透過膜が加湿されて、水分透過膜の乾燥やこれに起因する問題が有効に防止される。なお、噴射弁８からオフガスに噴霧された純水のうちで、水分透過膜の加湿に利用されなかった純水は、加湿装置２下流のセパレータ１２によって回収され、純水供給管９を経て純水タンク１０に貯留される。
【００３６】
コントローラ１３は、以上のような制御を行って乾燥したパージガスを燃料電池１に供給させて燃料電池１の水分パージを行い、純水ポンプ１１及び噴射弁８を一定時間作動させて加湿装置２の水分透過膜の乾燥を防止した後、反応ガスの供給を停止させる（ステップＳ５）。
【００３７】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１の運転を停止させるときに、反応ガスの供給を一時的に継続して、この反応ガスを反応ガスバイパス路５へと導き、加湿装置２をバイパスして燃料電池１に供給するようにしているので、反応ガスを乾燥したパージガスとして燃料電池１に素速く供給することができ、燃料電池１の水分パージを短時間で適切に行うことができる。
【００３８】
また、燃料電池１の水分パージが進行してオフガスも乾燥したときには、噴射弁８から純水を噴霧することでオフガスを加湿するようにしているので、加湿装置２に乾燥したオフガスが供給されて水分透過膜の乾燥やこれに起因する種々の問題を生じさせるといった不都合を有効に防止することができる。このとき、オフガス排出路４上に設けた露点計７によってオフガスの露点を測定し、オフガスの露点が、水分透過膜の乾燥が懸念される所定値以下になったときに噴射弁８から純水をオフガス中に噴霧するようにしているので、最適なタイミングで純水噴霧を行って、加湿装置２の水分透過膜の乾燥防止を確実に行うことができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムの要部構成を図３に概略的に示す。なお、この図３に示す燃料電池システムにおいて、反応ガス側の構成は上述した第１の実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００４０】
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１にから排出されるオフガスの経路となるオフガス排出路４に、加湿装置２をバイパスするオフガスバイパス路１４が設けられており、このオフガスバイパス路１４の入り口において、オフガス流路切替弁１５によってオフガスの流路を切り替えることができるようになっている。また、第１の実施形態と同様に、オフガス排出路４上の加湿装置２の手前には、加湿装置２に供給されるオフガスの露点を測定する露点計７が設けられており、加湿装置２に供給されるオフガスの露点を監視することができるようになっている。
【００４１】
そして、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ１３が、燃料電池１や露点計７からの検出情報に応じて、反応ガス流路切替弁６やオフガス流路切替弁１５を制御するようになっている。
【００４２】
以上のように構成される本実施形態の燃料電池システムにおいて、反応ガスの含水量及び流量を制御する具体的な方法について説明すると、燃料電池１の運転時には、上述した第１の実施形態と同様に、反応ガス供給路３を通る反応ガスが、加湿装置２を通過することによって加湿されて燃料電池１へと供給される。燃料電池１に供給された反応ガスは、燃料電池１での反応後、オフガスとして燃料電池１から排出される。このオフガスは、オフガス排出路４を通って加湿装置２に供給される。このとき、このオフガス中の水分が加湿装置２の水分透過膜を介して反応ガス供給路３側へと移動する。そして、この水分によって新たに反応ガス供給路３を通る反応ガスが加湿されることになる。
【００４３】
一方、燃料電池１の運転を停止させるときは、第１の実施形態と同様に、凍結防止のため乾燥したパージガス（反応ガスを使用）によって燃料電池１内部の水分をパージする必要があるが、パージガス（反応ガス）を加湿装置２を通して燃料電池１に供給すると、パージガスが加湿装置２においてオフガス中の水分によって加湿され、燃料電池１内部を余計に湿らせてしまうといった不都合が生じる。
【００４４】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、図４に示すような手順に従ってパージガス（反応ガス）やオフガスの水分を制御することで、以上のような不都合を生じさせないようにしている。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の運転を停止させたとき（ステップＳ１１）、コントローラ１３が反応ガス流路切替弁６を作動させて反応ガスの流路の切り替えを行い、パージガス（反応ガス）の全量が反応ガスバイパス路５を流れるようにする（ステップＳ１２）。これにより、パージガスが加湿装置２で加湿されることなく、乾燥した状態で素速く燃料電池１に供給されることになる。
【００４５】
この後、徐々に燃料電池１内の水分が取り除かれて、乾燥したオフガスが燃料電池１から排出されるようになるが、本実施形態の燃料電池システムでは、このオフガスの露点を露点計７で測定し（ステップＳ１３）、オフガスの露点が以上のような問題が懸念される所定値以下になった段階で、コントローラ１３がオフガス流路切替弁１５を作動させてオフガスの流路の切り替えを行い、オフガスの全量がオフガスバイパス路１４を流れるようにする（ステップＳ１４）。これにより、乾燥したパージガス（反応ガス）と乾燥したオフガスの双方がともに加湿装置２をバイパスすることになり、加湿装置２の水分透過膜の乾燥やこれに起因する問題が有効に防止される。
【００４６】
コントローラ１３は、以上のような制御を行って、乾燥したオフガスが加湿装置２をバイパスするようにして加湿装置２の水分透過膜の乾燥を防止しながら、乾燥したパージガスを燃料電池１に供給させて燃料電池１の水分パージを行った後、反応ガスの供給を停止させる（ステップＳ１５）。
【００４７】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいても、燃料電池１の運転を停止させるときに、反応ガスの供給を一時的に継続して、この反応ガスを反応ガスバイパス路５へと導き、加湿装置２をバイパスして燃料電池１に供給するようにしているので、反応ガスを乾燥したパージガスとして燃料電池１に素速く供給することができ、燃料電池１の水分パージを短時間で適切に行うことができる。
【００４８】
また、燃料電池１の水分パージが進行してオフガスも乾燥したときには、オフガスをオフガスバイパス路１４へと導き、オフガスが加湿装置２をバイパスするようにしているので、加湿装置２に乾燥したオフガスが供給されて水分透過膜の乾燥やこれに起因する種々の問題を生じさせるといった不都合を有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転を停止させるときに行われる制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】第２の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図４】第２の実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転を停止させるときに行われる制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池
２加湿装置
３反応ガス供給路
４オフガス排出路
５反応ガスバイパス路
７露点計
８噴射弁
１３コントローラ
１４オフガスバイパス路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system in which a reaction gas (hydrogen gas and air) is supplied to a fuel cell to generate electric power by an electrochemical reaction in the fuel cell. The present invention relates to an improvement of a fuel cell system for humidifying a reaction gas using moisture.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell system supplies hydrogen as fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell and air as oxidant gas to the oxidant electrode, and electrochemically reacts the hydrogen with oxygen in the air to generate electric power. Is what you get. Such fuel cell systems are expected to be put to practical use, for example, as power sources for automobiles, and research and development for practical use are being actively conducted.
[0003]
As a fuel cell used in a fuel cell system, a polymer electrolyte fuel cell is known as a fuel cell particularly suitable for mounting on an automobile. In this solid polymer type fuel cell, a film-like solid polymer is provided between a fuel electrode and an oxidant electrode, and this solid polymer membrane comes to function as a hydrogen ion conductor. ing. In this polymer electrolyte fuel cell, a reaction occurs in which hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons at the fuel electrode, and a reaction occurs in which water is generated from oxygen, hydrogen ions, and electrons at the oxidant electrode. At this time, the solid polymer membrane functions as an ion conductor, and hydrogen ions move through the solid polymer membrane toward the oxidant electrode.
[0004]
By the way, in order for the solid polymer membrane to function as an ion conductor, it is necessary that the solid polymer membrane contains a certain amount of moisture. For this reason, in a fuel cell system using such a solid polymer type fuel cell, a reactive gas such as hydrogen or air is supplied to the fuel cell in a humidified state by a humidifying device, so that the solid polymer It is common practice to humidify the membrane.
[0005]
Specifically, for example, focusing on the fact that the offgas discharged from the fuel cell after the reaction contains a large amount of water vapor, the offgas from the fuel cell is used as a humidifying gas, and the moisture in the offgas is used as a moisture permeable type. There has been proposed a fuel cell system in which a reaction gas (hydrogen or air) supplied to a fuel cell is moved using a humidifier to humidify the reaction gas (for example, see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-6-132038
[Problems to be solved by the invention]
However, the fuel cell system that humidifies the reaction gas by moving the water in the off-gas to the reaction gas using the moisture permeable humidifier as described above has the following problems.
[0008]
That is, considering that the fuel cell system is used as a power source of an automobile, it is necessary to consider use in a cold region. Therefore, in order to mainly prevent freezing, the purge gas (reaction gas) is supplied to the fuel cell after power generation is stopped. It is required to remove water remaining inside the fuel cell by performing a water purge by supplying gas (using gas). At this time, the fuel cell immediately after the stop does not generate power, and no water generated by the reaction is generated.However, since the generated water has accumulated in the fuel cell, the off-gas is discharged in a water vapor-rich state. Will be done. On the other hand, the purge gas (reaction gas) is supplied in a state that it hardly contains water. However, in a fuel cell system using a moisture permeable humidifier, the purge gas is included in the off gas when passing through the moisture permeable humidifier. It is humidified by the water vapor, and water is supplied again into the fuel cell.
[0009]
If the moisture purge is continued, thereafter, the moisture in the fuel cell is gradually removed, and the offgas is dried, so that the purge gas is no longer humidified. However, in the meantime, it is required to continuously supply the purge gas, which leads to wasteful operation of the air blower and wasteful consumption of hydrogen gas, for example. Therefore, when the fuel cell is stopped, it is desired to supply a dry purge gas in the shortest possible time.
[0010]
The present invention has been proposed in order to solve the above-mentioned drawbacks of the prior art, and it is intended to supply a reaction gas such as hydrogen gas or air to a fuel cell in an appropriately humidified state during fuel cell operation. In addition, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system which can supply a dry purge gas (reaction gas) to the fuel cell promptly and perform an appropriate water purge when the operation of the fuel cell is stopped. I do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell in which power is generated by supply of a reaction gas, a reaction gas supply path serving as a path for a reaction gas supplied to the fuel cell, and a path of a reacted off-gas discharged from the fuel cell. Water that is provided between the reaction gas supply path and the off gas discharge path, and humidifies the reaction gas supplied to the fuel cell by the water contained in the off gas discharged after the reaction in the fuel cell. And a transmission type humidifier. The fuel cell system is characterized in that a reactive gas supply path is provided with a reactive gas bypass path that bypasses the humidifier.
[0012]
In this fuel cell system, during operation of the fuel cell, the reaction gas is humidified by the moisture contained in the off-gas by passing through a moisture permeable humidifier and supplied to the fuel cell. On the other hand, when the operation of the fuel cell is stopped, the reaction gas is led to the reaction gas bypass, and is sent to the fuel cell as a dry purge gas without being humidified by the humidifier to purge the inside of the fuel cell.
[0013]
Further, in the fuel cell system of the present invention, in addition to the above-described configuration, an injection valve for spraying pure water to the off-gas discharge path or an off-gas bypass path for bypassing the humidifier may be provided.
[0014]
When both the purge gas and the off-gas are supplied in a dry state, the moisture-permeable type humidifier dries the moisture-permeable film provided therein, causing a decrease in film strength and a delay in humidification at the next start-up. Problems are also a concern. In such a case, by spraying pure water into the off-gas from the injection valve or guiding the dried off-gas to the off-gas bypass path to bypass the humidifier, the drying of the moisture-permeable film provided inside the humidifier is effective. Is prevented.
[0015]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of the present invention, during operation of the fuel cell, the reaction gas passes through the moisture permeable humidifier and is humidified by the moisture contained in the off-gas, and is supplied to the fuel cell. It is possible to drive. On the other hand, when the operation of the fuel cell is stopped, the reactant gas is led to the reactant gas bypass path and sent to the fuel cell as a dry purge gas without being humidified by the humidifier, so that the dry purge gas causes Can be quickly purged.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a main configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied. This fuel cell system humidifies a fuel cell 1 that generates electric power by a reaction between hydrogen as a fuel gas and oxygen in the air as an oxidant gas, and a reaction gas (hydrogen or air) supplied to the fuel cell 1. And a moisture permeable humidifier 2.
[0018]
The fuel cell 1 has a stack structure in which a fuel electrode to which hydrogen is supplied and an oxidant electrode to which air is supplied are overlapped with an electrolyte therebetween to form a power generation cell, and a plurality of power generation cells are stacked in multiple stages. It converts chemical energy into electric energy by an electrochemical reaction based on hydrogen and oxygen in the air. In each power generation cell of the fuel cell 1, a reaction occurs in which hydrogen supplied to the fuel electrode is separated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons pass through an external circuit to generate electric power. Each moves to the oxidant electrode. At the oxidizer electrode, oxygen in the supplied air reacts with hydrogen ions and electrons moved through the electrolyte to generate water, which is discharged to the outside.
[0019]
As an electrolyte of the fuel cell 1, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is formed of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin-based ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.
[0020]
In the fuel cell 1, it is necessary to supply a reaction gas, that is, hydrogen as a fuel gas or air as an oxidant gas to a fuel electrode and an oxidant electrode of each power generation cell. System.
[0021]
Here, the fuel supply system includes, for example, a hydrogen supply source, a hydrogen supply passage, an ejector, a fuel electrode exhaust gas exhaust passage, a hydrogen circulation passage, and the like, and hydrogen supplied from the hydrogen supply source is supplied to the hydrogen supply passage. And the fuel is fed to the fuel electrode of the fuel cell 1 through the ejector. In addition, surplus hydrogen (off gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell 1) that has not contributed to the power generation in the fuel cell 1 is circulated by the ejector through the hydrogen circulation channel, and is newly supplied from the hydrogen supply source. The mixed hydrogen is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 1 again.
[0022]
The air supply system includes, for example, a compressor, an air supply flow path, an exhaust valve, an oxidant electrode exhaust gas exhaust flow path, and the like, and air compressed by the compressor passes through the air supply path and has an oxidant electrode of the fuel cell 1. It is to be sent to. Also, oxygen not consumed in the fuel cell 1 and other components in the air (off-gas from the oxidant electrode of the fuel cell 1) are discharged through the exhaust valve and the oxidant electrode exhaust gas exhaust passage. Has become.
[0023]
As shown in FIG. 1, the humidifying device 2 includes a reaction gas supply path 3 serving as a path for a reaction gas supplied to the fuel cell 1 and an off gas discharge path 4 serving as a path for a reacted off gas discharged from the fuel cell 1. And humidifies the reaction gas supplied to the fuel cell 1 with the moisture contained in the off-gas.
[0024]
In the present embodiment, the case where the humidifying device 2 is installed on the air supply system side will be described as an example, and the air supplied to the fuel cell 1 will be hereinafter referred to as a reaction gas and the excess oxygen discharged from the fuel cell 1. The other components in the air will be described as off-gas, the air supply channel will be described as the reaction gas supply channel 3, and the oxidant electrode exhaust gas exhaust channel will be described as the off-gas exhaust channel 4, but the present invention is not limited to this example. Needless to say, the humidifier 2 is installed on the fuel supply system side, and the hydrogen supplied to the fuel cell 1 is used as a reaction gas, the excess hydrogen discharged from the fuel cell 1 is used as an off gas, and the hydrogen supply passage is provided. May be replaced with the reaction gas supply path 3 and the fuel electrode exhaust gas discharge path with the off-gas discharge path 4. It is also possible to install the humidifier 2 in both the air supply system and the fuel supply system and apply the present invention to both of them.
[0025]
The off-gas discharged from the fuel cell 1 and passing through the off-gas discharge path 4 contains a large amount of pure water generated during power generation of the fuel cell 1 as steam. Therefore, in the fuel cell system to which the present invention is applied, the humidifier 2 is provided between the reaction gas supply path 3 and the off gas discharge path 4, and the moisture in the off gas passing through the off gas discharge path 4 is supplied by the humidifier 2. The reaction gas is humidified by moving to the road 3 side. The humidifier 2 is a moisture-permeable humidifier having a moisture-permeable film, and moves moisture in the off-gas passing through the off-gas discharge passage 4 to the reaction gas supply passage 3 through the moisture-permeable film. It humidifies the reaction gas passing through the supply path 3.
[0026]
Further, in the fuel cell system to which the present invention is applied, the reaction gas supply path 3 serving as the path of the reaction gas supplied to the fuel cell 1 is provided with the reaction gas bypass path 5 that bypasses the humidifier 2. At the entrance of the reaction gas bypass passage 5, the reaction gas passage can be switched by a reaction gas passage switching valve 6.
[0027]
On the other hand, a dew point meter 7 for measuring the dew point of the off gas supplied to the humidifier 2 is provided in front of the humidifier 2 on the off gas discharge path 4, and monitors the dew point of the off gas supplied to the humidifier 2. You can do it. Further, in the fuel cell system of the present embodiment, an injection valve 8 for spraying pure water into off-gas is provided between the dew point meter 7 on the off-gas discharge path 4 and the humidifier 2. A pure water supply pipe 9 for supplying pure water is connected to the injection valve 8, and a pure water tank 10 and a pure water pump 11 are provided in connection with the pure water supply pipe 9.
[0028]
Further, a separator 12 is provided on the downstream side of the humidifier 2 on the off-gas drain passage 4 so as to collect pure water generated by the fuel cell 1 and pure water sprayed from the injection valve 8 during drying. I have. The pure water collected by the separator 12 is supplied to the injection valve 8 via the pure water tank 10 and the pure water pump 11.
[0029]
In the fuel cell system of the present embodiment, a controller 13 for controlling the operation of the entire fuel cell system is provided, and the reaction gas flow path switching valve 6, the injection valve 8, and the pure water pump 11 The controller 13 is controlled according to detection information from the battery 1 and the dew point meter 7.
[0030]
Next, a specific method for controlling the water content and the flow rate of the reaction gas in the fuel cell system of the present embodiment will be described.
[0031]
During operation of the fuel cell 1, the reaction gas passing through the reaction gas supply path 3 is humidified by passing through the humidifier 2 and supplied to the fuel cell 1. The reaction gas supplied to the fuel cell 1 is discharged from the fuel cell 1 as an off gas after the reaction in the fuel cell 1. This off-gas is supplied to the humidifier 2 through the off-gas discharge path 4. At this time, the moisture in the off-gas moves toward the reaction gas supply passage 3 through the moisture permeable membrane of the humidifier 2. Then, the reaction gas newly passing through the reaction gas supply path 3 is humidified by the moisture.
[0032]
On the other hand, when the operation of the fuel cell 1 is stopped, it is necessary to purge moisture inside the fuel cell 1 with a dry purge gas (using a reaction gas) to prevent freezing. However, immediately after the operation of the fuel cell 1 is stopped, the generated water has accumulated in the fuel cell 1 so far, and the off-gas discharged from the fuel cell 1 remains rich in water vapor. For this reason, when the purge gas (reaction gas) is supplied to the fuel cell 1 through the humidifier 2, the purge gas is humidified by the moisture in the off-gas in the humidifier 2, and the inside of the fuel cell 1 is further moistened.
[0033]
Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the above-described inconvenience is prevented by controlling the moisture of the purge gas (reaction gas) and the off-gas in accordance with the procedure shown in FIG. That is, in the fuel cell system according to the present embodiment, when the operation of the fuel cell 1 is stopped (step S1), the controller 13 operates the reaction gas flow path switching valve 6 to switch the flow path, and purge gas (reaction gas). The gas (gas) is caused to flow through the reaction gas bypass passage 5 (step S2). Thus, the purge gas is quickly supplied to the fuel cell 1 in a dry state without being humidified by the humidifier 2.
[0034]
Thereafter, the water in the fuel cell 1 is gradually removed, and the dried off-gas is discharged from the fuel cell 1. At this time, if the dried off-gas continues to be supplied to the humidifier 2, the moisture-permeable film in the humidifier 2 is dried, which may cause a problem that the film strength is reduced or humidification is delayed at the next start-up. There is.
[0035]
Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the dew point of the off-gas is measured by the dew point meter 7 (step S3). 13 activates the pure water pump 11 and the injection valve 8 to spray pure water on the off-gas (step S4). As a result, the off-gas flows into the humidifying device 2 in a humidified state, and the moisture in the off-gas humidifies the moisture-permeable film of the humidifying device 2, causing the drying of the moisture-permeable film and the problems caused by this. Effectively prevented. Note that, of the pure water sprayed to the off-gas from the injection valve 8, pure water not used for humidifying the moisture permeable membrane is collected by the separator 12 downstream of the humidifying device 2, and purified through the pure water supply pipe 9. It is stored in the water tank 10.
[0036]
The controller 13 supplies the dried purge gas to the fuel cell 1 by performing the above control, purges the fuel cell 1 with moisture, activates the pure water pump 11 and the injection valve 8 for a certain time, and activates the humidifier 2. After the drying of the moisture permeable membrane is prevented, the supply of the reaction gas is stopped (Step S5).
[0037]
As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, when the operation of the fuel cell 1 is stopped, the supply of the reaction gas is temporarily continued, and the reaction gas is supplied to the reaction gas bypass passage 5. Since the reaction gas is supplied to the fuel cell 1 by bypassing the humidifier 2, the reaction gas can be quickly supplied to the fuel cell 1 as a dry purge gas, and the water purge of the fuel cell 1 can be performed in a short time. Can be done properly.
[0038]
Further, when the water purge of the fuel cell 1 proceeds and the off-gas is also dried, the off-gas is humidified by spraying pure water from the injection valve 8, so that the dried off-gas is supplied to the humidifier 2. Inconveniences such as drying of the moisture-permeable membrane and various problems caused by the drying can be effectively prevented. At this time, the dew point of the off-gas is measured by a dew point meter 7 provided on the off-gas discharge path 4. Is sprayed into the off-gas, so that the pure water spray is performed at the optimal timing, and the moisture permeable membrane of the humidifier 2 can be reliably prevented from drying.
[0039]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 schematically shows a configuration of a main part of the fuel cell system according to the present embodiment. Note that, in the fuel cell system shown in FIG. 3, the configuration on the reaction gas side is the same as that of the above-described first embodiment, and thus detailed description is omitted here.
[0040]
In the fuel cell system of the present embodiment, an off-gas bypass path 14 that bypasses the humidifier 2 is provided in an off-gas discharge path 4 serving as a path for off-gas discharged from the fuel cell 1. At the entrance, the off gas flow path can be switched by the off gas flow path switching valve 15. Similarly to the first embodiment, a dew point meter 7 for measuring the dew point of the off gas supplied to the humidifier 2 is provided in front of the humidifier 2 on the off gas discharge path 4. It is possible to monitor the dew point of the off-gas supplied to the vehicle.
[0041]
In the fuel cell system according to the present embodiment, the controller 13 controls the reaction gas flow path switching valve 6 and the off gas flow path switching valve 15 according to the detection information from the fuel cell 1 and the dew point meter 7. Has become.
[0042]
In the fuel cell system according to the present embodiment configured as described above, a specific method for controlling the water content and the flow rate of the reaction gas will be described. When the fuel cell 1 is operated, the same operation as in the first embodiment described above is performed. Then, the reaction gas passing through the reaction gas supply path 3 is humidified by passing through the humidifier 2 and supplied to the fuel cell 1. The reaction gas supplied to the fuel cell 1 is discharged from the fuel cell 1 as an off gas after the reaction in the fuel cell 1. This off-gas is supplied to the humidifier 2 through the off-gas discharge path 4. At this time, the moisture in the off-gas moves toward the reaction gas supply passage 3 through the moisture permeable membrane of the humidifier 2. Then, the reaction gas newly passing through the reaction gas supply path 3 is humidified by the moisture.
[0043]
On the other hand, when the operation of the fuel cell 1 is stopped, as in the first embodiment, it is necessary to purge moisture inside the fuel cell 1 with a dry purge gas (using a reaction gas) to prevent freezing. When the purge gas (reaction gas) is supplied to the fuel cell 1 through the humidifier 2, the purge gas is humidified by the moisture in the off-gas in the humidifier 2, causing an inconvenience that the inside of the fuel cell 1 is further wetted.
[0044]
Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the above-described inconvenience is prevented by controlling the moisture of the purge gas (reaction gas) and the off-gas in accordance with the procedure shown in FIG. That is, in the fuel cell system of the present embodiment, when the operation of the fuel cell 1 is stopped (step S11), the controller 13 operates the reaction gas flow switching valve 6 to switch the flow path of the reaction gas, The entire amount of the purge gas (reaction gas) is caused to flow through the reaction gas bypass passage 5 (step S12). Thus, the purge gas is quickly supplied to the fuel cell 1 in a dry state without being humidified by the humidifier 2.
[0045]
Thereafter, the moisture in the fuel cell 1 is gradually removed, and the dried off-gas is discharged from the fuel cell 1. In the fuel cell system of the present embodiment, the dew point of the off-gas is measured by the dew point meter 7. The controller 13 operates the off-gas flow switching valve 15 to switch the off-gas flow when the dew point of the off-gas becomes equal to or lower than a predetermined value at which the above-mentioned problem is feared (step S13). Then, the entire amount of off-gas is caused to flow through the off-gas bypass 14 (step S14). As a result, both the dried purge gas (reaction gas) and the dried off-gas bypass the humidifier 2, and drying of the moisture permeable membrane of the humidifier 2 and problems caused by this are effectively prevented.
[0046]
The controller 13 performs the above-described control to supply the dried purge gas to the fuel cell 1 while preventing the dried off-gas from bypassing the humidifier 2 to prevent the moisture permeable membrane of the humidifier 2 from drying. After the water purge of the fuel cell 1 is performed, the supply of the reaction gas is stopped (step S15).
[0047]
As described above, also in the fuel cell system according to the present embodiment, when the operation of the fuel cell 1 is stopped, the supply of the reaction gas is temporarily continued, and the reaction gas is led to the reaction gas bypass passage 5. Since the humidifier 2 is bypassed and supplied to the fuel cell 1, the reaction gas can be quickly supplied to the fuel cell 1 as a dry purge gas, and the water purge of the fuel cell 1 can be appropriately performed in a short time. Can be done.
[0048]
Further, when the moisture purge of the fuel cell 1 progresses and the off-gas is also dried, the off-gas is guided to the off-gas bypass passage 14 so that the off-gas bypasses the humidifier 2. It is possible to effectively prevent inconveniences such as drying of the supplied water-permeable membrane and various problems caused by the drying.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a main configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a flow of control performed when stopping operation of the fuel cell in the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating a main configuration of a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a flow of control performed when stopping operation of the fuel cell in the fuel cell system according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 fuel cell 2 humidifier 3 reaction gas supply path 4 off gas discharge path 5 reaction gas bypass path 7 dew point meter 8 injection valve 13 controller 14 off gas bypass path

Claims

A fuel cell in which power is generated by supplying a reaction gas;
A reaction gas supply path serving as a path for a reaction gas supplied to the fuel cell;
An offgas discharge path serving as a path of the offgas after the reaction discharged from the fuel cell;
A moisture permeable humidifier that is provided between the reaction gas supply path and the off gas discharge path and humidifies the reaction gas supplied to the fuel cell with moisture contained in the off gas discharged after the reaction in the fuel cell. Equipment and
The fuel cell system according to claim 1, wherein the reaction gas supply path is provided with a reaction gas bypass path that bypasses the humidifier.

The method according to claim 1, wherein the supply of the reaction gas is temporarily continued when the operation of the fuel cell is stopped, and the reaction gas is supplied to the fuel cell via the reaction gas bypass path. Fuel cell system.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein an injection valve for spraying pure water is provided in the off-gas discharge path.

When the operation of the fuel cell is stopped, the supply of the reaction gas is temporarily continued, and the reaction gas is supplied to the fuel cell via the reaction gas bypass passage. The fuel cell system according to claim 3, wherein water is sprayed into the off-gas.

5. The fuel cell system according to claim 4, wherein a dew point detecting means for detecting a dew point is provided in the off-gas discharge path, and the predetermined condition is that the dew point becomes a predetermined value or less.

The fuel cell system according to claim 1, wherein an off-gas bypass path that bypasses the humidifier is provided in the off-gas discharge path.

When the operation of the fuel cell is stopped, the supply of the reaction gas is temporarily continued, and the reaction gas is supplied to the fuel cell via the reaction gas bypass. 7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the fuel cell is discharged via a fuel cell.

8. The fuel cell system according to claim 7, wherein a dew point detecting means for detecting a dew point is provided in the off gas discharge path, and the predetermined condition is that the dew point has become equal to or less than a predetermined value.