JP2005183042A - Hydrogen recycling device and hydrogen recycling method - Google Patents

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亮史 竹縄
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen recycling device and a hydrogen recycling method capable of preventing a drop in hydrogen storing efficiency by preventing attachment of water to a hydrogen storage alloy. <P>SOLUTION: The hydrogen recycling device 6 is equipped with a purged hydrogen piping 11 through which hydrogen gas purged from the anode side of a fuel cell stack 4 is passed, and a recovering tank 62 installed in the the purged hydrogen piping 11. A water adsorbent 62b for adsorbing moisture contained in hydrogen gas in addition to the hydrogen storage alloy 62a for storing hydrogen gas is contained in the recovering tank 62. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池からパージされる水素を回収して再利用するための水素再利用装置および水素再利用方法に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen recycling apparatus and a hydrogen recycling method for recovering and reusing hydrogen purged from a fuel cell.

近年、燃料電池自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池が注目されている。この燃料電池では、カソード側に酸素を含んだ空気を供給するとともにアノード側に水素を供給することで、これらの水素と酸素を反応させて電気を発生させている。また、このような燃料電池では、燃費の改善のため、水素を循環して利用している。   In recent years, fuel cells that are clean and have high energy efficiency have attracted attention as power sources for fuel cell vehicles. In this fuel cell, air containing oxygen is supplied to the cathode side and hydrogen is supplied to the anode side, whereby electricity is generated by reacting these hydrogen and oxygen. In such a fuel cell, hydrogen is circulated and used for improving fuel consumption.

ところで、前記のような燃料電池においては、アノード側が水素を循環利用していることに加えてカソード側とは薄い電解膜だけで隔てられていることから、アノード側に電気化学反応によって生成された水や、空気中の二酸化炭素、窒素などの不純物が蓄積することがある。そして、これらの不純物が蓄積されると発電性能を下げる原因となるため、定期的に水素循環流路から水素を排出することで、その水素によって不純物を外部へパージ（排出）する必要がある。ただし、このように水素を不純物とともにパージするだけでは燃料である水素が無駄になるため、従来、燃料電池からパージされる水素を回収して、再利用させる水素再利用装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。   By the way, in the fuel cell as described above, since the anode side circulates and uses hydrogen, it is separated from the cathode side by only a thin electrolytic membrane, so that it is generated by an electrochemical reaction on the anode side. Impurities such as water, carbon dioxide and nitrogen in the air may accumulate. Since accumulation of these impurities causes a decrease in power generation performance, it is necessary to purge (discharge) the impurities to the outside with the hydrogen by periodically discharging the hydrogen from the hydrogen circulation passage. However, since hydrogen as a fuel is wasted simply by purging hydrogen together with impurities in this way, conventionally, a hydrogen recycling apparatus for recovering and reusing hydrogen purged from a fuel cell has been proposed ( For example, see Patent Document 1).

具体的に、この水素再利用装置は、燃料電池からパージされてくる水素ガス中に含まれる水分を除去するための除湿器と、この除湿器を介して送られてくる水素ガスを吸蔵するための水素吸蔵合金を備えたタンクと、これらの除湿器およびタンクを加熱するための電気式ヒータと、これらの除湿器およびタンクを冷却するための冷却水クーラとを主に備えている。そして、この水素再利用装置では、水素を回収する際に除湿器およびタンクを冷却水クーラで冷却することで、除湿器内の吸湿材に水素ガス中に含まれる水分を吸着させた後、この除湿された水素ガスをタンク内の水素吸蔵合金に吸蔵させている。また、水素を燃料電池へ戻す際には、除湿器およびタンクを電気式ヒータで加熱することで、タンク内の水素吸蔵合金から水素ガスを発生させ、かつ除湿器内の吸湿材から水蒸気を放出させて、加湿された水素ガスが燃料電池に供給されるようになっている。これにより、この水素再利用装置は、燃料電池からパージされる水素を回収して再利用できる構造となっている。   Specifically, this hydrogen recycling apparatus stores a dehumidifier for removing moisture contained in the hydrogen gas purged from the fuel cell and the hydrogen gas sent through the dehumidifier. A tank provided with the hydrogen storage alloy, an electric heater for heating the dehumidifier and the tank, and a cooling water cooler for cooling the dehumidifier and the tank are mainly provided. And in this hydrogen recycling apparatus, when recovering hydrogen, the dehumidifier and the tank are cooled with a cooling water cooler to adsorb moisture contained in the hydrogen gas to the hygroscopic material in the dehumidifier. The dehumidified hydrogen gas is stored in the hydrogen storage alloy in the tank. When returning hydrogen to the fuel cell, the dehumidifier and tank are heated with an electric heater to generate hydrogen gas from the hydrogen storage alloy in the tank and to release water vapor from the hygroscopic material in the dehumidifier. Thus, the humidified hydrogen gas is supplied to the fuel cell. As a result, this hydrogen recycling apparatus has a structure in which hydrogen purged from the fuel cell can be recovered and reused.

特開２００２−８６８８号公報（段落００１３〜００１５，００１８、図１）JP 2002-8688 (paragraphs 0013 to 0015, 0018, FIG. 1)

しかしながら、従来のような水素再利用装置では、除湿器を通った水素ガス中に水蒸気が残っている場合には、水素吸蔵合金で水素ガスを吸蔵していくにつれてタンク内の水蒸気分圧が上がっていくため、そのタンク内の水蒸気量が飽和水蒸気量に到達したときに水蒸気が液化して、水素吸蔵合金の表面に付着するおそれがあった。そして、このように水素吸蔵合金の表面に水が付着すると、水素ガスを吸蔵する効率が下がってしまうため、水素吸蔵合金の表面に水を付着させないようにする対策を講じる必要があった。また、水素ガスを再利用する際には、除湿器とタンクの双方を二つの電気式ヒータで別々に加熱する必要があるので、その分多くの電気エネルギを消費してしまう問題もあった。   However, in the conventional hydrogen recycling apparatus, when water vapor remains in the hydrogen gas that has passed through the dehumidifier, the water vapor partial pressure in the tank increases as the hydrogen gas is occluded by the hydrogen storage alloy. Therefore, when the water vapor amount in the tank reaches the saturated water vapor amount, the water vapor is liquefied and may adhere to the surface of the hydrogen storage alloy. When water adheres to the surface of the hydrogen storage alloy in this way, the efficiency of storing hydrogen gas is reduced, and it is necessary to take measures to prevent water from attaching to the surface of the hydrogen storage alloy. Further, when hydrogen gas is reused, both the dehumidifier and the tank need to be heated separately by two electric heaters, so that there is a problem that much electric energy is consumed.

そこで、本発明では、水素吸蔵合金への水の付着を防止することで、水素ガスの吸蔵効率の低下を防ぐことができる水素再利用装置および水素再利用方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a hydrogen recycling apparatus and a hydrogen recycling method that can prevent a decrease in hydrogen gas storage efficiency by preventing water from adhering to the hydrogen storage alloy.

前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、燃料電池のアノード側からパージされてくる水素ガスが通流するパージ流路と、前記パージ流路に設けられ、かつ前記水素ガスを吸蔵するための水素吸蔵合金が内蔵された回収用タンクと、を備え、前記水素吸蔵合金に吸蔵させた水素ガスを前記燃料電池に供給する水素再利用装置であって、前記回収用タンクには、前記水素ガス中に含まれる水分を吸着するための水吸着剤が内蔵されることを特徴とする。   The invention according to claim 1 of the present invention that solves the above-mentioned problems is provided with a purge passage through which hydrogen gas purged from the anode side of the fuel cell flows, the purge passage, and the hydrogen And a recovery tank containing a hydrogen storage alloy for storing gas, wherein the recovery tank supplies the hydrogen gas stored in the hydrogen storage alloy to the fuel cell. Includes a water adsorbent for adsorbing water contained in the hydrogen gas.

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池のアノード側から水素ガスをパージさせると、この水素ガスはパージ流路を通って回収用タンクに到達し、その内部の水素吸蔵合金に吸蔵されていく。この際、水素ガスの吸蔵に伴って回収用タンク内の湿度も上昇していき、その水素ガス中の水分が液化しようとするが、その水分は、液化する前に水吸着剤によって吸収される。   According to the first aspect of the present invention, when hydrogen gas is purged from the anode side of the fuel cell, the hydrogen gas reaches the recovery tank through the purge flow path and is occluded by the hydrogen storage alloy therein. To go. At this time, the humidity in the recovery tank also increases with the occlusion of hydrogen gas, and the water in the hydrogen gas tends to liquefy, but the moisture is absorbed by the water adsorbent before liquefying. .

請求項２に記載の発明は、燃料電池のアノード側からパージされる水素ガスを再利用するための水素再利用方法であって、前記燃料電池のアノード側から水素ガスをパージする第一ステップと、前記第一ステップにてパージされた水素ガスを水素吸蔵合金および水吸着剤を内蔵した回収用タンクに導入することで、前記水素ガスを前記水素吸蔵合金に吸蔵させ、かつ前記水素ガス中の水分を前記水吸着剤に吸着させる第二ステップと、前記回収用タンクを加熱することで、前記水素吸蔵合金から前記水素ガスを放出させ、かつ前記水吸着剤から水蒸気を放出させて、これらの混合気を前記燃料電池に戻す第三ステップと、を有することを特徴とする。   The invention according to claim 2 is a hydrogen recycling method for reusing hydrogen gas purged from the anode side of the fuel cell, the first step of purging hydrogen gas from the anode side of the fuel cell; The hydrogen gas purged in the first step is introduced into a recovery tank containing a hydrogen storage alloy and a water adsorbent so that the hydrogen gas is stored in the hydrogen storage alloy, and in the hydrogen gas A second step of adsorbing moisture on the water adsorbent, and heating the recovery tank to release the hydrogen gas from the hydrogen storage alloy and to release water vapor from the water adsorbent. And a third step of returning the air-fuel mixture to the fuel cell.

請求項２に記載の発明によれば、例えば燃料電池のアノード側から水素ガスをパージさせると（第一ステップ）、パージされた水素ガスに含まれる水分と水素ガスが回収用タンクに導入され、この回収用タンク内において水素ガスが水素吸蔵合金によって吸蔵され、水分が水吸着剤によって吸着される（第二ステップ）。なお、この際、水素ガスの吸蔵に伴って回収用タンク内の湿度も上昇していき、その水素ガス中の水分が液化しようとするが、その水分は、液化する前に水吸着剤によって吸収される。また、水素ガスの再利用時において回収用タンクを加熱させる（第三ステップ）と、回収用タンクから加湿された水素ガスが放出され、その水素ガスが燃料電池に戻る。   According to the invention described in claim 2, for example, when hydrogen gas is purged from the anode side of the fuel cell (first step), moisture and hydrogen gas contained in the purged hydrogen gas are introduced into the recovery tank, In the recovery tank, hydrogen gas is occluded by the hydrogen occlusion alloy, and moisture is adsorbed by the water adsorbent (second step). At this time, the humidity in the recovery tank also increases with the occlusion of hydrogen gas, and the water in the hydrogen gas tends to liquefy. However, the moisture is absorbed by the water adsorbent before liquefaction. Is done. Further, when the recovery tank is heated when the hydrogen gas is reused (third step), the humidified hydrogen gas is released from the recovery tank, and the hydrogen gas returns to the fuel cell.

請求項１に記載の発明によれば、回収用タンク内において水素吸蔵合金の水素ガスの吸蔵に伴って湿度が上昇して水蒸気が液化しようとしてもその水蒸気に含まれる水分は水吸着剤によって吸収されるので、水素吸蔵合金への水の付着を防止することができ、水素吸蔵合金の表面に液滴の水分が付着することによる水素吸蔵量（水素吸蔵効率）の低下などを防ぐことができる。   According to the first aspect of the present invention, even if the humidity rises as the hydrogen gas is occluded in the recovery tank and the water vapor is liquefied in the recovery tank, the water contained in the water vapor is absorbed by the water adsorbent. Therefore, it is possible to prevent water from adhering to the hydrogen storage alloy, and to prevent a decrease in the amount of hydrogen storage (hydrogen storage efficiency) due to liquid droplets adhering to the surface of the hydrogen storage alloy. .

請求項２に記載の発明によれば、回収用タンク内で水蒸気が液化しようとしてもその水蒸気に含まれる水分は水吸着剤によって吸収されるので、水素吸蔵合金への液滴の水の付着を防止することによる水素吸蔵量（水素吸蔵効率）の低下などを防ぐことができる。また、水素ガスを再利用する際には、一つの回収用タンクを加熱すればよいので、水素ガスの再利用時に必要な電気エネルギを少なくすることができる。   According to the second aspect of the present invention, even if the water vapor is liquefied in the recovery tank, the water contained in the water vapor is absorbed by the water adsorbent, so that the water droplets adhere to the hydrogen storage alloy. It is possible to prevent a decrease in hydrogen storage amount (hydrogen storage efficiency) due to the prevention. Further, when hydrogen gas is reused, it is only necessary to heat one recovery tank, so that electric energy required when hydrogen gas is reused can be reduced.

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本発明に係る水素再利用装置を備えた燃料電池自動車を示す平面図であり、図２は水素再利用装置を有する燃料電池システムを示す説明図である。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a plan view showing a fuel cell vehicle equipped with a hydrogen recycling apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing a fuel cell system having a hydrogen recycling apparatus.

図１に示すように、燃料電池自動車１には、その略中央部の床下に、燃料電池システムボックス２が配設されている。この燃料電池システムボックス２の内部には、燃料電池システム、すなわち温調器３、燃料電池スタック４、加湿器５、水素再利用装置６などが適所に配設されている。なお、燃料電池システムは、前記機器３〜６の他に燃料電池スタック４へ冷却水を供給するためのラジエータ（図示せず）や、図２に示す高圧水素容器７および燃料電池スタック４へ空気を供給するコンプレッサ８なども備えている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell vehicle 1 is provided with a fuel cell system box 2 under the floor at a substantially central portion thereof. Inside the fuel cell system box 2, a fuel cell system, that is, a temperature controller 3, a fuel cell stack 4, a humidifier 5, a hydrogen recycling device 6, and the like are disposed at appropriate positions. The fuel cell system includes a radiator (not shown) for supplying cooling water to the fuel cell stack 4 in addition to the devices 3 to 6, air to the high-pressure hydrogen container 7 and the fuel cell stack 4 shown in FIG. The compressor 8 etc. which supply are also provided.

図２に示すように、燃料電池スタック４は、高圧水素容器７に貯留された燃料となる水素ガスと、コンプレッサ８から供給される空気との電気化学反応により発電を行うものである。そして、燃料電池スタック４のアノード側には、その入口４ａに高圧水素容器７から燃料電池スタック４へ水素ガスを導くための水素供給配管９が接続され、その出口４ｂに水素ガスを再度燃料電池スタック４に戻すための循環用配管１０が接続されている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 4 generates power by an electrochemical reaction between hydrogen gas serving as fuel stored in the high-pressure hydrogen container 7 and air supplied from the compressor 8. Further, on the anode side of the fuel cell stack 4, a hydrogen supply pipe 9 for introducing hydrogen gas from the high-pressure hydrogen container 7 to the fuel cell stack 4 is connected to the inlet 4a, and the hydrogen gas is again supplied to the fuel cell to the outlet 4b. A circulation pipe 10 for returning to the stack 4 is connected.

水素供給配管９には、高圧水素容器７側から順に一次レギュレータＲ１、二次レギュレータＲ２および加湿器５が設けられている。一次レギュレータＲ１および二次レギュレータＲ２は、上流側から供給されてくる水素ガスの圧力を減圧させるための減圧弁である。そのため、高圧水素容器７から燃料電池スタック４までの圧力関係は、高圧水素容器７から一次レギュレータＲ１までが最も高く、その次に一次レギュレータＲ１から二次レギュレータＲ２までが高く、二次レギュレータＲ２から燃料電池スタック４までが最も低いといった関係になっている。   The hydrogen supply pipe 9 is provided with a primary regulator R1, a secondary regulator R2, and a humidifier 5 in order from the high-pressure hydrogen container 7 side. The primary regulator R1 and the secondary regulator R2 are pressure reducing valves for reducing the pressure of the hydrogen gas supplied from the upstream side. Therefore, the pressure relationship from the high-pressure hydrogen container 7 to the fuel cell stack 4 is highest from the high-pressure hydrogen container 7 to the primary regulator R1, then from the primary regulator R1 to the secondary regulator R2, and from the secondary regulator R2. The relationship is such that the fuel cell stack 4 is the lowest.

循環用配管１０は、燃料電池スタック４から排出される未使用の水素ガスを再度燃料電池スタック４に戻すべく、燃料電池スタック４の出口４ｂと水素供給配管９（加湿器５の下流側）とに接続されている。なお、この循環用配管１０には、図示は省略するが、水素ガスを循環させるためのエゼクタまたはポンプが適宜設けられている。また、この循環用配管１０には、その内部に溜まっている水素ガス中の不純物や燃料電池スタック４内で生成される水を含んだ水素ガスを水素再利用装置６へ排出するためのパージ水素配管（パージ流路）１１が接続されている。なお、この循環用配管１０内の水素ガスは、パージ水素配管１１の適所に設けられたパージ弁１２が図示せぬ制御装置により適宜開閉されることで、燃料電池スタック４のアノード側から水素再利用装置６へ間欠的にパージ（排出）されるようになっている。   The circulation pipe 10 includes an outlet 4b of the fuel cell stack 4 and a hydrogen supply pipe 9 (downstream of the humidifier 5) in order to return unused hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 4 to the fuel cell stack 4 again. It is connected to the. Although not shown, the circulation pipe 10 is appropriately provided with an ejector or a pump for circulating the hydrogen gas. In addition, the circulation pipe 10 is purged hydrogen for discharging hydrogen gas containing impurities in the hydrogen gas accumulated therein and water generated in the fuel cell stack 4 to the hydrogen recycling apparatus 6. A pipe (purge flow path) 11 is connected. The hydrogen gas in the circulation pipe 10 is regenerated from the anode side of the fuel cell stack 4 by appropriately opening and closing a purge valve 12 provided at an appropriate position of the purge hydrogen pipe 11 by a control device (not shown). It is intermittently purged (discharged) to the utilization device 6.

水素再利用装置６は、前記したパージ水素配管１１の他に、除湿器６１および回収用タンク６２を主に備えている。除湿器６１は、パージ水素配管１１から供給されてくる水素ガスを冷却することで、その水素ガスに含まれる水分を分離させるものである。具体的に、この除湿器６１は、その周囲が後記する冷却水クーラ６３Ｂによって冷却されることで、内部を通る水素ガスを冷却し、その中に含まれる水分を分離させる構造となっている。   The hydrogen recycling apparatus 6 mainly includes a dehumidifier 61 and a recovery tank 62 in addition to the purge hydrogen pipe 11 described above. The dehumidifier 61 separates moisture contained in the hydrogen gas by cooling the hydrogen gas supplied from the purge hydrogen pipe 11. Specifically, the dehumidifier 61 has a structure in which the periphery thereof is cooled by a cooling water cooler 63B described later, thereby cooling the hydrogen gas passing through the inside and separating the moisture contained therein.

回収用タンク６２には、水素ガスの吸蔵・放出が可能な粉末状の水素吸蔵合金６２ａと、水素ガス中に含まれる水分を吸着するための粉末状の水吸着剤６２ｂとが内蔵されている。水素吸蔵合金６２ａと水吸着剤６２ｂは、その質量比が約８：２となるような割合で混合されている。水素吸蔵合金６２ａは、所定の温度（第一温度）まで冷却されることで周囲の水素ガスを吸蔵することが可能となり、また、前記第一温度よりも高い所定の温度（第二温度）まで加熱されることで吸蔵していた水素を水素ガスとして放出することが可能となる性質を有している。なお、このような水素吸蔵合金６２ａとしては、例えば以下のようなものを使用することができる。
ＡＢ2型合金（ラーベス相合金）；ＴｉＣｒ2、（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｆｅ）2・・ＡＢ5型合金；ＬａＮｉ5、ＭｎＮｉ5・・ＢＣＣ系合金；Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｖ−Ｍｎ・・その他；Ｍｇ系合金 The recovery tank 62 contains a powdered hydrogen storage alloy 62a capable of storing and releasing hydrogen gas and a powdered water adsorbent 62b for adsorbing moisture contained in the hydrogen gas. . The hydrogen storage alloy 62a and the water adsorbent 62b are mixed at a ratio such that the mass ratio is about 8: 2. The hydrogen storage alloy 62a is capable of storing the surrounding hydrogen gas by being cooled to a predetermined temperature (first temperature), and to a predetermined temperature (second temperature) higher than the first temperature. It has the property that hydrogen that has been occluded by heating can be released as hydrogen gas. In addition, as such a hydrogen storage alloy 62a, the following can be used, for example.
AB 2 type alloy (Laves phase alloys); TiCr 2, (Zr, Ti) (Ni, Mn, V, Fe) 2 ·· AB 5 type alloys; LaNi 5, MnNi 5 ·· BCC alloys; Ti-V- Cr, Ti-V-Mn, etc .; Mg-based alloy

水吸着剤６２ｂは、所定の温度（第三温度）まで冷却されることで周囲の水分を吸着することが可能となり、また、前記第三温度よりも高い所定の温度（第四温度）まで加熱されることで吸着していた水分を水蒸気として放出することが可能となる性質を有している。さらに、この水吸着剤６２ｂは、図３に示すように、回収用タンク６２内の相対湿度が上がる程（水蒸気分圧が高くなる程）、多くの水分を吸着する性質を有しており、特に、相対湿度が所定値ＲＨ1以上になると急激に水分を吸着しやすくなる（水吸着量が増加する）性質を有している。また、これとは逆に、この水吸着剤６２ｂは、回収用タンク６２内の相対湿度が下がる程（水蒸気分圧が低くなる程）、多くの水分を放出する性質を有しており、特に、相対湿度が所定値ＲＨ1未満になると急激に水分を放出しやすくなる（水吸着量が減少する）性質を有している。 The water adsorbent 62b is capable of adsorbing ambient moisture by being cooled to a predetermined temperature (third temperature), and is heated to a predetermined temperature (fourth temperature) higher than the third temperature. Thus, the adsorbed moisture can be released as water vapor. Furthermore, as shown in FIG. 3, the water adsorbent 62b has a property of adsorbing more water as the relative humidity in the recovery tank 62 increases (as the water vapor partial pressure increases). in particular, the relative humidity is likely to rapidly adsorbs moisture becomes the RH 1 or more predetermined value (water adsorption amount increases) has a property. On the other hand, the water adsorbent 62b has a property of releasing more water as the relative humidity in the recovery tank 62 decreases (lower water vapor partial pressure). When the relative humidity is less than the predetermined value RH 1 , it has a property that moisture is easily released rapidly (the amount of water adsorption decreases).

なお、このような水吸着剤６２ｂとしては、例えばシリカゲル、ゼオライト、ゼオライトＺＥＯなどを用いることができる。また、前記した第一温度〜第四温度は、選ぶ材料により適宜変更することが可能であるため、具体的な数値に関しては特に言及しないこととする。   As such a water adsorbent 62b, for example, silica gel, zeolite, zeolite ZEO or the like can be used. In addition, the first temperature to the fourth temperature described above can be appropriately changed depending on the material selected, and therefore specific values are not particularly referred to.

また、図２に示すように、回収用タンク６２の近傍には、水素吸蔵合金６２ａおよび水吸着剤６２ｂを加熱するための電気式ヒータ６３Ａが設けられている。また、この回収用タンク６２と除湿器６１の近傍には、冷却水クーラ６３Ｂの吸熱部６３ａ，６３ｂが配設されている。ここで、冷却水クーラ６３Ｂは、冷却水が通る管をジグザグに屈曲（複数回屈曲）させることで形成される吸熱部６３ａ，６３ｂおよび放熱部６３ｃと、冷却水を循環させるための循環ポンプ６３ｄと、放熱部６３ｃを冷却するためのファン６３ｅとで主に構成されている。   Further, as shown in FIG. 2, an electric heater 63A for heating the hydrogen storage alloy 62a and the water adsorbent 62b is provided in the vicinity of the recovery tank 62. Further, in the vicinity of the recovery tank 62 and the dehumidifier 61, heat absorbing portions 63a and 63b of the cooling water cooler 63B are disposed. Here, the cooling water cooler 63B includes heat absorption portions 63a and 63b and a heat radiation portion 63c formed by bending (bending a plurality of times) a pipe through which the cooling water passes, and a circulation pump 63d for circulating the cooling water. And a fan 63e for cooling the heat dissipating part 63c.

さらに、回収用タンク６２には、その内部の水素吸蔵合金６２ａから放出させる水素ガスと、水吸着剤６２ｂから放出させる水蒸気との混合ガスを水素供給配管９（二次レギュレータＲ２と加湿器５の間）に戻すための戻し用配管６４が設けられている。そして、この戻し用配管６４には、回収用タンク６２から水素供給配管９への加湿された水素ガスの供給・停止を切り替えるための戻し用バルブ６４ａが設けられている。   Further, the recovery tank 62 is supplied with a mixed gas of hydrogen gas released from the hydrogen storage alloy 62a therein and water vapor released from the water adsorbent 62b in the hydrogen supply pipe 9 (secondary regulator R2 and humidifier 5). A return pipe 64 is provided for returning to (between). The return pipe 64 is provided with a return valve 64 a for switching supply / stop of the humidified hydrogen gas from the recovery tank 62 to the hydrogen supply pipe 9.

次に、前記した水素再利用装置６によって水素ガスを再利用する方法について図４〜図７を参照して詳細に説明する。参照する図面において、図４は回収用タンクに水素ガスを回収する方法を示す説明図であり、図５は水素回収時における回収用タンク内の水素ガス量、相対湿度および水吸着剤の吸収水分量と、時間との関係を示すグラフである。また、図６は回収用タンクから水素ガスを燃料電池スタックへ戻す方法を示す説明図であり、図７は水素放出時における回収用タンク内の水素ガス量、相対湿度および水吸着剤の吸収水分量と、時間との関係を示すグラフである。   Next, a method for reusing hydrogen gas by the hydrogen recycling apparatus 6 will be described in detail with reference to FIGS. In the drawings to be referred to, FIG. 4 is an explanatory view showing a method of recovering hydrogen gas in the recovery tank, and FIG. 5 is an amount of hydrogen gas in the recovery tank, relative humidity, and absorbed moisture of the water adsorbent during hydrogen recovery. It is a graph which shows the relationship between quantity and time. FIG. 6 is an explanatory view showing a method for returning hydrogen gas from the recovery tank to the fuel cell stack, and FIG. 7 shows the amount of hydrogen gas in the recovery tank, the relative humidity, and the moisture absorbed by the water adsorbent when hydrogen is released. It is a graph which shows the relationship between quantity and time.

最初に、回収用タンク６２内に水素ガスを回収する方法について説明する。なお、この方法においては、水素吸蔵合金６２ａは水素ガスを吸蔵しておらず、また水吸着剤６２ｂは水を吸着していない状態となっている。また、全てのバルブ（パージ弁１２、戻し用バルブ６４ａ）は、閉じられた状態となっている。   First, a method for recovering hydrogen gas in the recovery tank 62 will be described. In this method, the hydrogen storage alloy 62a does not store hydrogen gas, and the water adsorbent 62b does not absorb water. All the valves (purge valve 12 and return valve 64a) are closed.

図４に示すように、まず、一次レギュレータＲ１および二次レギュレータＲ２によって、高圧水素容器７から燃料電池スタック４へ水素ガスを減圧させながら供給する。なお、この際、水素ガスは加湿器５を通ることによって加湿された状態で燃料電池スタック４に供給される。このように燃料電池スタック４に供給されてきた水素ガスは、コンプレッサ８から供給されてくる空気と反応し、発電に寄与することとなる。また、この発電に寄与せずに未反応のまま燃料電池スタック４から出て行く水素ガスは、循環用配管１０を介して再度、燃料電池スタック４に戻される。   As shown in FIG. 4, first, hydrogen gas is supplied from the high-pressure hydrogen container 7 to the fuel cell stack 4 while being depressurized by the primary regulator R1 and the secondary regulator R2. At this time, the hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack 4 while being humidified by passing through the humidifier 5. Thus, the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 4 reacts with the air supplied from the compressor 8 and contributes to power generation. Further, the hydrogen gas that does not contribute to the power generation and leaves the fuel cell stack 4 without being reacted is returned to the fuel cell stack 4 again through the circulation pipe 10.

そして、燃料電池スタック４の単セルの電圧やタイマなどにより循環用配管１０内に不純物が溜まってきたと図示せぬ制御装置が判断すると、この制御装置はパージ弁１２を所定時間だけ開放させるためのパージ信号をパージ弁１２に出力する前に、冷却水クーラ６３Ｂの循環ポンプ６３ｄやファン６３ｅを駆動させるための駆動信号を冷却水クーラ６３Ｂに出力し、その後パージ信号を出力する。なお、本実施形態では、パージ信号を出力する前に駆動信号を出力するようにしたが、本発明はこれに限定されず、パージ信号の出力とほぼ同時、またはパージ信号を出力した後に駆動信号を出力するようにしてもよい。   When a control device (not shown) determines that impurities have accumulated in the circulation pipe 10 by the voltage of the single cell of the fuel cell stack 4 or a timer, the control device opens the purge valve 12 for a predetermined time. Before outputting the purge signal to the purge valve 12, a drive signal for driving the circulation pump 63d and the fan 63e of the cooling water cooler 63B is output to the cooling water cooler 63B, and then the purge signal is output. In this embodiment, the drive signal is output before the purge signal is output. However, the present invention is not limited to this, and the drive signal is output almost simultaneously with the output of the purge signal or after the purge signal is output. May be output.

冷却水クーラ６３Ｂが前記制御装置により駆動されると、除湿器６１と回収用タンク６２が冷却されていく。その後、パージ弁１２が前記制御装置により開放されると、図中の矢印Ａに示すように、循環用配管１０内の水素ガスは除湿器６１に向かってパージされ（第一ステップ）、この除湿器６１にて冷却されることで水素ガス中に含まれる水分が液化する。また、この除湿器６１から出て行く水素ガスおよび水は、回収用タンク６２内へ供給され、この回収用タンク６２内において、水素吸蔵合金６２ａによって水素ガスが吸蔵されるとともに、水吸着剤６２ｂによって水が吸着されることとなる（第二ステップ）。なお、この際、水素ガスの吸蔵に伴って回収用タンク６２内の相対湿度も上昇していき、その水素ガス中の水分が液化しようとするが、その水分は、液化する前に水吸着剤６２ｂによって吸収される。   When the cooling water cooler 63B is driven by the control device, the dehumidifier 61 and the recovery tank 62 are cooled. Thereafter, when the purge valve 12 is opened by the control device, the hydrogen gas in the circulation pipe 10 is purged toward the dehumidifier 61 (first step) as shown by an arrow A in the figure (this first step). The water contained in the hydrogen gas is liquefied by being cooled in the vessel 61. Further, the hydrogen gas and water exiting from the dehumidifier 61 are supplied into the recovery tank 62, where the hydrogen gas is occluded by the hydrogen storage alloy 62a and the water adsorbent 62b. As a result, water is adsorbed (second step). At this time, as the hydrogen gas is occluded, the relative humidity in the recovery tank 62 also increases, and the moisture in the hydrogen gas tends to be liquefied. Absorbed by 62b.

また、このときの様子を図５に示すグラフを用いて説明すると、水素吸蔵合金６２ａに水素ガスが吸蔵されることで回収用タンク６２内の水素ガス量（水素吸蔵合金６２ａの周囲にある水素ガスの量）が減少していくと、回収用タンク６２内の相対湿度は上昇していく。この相対湿度が所定値ＲＨ1になると、水吸着剤６２ｂによる水分を吸着する能力が急激に上がるため（図３参照）、水吸着剤６２ｂが水分を吸収していく、すなわち水吸着剤６２ｂで吸収する水分量（吸収水分量）が増加していくことになる。そして、その結果、相対湿度が１００％に到達することなく所定値ＲＨ1に維持されることとなる。ちなみに、水吸着剤６２ｂを回収用タンク６２内に設けない従来の構造では、グラフに破線で示すように、相対湿度が所定時間後に１００％に到達し、結露してしまうことが分かる。 Further, the situation at this time will be described with reference to the graph shown in FIG. 5. The amount of hydrogen gas in the recovery tank 62 (hydrogen around the hydrogen storage alloy 62a) is stored by storing the hydrogen gas in the hydrogen storage alloy 62a. As the amount of gas) decreases, the relative humidity in the recovery tank 62 increases. When the relative humidity reaches a predetermined value RH 1, since the ability to adsorb moisture by water adsorbent 62b increases rapidly (see FIG. 3), the water adsorbent 62b is gradually absorbs moisture, i.e. water adsorbent 62b The amount of moisture to be absorbed (absorbed moisture amount) will increase. As a result, the relative humidity is maintained at the predetermined value RH 1 without reaching 100%. Incidentally, in the conventional structure in which the water adsorbent 62b is not provided in the recovery tank 62, as shown by the broken line in the graph, it can be seen that the relative humidity reaches 100% after a predetermined time and condensation occurs.

続いて、回収用タンク６２で回収した水素ガスを燃料電池スタック４に戻す方法について説明する。なお、この方法においては、水素吸蔵合金６２ａは既に水素ガスを吸蔵しており、かつ水吸着剤６２ｂは既に水を吸着している状態となっている。また、全てのバルブ（パージ弁１２、戻し用バルブ６４ａ）は、閉じられた状態となっている。   Next, a method for returning the hydrogen gas recovered in the recovery tank 62 to the fuel cell stack 4 will be described. In this method, the hydrogen storage alloy 62a has already stored hydrogen gas, and the water adsorbent 62b has already adsorbed water. All the valves (purge valve 12 and return valve 64a) are closed.

図６に示すように、まず、電気式ヒータ６３Ａを前記制御装置で起動することによって、回収用タンク６２内の水素吸蔵合金６２ａおよび水吸着剤６２ｂが加熱されることとなる。なお、この加熱時においては、前記した冷却水クーラ６３Ｂの循環ポンプ６３ｄやファン６３ｅを予め停止しておくのが望ましい。   As shown in FIG. 6, first, the electric heater 63A is activated by the control device, whereby the hydrogen storage alloy 62a and the water adsorbent 62b in the recovery tank 62 are heated. During this heating, it is desirable to stop the circulation pump 63d and the fan 63e of the cooling water cooler 63B in advance.

このように水素吸蔵合金６２ａおよび水吸着剤６２ｂが加熱されると、水素吸蔵合金６２ａから水素ガスが放出されるとともに、水吸着剤６２ｂから水蒸気が放出される。そして、このように水素ガスおよび水蒸気の放出が開始されたら、前記制御装置によって戻し用バルブ６４ａを開放させ、図中の矢印Ｂに示すように、回収用タンク６２内の水素ガスと水蒸気との混合気を水素供給配管９および加湿器５を介して燃料電池スタック４に戻す（第三ステップ）。なお、本実施形態では、水素ガスおよび水蒸気の放出を開始した後に、戻し用バルブ６４ａを開放させたが、本発明はこれに限定されず、水素ガスおよび水蒸気の放出の開始とほぼ同時、または水素ガスおよび水蒸気の放出前に戻し用バルブ６４ａを開放させるようにしてもよい。   When the hydrogen storage alloy 62a and the water adsorbent 62b are thus heated, hydrogen gas is released from the hydrogen storage alloy 62a and water vapor is released from the water adsorbent 62b. When the release of hydrogen gas and water vapor is started in this way, the return valve 64a is opened by the control device, and the hydrogen gas and water vapor in the recovery tank 62 are removed as shown by the arrow B in the figure. The air-fuel mixture is returned to the fuel cell stack 4 through the hydrogen supply pipe 9 and the humidifier 5 (third step). In the present embodiment, the return valve 64a is opened after starting the release of hydrogen gas and water vapor, but the present invention is not limited to this, or almost simultaneously with the start of the release of hydrogen gas and water vapor, or The return valve 64a may be opened before releasing hydrogen gas and water vapor.

また、このときの様子を図７に示すグラフを用いて説明すると、水素吸蔵合金６２ａから水素ガスが放出されることで回収用タンク６２内の水素ガス量が増加していくと、その内部の相対湿度は下がっていく。そして、この相対湿度が所定値ＲＨ1未満になると、水吸着剤６２ｂによる水分を放出する能力が急激に上がるため（図３参照）、この水吸着剤６２ｂから水分が出て行く、すなわち水吸着剤６２ｂに吸収していた水分量（吸収水分量）が減少していくことになる。 The situation at this time will be described with reference to the graph shown in FIG. 7. When the amount of hydrogen gas in the recovery tank 62 increases due to the release of hydrogen gas from the hydrogen storage alloy 62a, Relative humidity decreases. When the relative humidity is less than a predetermined value RH 1, since the ability to release moisture by water adsorbent 62b increases rapidly (see FIG. 3), the water exits from the water adsorbent 62b, i.e. water adsorption The amount of water absorbed by the agent 62b (absorbed water amount) will decrease.

以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
回収用タンク６２内において、水素吸蔵合金６２ａの水素ガスの吸蔵に伴って水蒸気が液化しようとしてもその水蒸気に含まれる水分は水吸着剤６２ｂによって吸収されるので、水素吸蔵合金６２ａへの水の付着を防止することができる。すなわち、水素吸蔵合金６２ａの近傍において水吸着剤６２ｂで水分を吸収するので、水素吸蔵合金６２ａの表面での結露を防止することができ、水素吸蔵合金６２ａの水素吸蔵量の減少を抑制することができる。 According to the above, the following effects can be obtained in the present embodiment.
In the recovery tank 62, even if the water vapor is liquefied as the hydrogen gas is occluded in the hydrogen storage alloy 62a, the water contained in the water vapor is absorbed by the water adsorbent 62b, so that the water to the hydrogen storage alloy 62a is absorbed. Adhesion can be prevented. That is, since water is absorbed by the water adsorbent 62b in the vicinity of the hydrogen storage alloy 62a, condensation on the surface of the hydrogen storage alloy 62a can be prevented, and the decrease in the hydrogen storage amount of the hydrogen storage alloy 62a can be suppressed. Can do.

また、水素ガスを再利用する際には、一つの回収用タンク６２を一つの電気式ヒータ６３Ａで加熱すればよいので、従来のように除湿器用に別途電気式ヒータを設ける必要がなくなり、水素ガスの再利用時に必要な電気エネルギを少なくすることができる。さらに、回収用タンク６２内の水吸着剤６２ｂによって水分を回収するため、除湿器６１の性能を極限まで高くする必要がなくなり、除湿器６１のエネルギ消費、重量、体積を小さくすることが可能となる。また、加熱手段としては、電気式ヒータのみに限定されるものではなく、例えばペルチェ素子などの他の加熱手段を適宜選択することができる。   Further, when hydrogen gas is reused, it is only necessary to heat one recovery tank 62 with one electric heater 63A, so that it is not necessary to provide a separate electric heater for the dehumidifier as in the prior art. It is possible to reduce the electric energy required when reusing the gas. Furthermore, since water is recovered by the water adsorbent 62b in the recovery tank 62, it is not necessary to increase the performance of the dehumidifier 61 to the limit, and the energy consumption, weight, and volume of the dehumidifier 61 can be reduced. Become. Further, the heating means is not limited to the electric heater, and other heating means such as a Peltier element can be appropriately selected.

以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、除湿器６１を水素ガス中に含まれる水分を冷却することで液化させるだけの構造としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、この除湿器６１の下部に液化された水を受け止めるためのドレンキャッチや、このドレンキャッチから適宜水を排出させるためのドレンバルブなどを設けてもよい。また、特に除湿器を設けずに、回収用タンク６２に収容した水吸着剤６２ｂの分量（水吸着剤６２ｂと水素吸蔵合金６２ａとの比率）を調整することで、パージした水素ガス中の水を回収用タンク６２内の水吸着剤６２ｂのみで回収することも可能である。 As mentioned above, this invention is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.
In the present embodiment, the dehumidifier 61 is configured to be liquefied by cooling the moisture contained in the hydrogen gas, but the present invention is not limited to this. For example, a drain catch for catching liquefied water at the lower part of the dehumidifier 61, a drain valve for appropriately discharging water from the drain catch, and the like may be provided. Further, the water in the purged hydrogen gas is adjusted by adjusting the amount of the water adsorbent 62b (the ratio of the water adsorbent 62b and the hydrogen storage alloy 62a) accommodated in the recovery tank 62 without providing a dehumidifier. It is also possible to recover the water using only the water adsorbent 62b in the recovery tank 62.

本実施形態では、戻し用配管６４の出口を加湿器５の上流側に接続したが、本発明はこれに限定されず、加湿器５の下流側に接続してもよい。このように加湿器５の下流側に接続したとしても、回収用タンク６２から排出される水素ガスは加湿されているので、この水素ガスを燃料電池スタック４において良好に使用することができる。   In the present embodiment, the outlet of the return pipe 64 is connected to the upstream side of the humidifier 5, but the present invention is not limited to this and may be connected to the downstream side of the humidifier 5. Even when connected to the downstream side of the humidifier 5 in this way, the hydrogen gas discharged from the recovery tank 62 is humidified, so that the hydrogen gas can be used favorably in the fuel cell stack 4.

本実施形態では、回収用タンク６２を一つだけ設けたが、本発明はこれに限定されず、回収用タンクはいくつ設けてもよい。ただし、この場合は、回収用タンクの数に応じて構造を適宜変更する必要がある。例えば、図８に示すように、回収用タンク６２を二つ設けた場合は、新しく設けた回収用タンク６２（図示下側のタンク）にも本実施形態と同様の戻し用配管６４、戻し用バルブ６４ａ、電気式ヒータ６３Ａおよび冷却水クーラ６３Ｂの吸熱部６３ａを設ける必要がある。さらに、除湿器６１と二つの回収用タンク６２の間に出口側が二つに分岐した分岐配管６５を設け、かつ分岐配管６５の二個所の分岐部６５ａにそれぞれ水素ガス供給バルブ６５ｂを設ける必要がある。   In the present embodiment, only one collection tank 62 is provided, but the present invention is not limited to this, and any number of collection tanks may be provided. However, in this case, it is necessary to appropriately change the structure according to the number of collection tanks. For example, as shown in FIG. 8, when two recovery tanks 62 are provided, a return pipe 64 and a return pipe similar to those of the present embodiment are also provided in a newly provided recovery tank 62 (lower tank in the figure). It is necessary to provide the heat absorption part 63a of the valve 64a, the electric heater 63A, and the cooling water cooler 63B. Further, it is necessary to provide a branch pipe 65 having two outlet branches between the dehumidifier 61 and the two recovery tanks 62, and to provide hydrogen gas supply valves 65b at two branch portions 65a of the branch pipe 65, respectively. is there.

このような構造によれば、水素回収時において、一方の回収用タンク６２が水素ガスを最大限回収した状態となっていたとしても、適宜水素ガス供給バルブ６５ｂの開閉を制御することにより他方の回収用タンク６２内で水素ガスを回収することができる。また、水素再利用時においては、水素ガスを回収した状態となっている方の回収用タンク６２のみを一つの電気式ヒータ６３Ａで加熱すればよいので、本実施形態と同様に電力エネルギを少なくすることができる。   According to such a structure, even when one of the recovery tanks 62 has recovered hydrogen gas to the maximum extent at the time of hydrogen recovery, by appropriately controlling the opening and closing of the hydrogen gas supply valve 65b, Hydrogen gas can be recovered in the recovery tank 62. Further, when hydrogen is reused, only the recovery tank 62 that has recovered hydrogen gas needs to be heated by one electric heater 63A, so that the power energy is reduced as in the present embodiment. can do.

本発明に係る水素再利用装置を備えた燃料電池自動車を示す平面図である。It is a top view which shows the fuel cell vehicle provided with the hydrogen reuse apparatus which concerns on this invention. 水素再利用装置を有する燃料電池システムを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the fuel cell system which has a hydrogen reuse apparatus. 吸着剤による水の吸着量と、相対湿度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the adsorption amount of water by an adsorbent, and relative humidity. 回収用タンクに水素ガスを回収する方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the method of collect | recovering hydrogen gas to the tank for collection | recovery. 水素回収時における回収用タンク内の水素ガス量、相対湿度および水吸着剤の吸収水分量と、時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of hydrogen gas in the tank for collection | recovery at the time of hydrogen collection | recovery, relative humidity, the absorbed moisture amount of a water adsorbent, and time. 回収用タンクから水素ガスを燃料電池スタックへ戻す方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the method of returning hydrogen gas from a recovery tank to a fuel cell stack. 水素放出時における回収用タンク内の水素ガス量、相対湿度および水吸着剤の吸収水分量と、時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of hydrogen gas in the tank for collection | recovery at the time of hydrogen discharge | release, relative humidity, the absorbed moisture amount of a water adsorbent, and time. 本発明の他の実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

４ 燃料電池スタック
６ 水素再利用装置
１１ パージ水素配管（パージ流路）
６１ 除湿器
６２ 回収用タンク
６２ａ 水素吸蔵合金
６２ｂ 水吸着剤 4 Fuel cell stack 6 Hydrogen recycling device 11 Purge hydrogen piping (purge flow path)
61 Dehumidifier 62 Recovery tank 62a Hydrogen storage alloy 62b Water adsorbent

Claims (2)

燃料電池のアノード側からパージされてくる水素ガスが通流するパージ流路と、
前記パージ流路に設けられ、かつ前記水素ガスを吸蔵するための水素吸蔵合金が内蔵された回収用タンクと、を備え、
前記水素吸蔵合金に吸蔵させた水素ガスを前記燃料電池に供給する水素再利用装置であって、
前記回収用タンクには、前記水素ガス中に含まれる水分を吸着するための水吸着剤が内蔵されることを特徴とする水素再利用装置。 A purge passage through which hydrogen gas purged from the anode side of the fuel cell flows;
A recovery tank provided in the purge flow path and containing a hydrogen storage alloy for storing the hydrogen gas;
A hydrogen recycling apparatus for supplying hydrogen gas stored in the hydrogen storage alloy to the fuel cell,
The hydrogen recycling apparatus, wherein the recovery tank contains a water adsorbent for adsorbing moisture contained in the hydrogen gas. 燃料電池のアノード側からパージされる水素ガスを再利用するための水素再利用方法であって、
前記燃料電池のアノード側から水素ガスをパージする第一ステップと、
前記第一ステップにてパージされた水素ガスを水素吸蔵合金および水吸着剤を内蔵した回収用タンクに導入することで、前記水素ガスを前記水素吸蔵合金に吸蔵させ、かつ前記水素ガス中の水分を前記水吸着剤に吸着させる第二ステップと、
前記回収用タンクを加熱することで、前記水素吸蔵合金から前記水素ガスを放出させ、かつ前記水吸着剤から水蒸気を放出させて、これらの混合気を前記燃料電池に戻す第三ステップと、を有することを特徴とする水素再利用方法。 A hydrogen recycling method for recycling hydrogen gas purged from the anode side of a fuel cell,
A first step of purging hydrogen gas from the anode side of the fuel cell;
By introducing the hydrogen gas purged in the first step into a recovery tank containing a hydrogen storage alloy and a water adsorbent, the hydrogen storage alloy stores the hydrogen gas, and moisture in the hydrogen gas A second step of adsorbing to the water adsorbent;
A third step of heating the recovery tank to release the hydrogen gas from the hydrogen storage alloy and to release water vapor from the water adsorbent to return the mixture to the fuel cell; A hydrogen recycling method characterized by comprising:
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