JP2007073394A - Fuel cell system - Google Patents

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Tomohiro Iihara
智宏 飯原
Megumi Ito
恵 伊藤
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Idemitsu Kosan Co Ltd
Corona Corp
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Idemitsu Kosan Co Ltd
Corona Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of preventing reverse flow of water to a tank used for circulation of water inside the fuel cell system and enhancing the degree of freedom of a layout of the tank in the fuel cell system. <P>SOLUTION: The fuel cell system is equipped with an anode side gas-water separation tank 10 for separating water from anode offgas in a fuel cell stack 3, a cathode side gas-water separation tank 20 for separating water from cathode offgas of the fuel cell stack 3, a supply pipe 21 for supplying water in the cathode side gas-water separation tank 20 to the fuel cell stack 3, and a communication pipe 11 for supplying water in the anode side gas-water separation tank 10 to the supply pipe 21, and pumps 22a, 23a are installed in the supply pipe 21, and the communication pipe 11 is communicated with the supply pipe 21 on the suction sides of the pumps 22a, 23a. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、空気を燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that generates power in a fuel cell stack by supplying fuel gas containing hydrogen to the anode electrode of the fuel cell stack and supplying air to the cathode electrode of the fuel cell stack.

水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムとしては、炭化水素燃料である灯油燃料を改質器に供給して水素を含有する燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、反応ガスとして空気を燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、燃料電池スタック内で水素と酸素を電気化学反応させて発電を行うように構成された燃料電池システムがある。   As a fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, kerosene fuel, which is a hydrocarbon fuel, is supplied to a reformer to generate a fuel gas containing hydrogen, and this fuel gas is used in the fuel cell stack. A fuel cell system configured to generate electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen in the fuel cell stack by supplying air to the anode electrode and supplying air as a reaction gas to the cathode electrode of the fuel cell stack. is there.

このような燃料電池システムでは、灯油燃料とともに改質器に供給する水蒸気、燃料電池スタック内の電解質膜を加湿するための加湿水、燃料電池スタックを冷却するための冷却水として、市水をイオン交換樹脂に通過させて処理したイオン交換水を用いている。
イオン交換樹脂は、使用回数や水質に伴って劣化するため、燃料電池システム内でイオン交換水を循環させ、イオン交換樹脂によるイオン交換水の生成回数を減らすことにより、イオン交換樹脂を使用可能な期間を延長している。 In such a fuel cell system, the city water is ionized as steam supplied to the reformer together with kerosene fuel, humidified water for humidifying the electrolyte membrane in the fuel cell stack, and cooling water for cooling the fuel cell stack. Ion exchange water treated by passing through an exchange resin is used.
Since the ion exchange resin deteriorates with the number of uses and water quality, the ion exchange resin can be used by circulating the ion exchange water in the fuel cell system and reducing the number of times the ion exchange water is generated by the ion exchange resin. The period has been extended.

そして、燃料電池システム内でイオン交換水を循環させるため、図７に示す従来の燃料電池システム５０では、燃料電池スタック３のアノード極３ａから排出されたアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンク６０と、燃料電池スタック３のカソード極３ｂから排出されたカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンク７０とを設け、アノード側気水分離タンク６０から延設された連絡管６１を通じて、アノード側気水分離タンク６０内の水をカソード側気水分離タンク７０内に供給し、カソード側気水分離タンク７０内から改質器に水を供給するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１３４１４５号公報（段落００２２〜００２３、図１） In order to circulate the ion-exchanged water in the fuel cell system, in the conventional fuel cell system 50 shown in FIG. 7, the anode side air / water that separates water from the anode off-gas discharged from the anode electrode 3a of the fuel cell stack 3 A separation tank 60 and a cathode-side air / water separation tank 70 for separating water from the cathode offgas discharged from the cathode electrode 3 b of the fuel cell stack 3 are provided, and a communication pipe 61 extending from the anode-side air / water separation tank 60 is provided. Through, the water in the anode-side air / water separation tank 60 is supplied into the cathode-side air / water separation tank 70, and the water is supplied from the cathode-side air / water separation tank 70 to the reformer (for example, , See Patent Document 1).
JP 2002-134145 A (paragraphs 0022 to 0023, FIG. 1)

しかしながら、前記した従来の燃料電池システム５０では、連絡管６１に設けられた電磁弁６２を開けたときに、カソード側気水分離タンク７０の内圧がアノード側気水分離タンク６０の内圧よりも高い場合には、カソード側気水分離タンク７０内の水がアノード側気水分離タンク６０内に逆流してしまう可能性がある。
アノード側気水分離タンク６０では、水と分離したアノードオフガスを改質器のバーナに供給しており、アノード側気水分離タンク６０内に水が逆流して水位が上昇した場合には、アノードオフガスの供給管内に水が流入して、バーナの燃焼が停止してしまうという問題がある。 However, in the conventional fuel cell system 50 described above, when the electromagnetic valve 62 provided in the communication pipe 61 is opened, the internal pressure of the cathode-side air / water separation tank 70 is higher than the internal pressure of the anode-side air / water separation tank 60. In this case, there is a possibility that the water in the cathode-side air / water separation tank 70 flows backward into the anode-side air / water separation tank 60.
In the anode-side air / water separation tank 60, the anode off-gas separated from the water is supplied to the burner of the reformer, and when the water flows back into the anode-side air / water separation tank 60 and the water level rises, There is a problem in that water flows into the off-gas supply pipe and combustion of the burner stops.

さらに、アノード側気水分離タンク６０内の水位の上昇に伴って、アノード側気水分離タンク６０の内圧が上昇し、アノード側気水分離タンク６０内と連通している燃料電池スタック３のアノード極３ａの内圧が許容圧力を超えてしまうという問題がある。   Further, as the water level in the anode-side air / water separation tank 60 rises, the internal pressure of the anode-side air / water separation tank 60 increases, and the anode of the fuel cell stack 3 communicating with the anode-side air / water separation tank 60 communicates. There is a problem that the internal pressure of the pole 3a exceeds the allowable pressure.

そこで、従来の燃料電池システム５０では、カソード側気水分離タンク７０内の水がアノード側気水分離タンク６０内に逆流してしまうことを防ぐために、アノード側気水分離タンク６０をカソード側気水分離タンク７０よりも上方に配置している。そのため、燃料電池システム５０内の各タンク６０，７０のレイアウトが限定されてしまうため、燃料電池システム５０の小型化が妨げられている。   Therefore, in the conventional fuel cell system 50, in order to prevent the water in the cathode-side air / water separation tank 70 from flowing back into the anode-side air / water separation tank 60, the anode-side air / water separation tank 60 is connected to the cathode-side air / water separation tank 60. It is arranged above the water separation tank 70. Therefore, the layout of the tanks 60 and 70 in the fuel cell system 50 is limited, so that the fuel cell system 50 is prevented from being downsized.

なお、連絡管６１にチェックバルブを設けることにより、アノード側気水分離タンク６０への水の逆流を防ぐことができるが、チェックバルブを設けた場合には、アノード側気水分離タンク６０の内圧をカソード側気水分離タンク７０の内圧よりも高くする必要があり、アノード側気水分離タンク６０からバーナに供給されるアノードオフガスの圧力や、燃料電池スタック３のアノード極３ａの内圧に影響が生じてしまうため、連絡管６１にチェックバルブを設けることができなくなっている。   In addition, by providing a check valve in the communication pipe 61, it is possible to prevent water from flowing back to the anode-side air / water separation tank 60. However, when a check valve is provided, the internal pressure of the anode-side air / water separation tank 60 is reduced. Needs to be higher than the internal pressure of the cathode-side air / water separation tank 70, and the pressure of the anode off-gas supplied from the anode-side air / water separation tank 60 to the burner and the internal pressure of the anode 3a of the fuel cell stack 3 are affected. As a result, a check valve cannot be provided in the communication pipe 61.

本発明では、前記した問題を解決し、燃料電池システム内の水の循環に用いられるタンクへの水の逆流を防ぐことができ、燃料電池システム内のタンクのレイアウトの自由度を向上させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。   In the present invention, the above-mentioned problems can be solved, water can be prevented from flowing back to the tank used for the circulation of water in the fuel cell system, and the degree of freedom of the layout of the tank in the fuel cell system can be improved. It is an object to provide a fuel cell system that can be used.

前記課題を解決するため、本発明は、水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、空気を燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックのアノード極から排出されたアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンクと、燃料電池スタックのカソード極から排出されたカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンクと、カソード側気水分離タンク内の水を燃料電池スタックに供給するための供給管と、アノード側気水分離タンク内の水を供給管に供給するための連絡管とを備え、供給管には、カソード側気水分離タンク内の水を送り出す供給ポンプが設けられており、連絡管は、供給ポンプのサクション側で供給管に連通していることを特徴としている。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention generates power in a fuel cell stack by supplying a fuel gas containing hydrogen to the anode electrode of the fuel cell stack and supplying air to the cathode electrode of the fuel cell stack. In the fuel cell system, an anode-side air / water separation tank that separates water from the anode off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell stack, and a cathode-side air that separates water from the cathode off-gas discharged from the cathode electrode of the fuel cell stack. A water separation tank, a supply pipe for supplying water in the cathode-side air / water separation tank to the fuel cell stack, and a communication pipe for supplying water in the anode-side air / water separation tank to the supply pipe, The supply pipe is provided with a supply pump that feeds water in the cathode-side air / water separation tank, and the communication pipe is connected to the supply pump. It is characterized by communicating with the supply tube at transfection side.

このように、カソード側気水分離タンク内の水を燃料電池スタックに供給するための供給管と、アノード側気水分離タンク内の水を供給管に供給するための連絡管とを、供給管に設けられた供給ポンプのサクション側で連通させることにより、供給ポンプの吸い込みによって連絡管内に負圧が生じて、アノード側気水分離タンク内の水が吸い出されるため、アノード側気水分離タンクへの水の逆流を防ぐことができる。
これにより、アノード側気水分離タンクへの水の逆流を防ぐために、アノード側気水分離タンクをカソード側気水分離タンクよりも高い位置に配置する必要がなくなり、燃料電池システム内のタンクのレイアウトの自由度が向上するため、燃料電池システムを小型化することができる。 Thus, a supply pipe for supplying water in the cathode-side air / water separation tank to the fuel cell stack, and a communication pipe for supplying water in the anode-side air / water separation tank to the supply pipe, By connecting on the suction side of the supply pump provided in the pump, negative pressure is generated in the connecting pipe by suction of the supply pump, and water in the anode-side air / water separation tank is sucked out, so the anode-side air / water separation tank Can prevent backflow of water into the.
This eliminates the need to place the anode-side air / water separation tank higher than the cathode-side air / water separation tank in order to prevent water from flowing back to the anode-side air / water separation tank, and the layout of the tank in the fuel cell system. Therefore, the fuel cell system can be downsized.

前記した燃料電池システムにおいて、供給管は、燃料電池スタック内を加湿するための加湿水および燃料電池スタックを冷却するための冷却水を供給するように構成することができる。   In the fuel cell system described above, the supply pipe can be configured to supply humidified water for humidifying the inside of the fuel cell stack and cooling water for cooling the fuel cell stack.

このように、燃料電池スタックの加湿水および燃料電池スタックの冷却水を供給するように供給管を構成することにより、カソード側気水分離タンクは、加湿水の貯留タンクおよび冷却水の貯留タンクとしての役割を兼ねることになり、燃料電池システム内のタンクの個数を減らすことができるため、燃料電池システムを小型化および軽量化することができる。   In this way, by configuring the supply pipe so as to supply the humidified water of the fuel cell stack and the cooling water of the fuel cell stack, the cathode-side air-water separation tank serves as a humidified water storage tank and a cooling water storage tank. Since the number of tanks in the fuel cell system can be reduced, the fuel cell system can be reduced in size and weight.

前記した燃料電池システムにおいて、炭化水素燃料から燃料ガスを生成する改質器が設けられており、供給管は、カソード側気水分離タンク内の水を改質器に供給するように分岐して構成することができる。   In the fuel cell system described above, a reformer that generates fuel gas from hydrocarbon fuel is provided, and the supply pipe branches to supply water in the cathode-side air / water separation tank to the reformer. Can be configured.

このように、改質器に水を供給するように供給管を分岐して構成することにより、カソード側気水分離タンクは、燃料電池スタックに供給される水の貯留タンクと、改質器に供給される水の貯留タンクとしての役割を兼ねることになり、燃料電池システム内のタンクの個数を減らすことができるため、燃料電池システムを小型化および軽量化することができる。   In this way, by branching the supply pipe so as to supply water to the reformer, the cathode-side air / water separation tank is provided with a storage tank for water supplied to the fuel cell stack and a reformer. This also serves as a storage tank for the supplied water, and the number of tanks in the fuel cell system can be reduced. Therefore, the fuel cell system can be reduced in size and weight.

前記課題を解決するため、本発明の他の構成としては、水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、空気を燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムにおいて、炭化水素燃料から燃料ガスを生成する改質器と、燃料電池スタックのアノード極から排出されたアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンクと、燃料電池スタックのカソード極から排出されたカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンクと、カソード側気水分離タンク内の水を改質器に供給するための供給管と、アノード側気水分離タンク内の水を供給管に供給するための連絡管とを備え、供給管には、カソード側気水分離タンク内の水を送り出す供給ポンプが設けられており、連絡管は、供給ポンプのサクション側で供給管に連通していることを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, another configuration of the present invention is to supply a fuel gas containing hydrogen to the anode electrode of the fuel cell stack and supply air to the cathode electrode of the fuel cell stack, thereby In a fuel cell system that generates power in a stack, a reformer that generates fuel gas from hydrocarbon fuel, an anode-side air / water separation tank that separates water from anode off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell stack, and fuel A cathode-side air / water separation tank for separating water from the cathode off-gas discharged from the cathode electrode of the battery stack, a supply pipe for supplying water in the cathode-side air / water separation tank to the reformer, and an anode-side air / water And a communication pipe for supplying the water in the separation tank to the supply pipe, and the water in the cathode side air-water separation tank is sent out to the supply pipe Feed pump is provided, the communication pipe, is characterized by communicating with the supply tube at the suction side of the feed pump.

このように、カソード側気水分離タンク内の水を改質器に供給するための供給管と、アノード側気水分離タンク内の水を供給管に供給するための連絡管とを、供給管に設けられた供給ポンプのサクション側で連通させることにより、供給ポンプの吸い込みによって連絡管内に負圧が生じて、アノード側気水分離タンク内の水が吸い出されるため、アノード側気水分離タンクへの水の逆流を防ぐことができる。
これにより、アノード側気水分離タンクへの水の逆流を防ぐために、アノード側気水分離タンクをカソード側気水分離タンクよりも高い位置に配置する必要がなくなり、燃料電池システム内のタンクのレイアウトの自由度が向上するため、燃料電池システムを小型化することができる。 Thus, a supply pipe for supplying water in the cathode-side air / water separation tank to the reformer, and a communication pipe for supplying water in the anode-side air / water separation tank to the supply pipe, By connecting on the suction side of the supply pump provided in the pump, negative pressure is generated in the communication pipe by suction of the supply pump, and water in the anode-side air-water separation tank is sucked out, so the anode-side air-water separation tank Can prevent backflow of water into the.
This eliminates the need for the anode-side air / water separation tank to be positioned higher than the cathode-side air / water separation tank in order to prevent the backflow of water to the anode-side air / water separation tank, and the layout of the tank in the fuel cell system. Therefore, the fuel cell system can be downsized.

本発明の燃料電池システムによれば、アノード側気水分離タンク内の水を供給管に供給するための連絡管を、供給管に設けられた供給ポンプのサクション側で連通させることにより、供給ポンプの吸い込みによって連絡管内に負圧が生じて、アノード側気水分離タンク内の水が吸い出されることになり、アノード側気水分離タンクへの水の逆流を防ぐことができるため、燃料電池システム内のタンクのレイアウトの自由度を向上させることができ、燃料電池システムを小型化することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the communication pipe for supplying the water in the anode-side air / water separation tank to the supply pipe is communicated with the suction side of the supply pump provided in the supply pipe, whereby the supply pump As a result, negative pressure is generated in the connecting pipe due to the suction of the water, and the water in the anode-side air / water separation tank is sucked out, so that the backflow of water to the anode-side air / water separation tank can be prevented. The degree of freedom in the layout of the internal tank can be improved, and the fuel cell system can be downsized.

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。
図１は、本実施形態の燃料電池システム全体を示した概略構成図である。図２は、本実施形態の燃料電池システムにおける水の循環経路を示した概略構成図である。
本実施形態では、家庭用の電力を供給する小型の燃料電池システムを想定して説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the entire fuel cell system of the present embodiment. FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a water circulation path in the fuel cell system of the present embodiment.
In the present embodiment, description will be made assuming a small fuel cell system for supplying household power.

［燃料電池システムの構成］
燃料電池システム１は、図１に示すように、炭化水素燃料である灯油燃料から水素を含有する燃料ガスを生成する燃料改質装置２と、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３で発電された直流電流を交流電流に変換するインバータ４とを備えている。 [Configuration of fuel cell system]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel reformer 2 that generates fuel gas containing hydrogen from kerosene fuel that is a hydrocarbon fuel, and a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The stack 3 includes an inverter 4 that converts a direct current generated by the fuel cell stack 3 into an alternating current.

［燃料改質装置の構成］
燃料改質装置２は、燃料電池システム１の外部から供給された灯油燃料中の硫黄を除去する脱硫器２ａと、硫黄が除去された灯油燃料を分解して水素を含有する燃料ガスを生成する改質器２ｂと、燃料ガスを生成するときに改質器２ｂで発生したＣＯ（一酸化炭素）と水から水素を取り出すとともに、燃料ガス中のＣＯの濃度を低下させるＣＯ変成器２ｃと、ＣＯ変成器２ｃを通過した燃料ガス中のＣＯの濃度を更に低下させるＣＯ除去器２ｄとから構成されている。この燃料改質装置２は、既存の装置を用いているため、詳細な説明は省略する。
また、燃料改質装置２で生成された燃料ガスは、燃料電池スタック３のアノード極３ａに供給される。 [Configuration of fuel reformer]
The fuel reformer 2 generates a fuel gas containing hydrogen by decomposing the kerosene fuel from which sulfur is removed in the kerosene fuel supplied from the outside of the fuel cell system 1 and desulfurizing the kerosene fuel from which sulfur is removed. A reformer 2b, a CO converter 2c that takes out hydrogen from CO (carbon monoxide) and water generated in the reformer 2b when generating the fuel gas, and lowers the concentration of CO in the fuel gas; The CO remover 2d further reduces the concentration of CO in the fuel gas that has passed through the CO converter 2c. Since this fuel reformer 2 uses an existing device, detailed description thereof is omitted.
Further, the fuel gas generated by the fuel reformer 2 is supplied to the anode electrode 3 a of the fuel cell stack 3.

なお、改質器２ｂが灯油燃料を改質するためには、改質器２ｂ内の触媒が約７００℃に加熱されている必要があるため、改質器２ｂを加熱するためのバーナ２ｅが設けられている。このバーナ２ｅは灯油燃料と空気の混合気を燃焼させる既存の燃焼装置である。   In order for the reformer 2b to reform kerosene fuel, the catalyst in the reformer 2b needs to be heated to about 700 ° C. Therefore, a burner 2e for heating the reformer 2b is provided. Is provided. The burner 2e is an existing combustion apparatus that burns a mixture of kerosene fuel and air.

［燃料電池スタックの構成］
燃料電池スタック３は、燃料改質装置２から燃料ガスが供給されるアノード極３ａと、反応ガスとして空気が供給されるカソード極３ｂとが形成されており、燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われ、発電した直流電流をインバータ４に出力するように構成されている。この燃料電池スタック３は、既存の装置を用いているため、詳細な説明は省略する。
また、燃料電池スタック３を冷却するための冷却器３ｃが設けられており、この冷却器３ｃから排出された冷却水は、熱交換器６で冷却された後に、再度、冷却部３ｃに供給され、燃料電池システム１内で循環するように構成されている。 [Configuration of fuel cell stack]
The fuel cell stack 3 includes an anode 3a to which fuel gas is supplied from the fuel reformer 2, and a cathode 3b to which air is supplied as a reaction gas. Hydrogen in the fuel gas and air Power generation is performed by an electrochemical reaction with oxygen, and the generated direct current is output to the inverter 4. Since this fuel cell stack 3 uses an existing device, detailed description thereof is omitted.
In addition, a cooler 3c for cooling the fuel cell stack 3 is provided, and the cooling water discharged from the cooler 3c is supplied to the cooling unit 3c again after being cooled by the heat exchanger 6. The fuel cell system 1 is configured to circulate.

燃料電池スタック３のアノード極３ａから排出されたアノードオフガスは、凝縮器７ａで冷却されて水分が凝縮された後に、アノード側気水分離タンク１０に供給され、このアノード側気水分離タンク１０内で水が分離される。アノードオフガスは水素を含有しているため、アノード側気水分離タンク１０から改質器２ｂを加熱するためのバーナ２ｅの燃焼部に供給されることにより、バーナ２ｅの燃料として燃焼されることになる。
一方、アノードオフガスから分離された水は、燃料電池スタック３内の電解質膜を加湿するための加湿水や改質器２ｂに供給される水として、燃料電池システム１内で循環することになる。 The anode off-gas discharged from the anode electrode 3a of the fuel cell stack 3 is cooled by the condenser 7a and condensed with water, and then supplied to the anode-side air / water separation tank 10. The water is separated. Since the anode off gas contains hydrogen, it is burned as fuel for the burner 2e by being supplied from the anode-side steam separation tank 10 to the combustion section of the burner 2e for heating the reformer 2b. Become.
On the other hand, the water separated from the anode off gas circulates in the fuel cell system 1 as humidified water for humidifying the electrolyte membrane in the fuel cell stack 3 or water supplied to the reformer 2b.

燃料電池スタック３のカソード極３ｂから排出されたカソードオフガスは、凝縮器７ｂで冷却されて水分が凝縮された後に、カソード側気水分離タンク２０に供給され、このカソード側気水分離タンク２０内で水が分離される。その後、カソードオフガスは燃料電池システム１の外部に排気されることになる。
一方、カソードオフガスから分離された水は、燃料電池スタック３内の電解質膜を加湿するための加湿水や改質器２ｂに供給される水として、燃料電池システム１内で循環することになる。 The cathode off-gas discharged from the cathode electrode 3b of the fuel cell stack 3 is cooled by the condenser 7b and condensed with water, and then supplied to the cathode-side air / water separation tank 20. The water is separated. Thereafter, the cathode off gas is exhausted to the outside of the fuel cell system 1.
On the other hand, the water separated from the cathode off gas circulates in the fuel cell system 1 as humidified water for humidifying the electrolyte membrane in the fuel cell stack 3 or water supplied to the reformer 2b.

［燃料電池システムにおける水の循環経路の構成］
燃料電池システム１では、燃料電池スタック３の電解質膜を加湿する加湿水や改質器２ｂに供給する水などの燃料電池システム１内で循環する水として、市水をイオン交換樹脂５に通過させて不純物を取り除いたイオン交換水を用いている。
このイオン交換樹脂５は、使用回数や水質に伴って劣化するため、イオン交換樹脂５によるイオン交換水の生成回数を減らすことにより、イオン交換樹脂５を使用可能な期間を延長する必要がある。
そこで、前記したように、アノード側気水分離タンク１０やカソード側気水分離タンク２０を用いて燃料電池スタック３のオフガスから水を分離して、燃料電池システム１内で循環させている。 [Configuration of water circulation path in fuel cell system]
In the fuel cell system 1, city water is passed through the ion exchange resin 5 as water circulating in the fuel cell system 1 such as humidified water for humidifying the electrolyte membrane of the fuel cell stack 3 or water supplied to the reformer 2 b. Ion exchange water from which impurities have been removed is used.
Since this ion exchange resin 5 deteriorates with the number of times of use and water quality, it is necessary to extend the period in which the ion exchange resin 5 can be used by reducing the number of times of ion exchange water generated by the ion exchange resin 5.
Therefore, as described above, the anode-side air / water separation tank 10 and the cathode-side air / water separation tank 20 are used to separate water from the off-gas of the fuel cell stack 3 and circulate it in the fuel cell system 1.

燃料電池システム１には、図２に示すように、カソード側気水分離タンク２０内の水を燃料電池スタック３および改質器２ｂに供給するための供給管２１と、アノード側気水分離タンク１０内の水を供給管２１に供給するための連絡管１１とが設けられている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell system 1 includes a supply pipe 21 for supplying water in the cathode-side air / water separation tank 20 to the fuel cell stack 3 and the reformer 2b, and an anode-side air / water separation tank. A communication pipe 11 for supplying water in the supply pipe 21 to the supply pipe 21 is provided.

供給管２１は、燃料電池スタック３に加湿水を供給するための加湿水用供給管２２と、改質器２ｂに水を供給するための改質器用供給管２３とに分岐している。
また、加湿水用供給管２２には、カソード側気水分離タンク２０内の水を燃料電池スタック３側に送り出す加湿水用ポンプ２２ａ（特許請求の範囲における「供給ポンプ」）が設けられている。
さらに、改質器用供給管２３には、カソード側気水分離タンク２０内の水を改質器２ｂ側に送り出す改質器用ポンプ２３ａ（特許請求の範囲における「供給ポンプ」）が設けられている。 The supply pipe 21 is branched into a humidification water supply pipe 22 for supplying humidified water to the fuel cell stack 3 and a reformer supply pipe 23 for supplying water to the reformer 2b.
Further, the humidifying water supply pipe 22 is provided with a humidifying water pump 22a (“supply pump” in the claims) for sending water in the cathode-side air / water separation tank 20 to the fuel cell stack 3 side. .
Further, the reformer supply pipe 23 is provided with a reformer pump 23a (a “supply pump” in the claims) that feeds the water in the cathode-side air / water separation tank 20 to the reformer 2b. .

加湿水用ポンプ２２ａおよび改質器用ポンプ２３ａは、加湿水用供給管２２と改質器用供給管２３の分岐箇所２４の下流側近傍に設けられており、この分岐箇所２４には、アノード側気水分離タンク１０から延設された連絡管１１が取り付けられている。すなわち、連絡管１１は、加湿水用ポンプ２２ａおよび改質器用ポンプ２３ａのサクション側（上流側）近傍で供給管２１に連通していることになる。
また、連絡管１１には電磁弁１２が設けられており、この電磁弁１２を開けることにより、アノード側気水分離タンク１０の水が供給管２１に供給されることになる。 The humidifying water pump 22a and the reformer pump 23a are provided near the downstream side of the branching point 24 of the humidifying water supply pipe 22 and the reformer supply pipe 23. A communication pipe 11 extending from the water separation tank 10 is attached. That is, the communication pipe 11 communicates with the supply pipe 21 in the vicinity of the suction side (upstream side) of the humidifying water pump 22a and the reformer pump 23a.
Further, the communication pipe 11 is provided with an electromagnetic valve 12. By opening the electromagnetic valve 12, the water in the anode-side air / water separation tank 10 is supplied to the supply pipe 21.

［燃料電池システムの作用効果］
以上のように構成された燃料電池システム１は次のような作用効果を奏する。
アノード側気水分離タンク１０内の水を供給管２１に供給するための連絡管１１を、加湿水用ポンプ２２ａおよび改質器用ポンプ２３ａのサクション側近傍で供給管２１に連通させることにより、加湿水用ポンプ２２ａおよび改質器用ポンプ２３ａの吸い込みによって連絡管１１内に負圧が生じて、アノード側気水分離タンク１０内の水が吸い出されるため、アノード側気水分離タンク１０への水の逆流を防ぐことができる。 [Function and effect of fuel cell system]
The fuel cell system 1 configured as described above has the following operational effects.
The connecting pipe 11 for supplying the water in the anode-side air / water separation tank 10 to the supply pipe 21 is connected to the supply pipe 21 in the vicinity of the suction side of the humidifying water pump 22a and the reformer pump 23a, thereby humidifying. The suction of the water pump 22a and the reformer pump 23a causes a negative pressure in the communication pipe 11, and the water in the anode-side steam / water separation tank 10 is sucked out. Can prevent backflow.

これにより、アノード側気水分離タンク１０への水の逆流を防ぐために、アノード側気水分離タンク１０をカソード側気水分離タンク２０よりも高い位置に配置する必要がなくなり、燃料電池システム１内の各タンク１０，２０のレイアウトの自由度が向上するため、燃料電池システム１を小型化することができる。   This eliminates the need to place the anode-side air / water separation tank 10 at a position higher than the cathode-side air / water separation tank 20 in order to prevent the backflow of water to the anode-side air / water separation tank 10. Since the degree of freedom of the layout of the tanks 10 and 20 is improved, the fuel cell system 1 can be reduced in size.

また、燃料電池スタック３および改質器２ｂに水を供給するように供給管２１を分岐して構成することにより、カソード側気水分離タンク２０は、燃料電池スタック３の加湿水の貯留タンクと、改質器２ｂに供給される水の貯留タンクとしての役割を兼ねることになり、燃料電池システム１内のタンクの個数を減らすことができるため、燃料電池システム１を小型化および軽量化することができる。   Further, the cathode side air / water separation tank 20 is configured to be a humidified water storage tank of the fuel cell stack 3 by branching the supply pipe 21 so as to supply water to the fuel cell stack 3 and the reformer 2b. Therefore, the fuel cell system 1 can be reduced in size and weight because it serves as a storage tank for water supplied to the reformer 2b and the number of tanks in the fuel cell system 1 can be reduced. Can do.

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。図３は、本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管、冷却水用供給管および改質器用供給管を設けた構成の概略構成図である。図４は、本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管およびスタック用供給管を設けた構成の概略構成図である。図５は、本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管および冷却水用供給管を設けた構成の概略構成図である。図６は、本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、改質器用供給管を設けた構成の概略構成図である。 [Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. FIG. 3 is a diagram showing another configuration in the fuel cell system of the present embodiment, and is a schematic configuration diagram of a configuration in which a humidifying water supply pipe, a cooling water supply pipe, and a reformer supply pipe are provided. FIG. 4 is a diagram showing another configuration in the fuel cell system of the present embodiment, and is a schematic configuration diagram of a configuration in which a humidifying water supply pipe and a stack supply pipe are provided. FIG. 5 is a diagram showing another configuration in the fuel cell system of the present embodiment, and is a schematic configuration diagram of a configuration in which a humidifying water supply pipe and a cooling water supply pipe are provided. FIG. 6 is a diagram showing another configuration of the fuel cell system of the present embodiment, and is a schematic configuration diagram of a configuration in which a reformer supply pipe is provided.

本実施形態では、図２に示すように、供給管２１は加湿水用供給管２２および改質器用供給管２３に分岐しており、その分岐箇所２４に連絡管１１が連通しているが、図３に示すように、加湿水用供給管２２および改質器用供給管２３とともに、燃料電池スタック３の冷却器３ｃ（図１参照）に冷却水を供給するための冷却水用供給管２５を、供給管２１の分岐箇所２４から分岐させることができる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the supply pipe 21 is branched into a humidifying water supply pipe 22 and a reformer supply pipe 23, and the communication pipe 11 is communicated with the branch point 24. As shown in FIG. 3, together with a humidifying water supply pipe 22 and a reformer supply pipe 23, a cooling water supply pipe 25 for supplying cooling water to the cooler 3c of the fuel cell stack 3 (see FIG. 1) is provided. , And can be branched from the branch point 24 of the supply pipe 21.

または、図４に示すように、冷却器３ｃに冷却水を供給するとともに、燃料電池スタック３内の電解質膜を加湿するためのスタック用供給管２６を供給管２１に形成することもできる。このスタック用供給管２６から冷却器３ｃに供給された水が、冷却器３ｃの下流側に設けられた加湿器８内でカソード極３ｂに供給される空気を加湿することにより、燃料電池スタック３内の電解質膜が加湿されるように構成されている。   Alternatively, as shown in FIG. 4, it is possible to supply the cooling water to the cooler 3 c and to form a stack supply pipe 26 for humidifying the electrolyte membrane in the fuel cell stack 3 in the supply pipe 21. The water supplied from the stack supply pipe 26 to the cooler 3c humidifies the air supplied to the cathode 3b in the humidifier 8 provided on the downstream side of the cooler 3c, whereby the fuel cell stack 3 The inner electrolyte membrane is configured to be humidified.

図３および図４に示す構成では、カソード側気水分離タンク２０は、燃料電池スタック３の加湿水の貯留タンクと、燃料電池スタック３の冷却水の貯留タンクと、改質器２ｂに供給される水の貯留タンクとしての役割を兼ねることになり、燃料電池システム１内のタンクの個数を減らすことができるため、燃料電池システム１を小型化および軽量化することができる。
また、冷却水用供給管２５およびスタック用供給管２６には、カソード側気水分離タンク２０内の水を燃料電池スタック３側に送り出すポンプ２５ａ，２６ａ（特許請求の範囲における「供給ポンプ」）が設けられており、このポンプ２５ａ，２６ａの吸い込みによって、連絡管１１内の負圧が高まるため、アノード側気水分離タンク１０内への水の逆流を確実に防ぐことができる。
特に、冷却水は、改質器２ｂに供給される水や加湿水と比較して供給量が多く、ポンプ２５ａ，２６ａの吸い込み力が大きくなっているため、連絡管１１内の負圧を十分に高めることができる。これにより、アノード側気水分離タンク１０内の水が確実に吸い出されるため、燃料電池システム１内におけるアノード側気水分離タンク１０のレイアウトの自由度が向上することになる。 In the configuration shown in FIGS. 3 and 4, the cathode-side air / water separation tank 20 is supplied to the humidified water storage tank of the fuel cell stack 3, the cooling water storage tank of the fuel cell stack 3, and the reformer 2b. This also serves as a water storage tank, and the number of tanks in the fuel cell system 1 can be reduced. Therefore, the fuel cell system 1 can be reduced in size and weight.
The cooling water supply pipe 25 and the stack supply pipe 26 are pumps 25a and 26a that send water in the cathode-side air / water separation tank 20 to the fuel cell stack 3 side ("supply pump" in the claims). Since the negative pressure in the communication pipe 11 is increased by the suction of the pumps 25a and 26a, the backflow of water into the anode-side air / water separation tank 10 can be reliably prevented.
In particular, the cooling water is supplied in a larger amount than the water or humidified water supplied to the reformer 2b, and the suction force of the pumps 25a and 26a is increased, so that the negative pressure in the communication pipe 11 is sufficiently increased. Can be increased. As a result, the water in the anode-side air / water separation tank 10 is reliably sucked out, and the degree of freedom in layout of the anode-side air / water separation tank 10 in the fuel cell system 1 is improved.

また、図５に示すように、供給管２１に加湿水用供給管２２（図２参照）を形成することなく、別のタンクから燃料電池スタック３に加湿水を供給してもよい。さらに、供給管２１に加湿水用供給管２２および冷却水用供給管２５の両方を形成することなく、一方を形成してもよい。   Further, as shown in FIG. 5, the humidified water may be supplied to the fuel cell stack 3 from another tank without forming the humidified water supply pipe 22 (see FIG. 2) in the supply pipe 21. Furthermore, one of the supply pipes 21 may be formed without forming both the humidification water supply pipe 22 and the cooling water supply pipe 25.

また、図６に示すように、供給管２１に改質器用供給管２３のみを形成し、別のタンクから燃料電池スタック３に加湿水や冷却水を供給するように構成することができる。   Further, as shown in FIG. 6, only the reformer supply pipe 23 may be formed in the supply pipe 21, and humidified water and cooling water may be supplied to the fuel cell stack 3 from another tank.

本実施形態の燃料電池システム全体を示した概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram illustrating an entire fuel cell system according to an embodiment. 本実施形態の燃料電池システムにおける水の循環経路を示した概略構成図である。It is the schematic block diagram which showed the circulation route of the water in the fuel cell system of this embodiment. 本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管、冷却水用供給管および改質器用供給管を設けた構成の概略構成図である。It is the figure which showed the other structure in the fuel cell system of this embodiment, and is a schematic block diagram of the structure which provided the supply pipe for humidification water, the supply pipe for cooling water, and the supply pipe for reformers. 本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管およびスタック用供給管を設けた構成の概略構成図である。It is the figure which showed the other structure in the fuel cell system of this embodiment, and is a schematic block diagram of the structure which provided the supply pipe for humidification, and the supply pipe for stacks. 本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管および冷却水用供給管を設けた構成の概略構成図である。It is the figure which showed the other structure in the fuel cell system of this embodiment, and is a schematic block diagram of the structure which provided the supply pipe for humidification water, and the supply pipe for cooling water. 本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、改質器用供給管を設けた構成の概略構成図である。It is the figure which showed the other structure in the fuel cell system of this embodiment, and is a schematic block diagram of the structure which provided the supply pipe | tube for reformers. 従来の燃料電池システムにおける水の循環経路を示した概略構成図である。It is the schematic block diagram which showed the circulation route of the water in the conventional fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池システム
２ 燃料改質装置
２ｂ 改質器
２ｅ バーナ
３ 燃料電池スタック
３ａ アノード極
３ｂ カソード極
１０ アノード側気水分離タンク
１１ 連絡管
２０ カソード側気水分離タンク
２１ 供給管
２２ 加湿水用供給管
２３ 改質器用供給管
２４ 分岐箇所
２５ 冷却水用供給管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Fuel reformer 2b Reformer 2e Burner 3 Fuel cell stack 3a Anode electrode 3b Cathode electrode 10 Anode side air / water separation tank 11 Connecting pipe 20 Cathode side air / water separation tank 21 Supply pipe 22 Supply for humidified water Pipe 23 Supply pipe for reformer 24 Branch point 25 Cooling water supply pipe

Claims (4)

水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、空気を前記燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、前記燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックのアノード極から排出されたアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンクと、
前記燃料電池スタックのカソード極から排出されたカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンクと、
前記カソード側気水分離タンク内の水を前記燃料電池スタックに供給するための供給管と、
前記アノード側気水分離タンク内の水を前記供給管に供給するための連絡管と、を備え、
前記供給管には、前記カソード側気水分離タンク内の水を送り出す供給ポンプが設けられており、
前記連絡管は、前記供給ポンプのサクション側で前記供給管に連通していることを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system for generating power in the fuel cell stack by supplying hydrogen-containing fuel gas to the anode electrode of the fuel cell stack and supplying air to the cathode electrode of the fuel cell stack,
An anode-side air / water separation tank that separates water from the anode off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell stack;
A cathode-side air / water separation tank for separating water from the cathode off-gas discharged from the cathode electrode of the fuel cell stack;
A supply pipe for supplying water in the cathode-side air / water separation tank to the fuel cell stack;
A communication pipe for supplying water in the anode-side air / water separation tank to the supply pipe,
The supply pipe is provided with a supply pump for sending water in the cathode-side air / water separation tank,
The fuel cell system, wherein the communication pipe communicates with the supply pipe on the suction side of the supply pump. 前記供給管は、前記燃料電池スタック内を加湿するための加湿水、および前記燃料電池スタックを冷却するための冷却水を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。   The said supply pipe | tube is comprised so that the humidification water for humidifying the inside of the said fuel cell stack, and the cooling water for cooling the said fuel cell stack may be supplied. Fuel cell system. 前記燃料電池システムには、炭化水素燃料から前記燃料ガスを生成する改質器が設けられており、
前記供給管は、前記カソード側気水分離タンク内の水を前記改質器に供給するように分岐して構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system is provided with a reformer that generates the fuel gas from hydrocarbon fuel,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the supply pipe is branched to supply water in the cathode-side air / water separation tank to the reformer. 4. . 水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、空気を前記燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、前記燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムにおいて、
炭化水素燃料から前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池スタックのアノード極から排出されたアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンクと、
前記燃料電池スタックのカソード極から排出されたカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンクと、
前記カソード側気水分離タンク内の水を前記改質器に供給するための供給管と、
前記アノード側気水分離タンク内の水を前記供給管に供給するための連絡管と、を備え、
前記供給管には、前記カソード側気水分離タンク内の水を送り出す供給ポンプが設けられており、
前記連絡管は、前記供給ポンプのサクション側で前記供給管に連通していることを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system for generating power in the fuel cell stack by supplying hydrogen-containing fuel gas to the anode electrode of the fuel cell stack and supplying air to the cathode electrode of the fuel cell stack,
A reformer for generating the fuel gas from hydrocarbon fuel;
An anode-side air / water separation tank that separates water from the anode off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell stack;
A cathode-side air / water separation tank for separating water from the cathode off-gas discharged from the cathode electrode of the fuel cell stack;
A supply pipe for supplying water in the cathode-side air / water separation tank to the reformer;
A communication pipe for supplying water in the anode-side air / water separation tank to the supply pipe,
The supply pipe is provided with a supply pump for sending water in the cathode-side air / water separation tank,
The fuel cell system, wherein the communication pipe communicates with the supply pipe on the suction side of the supply pump.
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