JP4464066B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いて発電と熱供給とを行う燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムでは、燃料電池において、燃料ガスとして供給される水素リッチなガスと、酸化剤ガスとして供給される空気等とを反応させることにより、電力及び熱を発生させる。この燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ加湿手段によって加湿された後に、燃料電池に供給される。燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段として、例えば、ヒータにより加熱された温水中に燃料ガス及び酸化剤ガスを通して加湿を行うバブラーがある(例えば特許文献1参照)。しかしながら、この場合、バブラーにおいて、水を加熱するためにエネルギーを消費するため、燃料電池システムのエネルギー効率の低下を招く。
【0003】
一方、燃料電池の空気極側から排出される排出空気(オフガス)に含まれる水分(水蒸気)を、燃料電池の空気極側に供給する空気に、水蒸気透過膜を介して移動させ、それにより、供給空気の加湿を行う加湿装置がある(例えば特許文献2参照)。この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行うことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図るものである。しかしながら、この加湿装置では、被加湿ガス(ここでは加湿される供給空気)を、加湿ガス(ここでは水分の供給元となる排出空気)以上の露点温度に加湿することができない。また、被加湿ガスを高露点温度まで加湿するには、大きな膜面積の水蒸気透過膜が必要となり、よって、加湿装置の規模が大きくなる。したがって、燃料電池システムのコンパクト化が困難である。
【0004】
【特許文献1】
特開平7−288134号公報
【特許文献2】
特開平6−132038号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来の燃料電池システムが有する課題を解決するためになされたもので、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することによりシステム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化及びシステム動作の安定化が図られた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を順次加湿する第1の加湿部と第2の加湿部と、冷却水を前記燃料電池に通流する冷却構造とを備えた燃料電池システムにおいて、前記第1の加湿部は、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくとも一方に含まれる水分を用いて前記加湿を行い、前記第2の加湿部は、前記冷却水を用いて前記加湿を行い、前記第2の加湿部から前記燃料電池に供給される前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの加湿量を検知する加湿量検知器、前記第2の加湿部に供給される前記冷却水の温度を検知する冷却水温度検知器、及び前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知器のいずれかと、前記いずれかの検知器で検知された値に基づいて前記第2の加湿部における前記供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えるものである。
【0007】
かかる構成では、排出燃料ガス又は排出酸化剤ガスを用いて第1の加湿部において予め加温及び加湿した供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスに、第2の加湿部で温水を用いてさらに加湿を行う。このため、第2の加湿部における加湿において消費されるエネルギー(特に熱エネルギー)及び水分の低減化を図ることが可能となる。また、第1の加湿部では、燃料電池からの排出燃料ガス又は排出酸化剤ガスを利用して加湿を行うため、加湿に要するエネルギーの低減化を図ることが可能となる。したがって、かかる構成では、燃料電池システム全体のエネルギー効率を向上させることが可能となる。また、第2の加湿部での加湿に要する水分の低減化が図られることから、第2の加湿部に補給する水分の量が少なくすみ、よって、第2の加湿部の温度変動が小さくなる。それゆえ、第2の加湿部での加湿量が安定するとともに、システム動作の安定化が図られる。また、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを高露点に加湿する場合であっても、第1及び第2の加湿部で段階的に効率よく加湿を行うことが可能となるため、燃料電池システムのコンパクト化が図られる。
【0009】
また、燃料電池の冷却に用いられる70〜75℃程度の冷却水を用いて第2の加湿部で供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスの加湿が行われる。したがって、第2の加湿部では、バブラーを用いる場合のように加湿のために水を加熱する必要がなくなり、よって、加湿に要するエネルギーの低減化を図ることが可能となる。また、冷却水は、ほぼ安定した温度に維持されているため、第2の加湿部において、安定して効率よく加湿を行うことが可能となる。さらに、かかる構成では、第1の加湿部によって予め加湿が行われているため、第2の加湿部で加湿に消費される水分の量が低減されており、よって、第2の加湿部で消費される冷却水の量が低減される。したがって、冷却構造に補給する水分の量を抑えることが可能となり、冷却構造における温度変動を抑制することが可能となる。その結果、第2の加湿部において安定した加湿量及び燃料電池の温度安定を実現することが可能となり、システム動作の安定化が図られる。
また、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスの加湿量を最適な値に調節することができるため、燃料電池システムの安定性やエネルギー効率の向上が図られる。また、特に、冷却水バイパス経路を設けて冷却水流量を調節する構成では、燃料電池に供給される冷却水の流量と第2の加湿部に供給される冷却水の流量とをそれぞれ個別に調節することができる。それゆえ、供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスへの加湿に最適な流量の冷却水を第2の加湿部に供給し、それ以外の冷却水は、バイパス経路を通じて、第2の加湿部を経由することなく通流させることが可能となる。その結果、第2の加湿部における冷却水の水分及び熱エネルギーの浪費を抑制することができ、第2の加湿部で消費される冷却水の水分及び熱エネルギーの低減化を図ることが可能となる。したがって、効率よく最適な加湿量の供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを得ることができ、また、冷却水の本来の役割である燃料電池の冷却を効率よく安定して行って燃料電池の動作温度を最適値に調整するとともに、冷却水から効率よく熱を回収することが可能となる。したがって、燃料電池システムの安定性及びエネルギー効率の向上を両立してさらに図ることが可能となる。また、燃料電池の発電量や供給ガスの流量に応じて加湿量を調節する構成では、加湿量調節のための検知器を新たに追加する必要がなく、燃料電池システムの運転状態に応じて加湿量の調節を容易に行うことができる。
【0016】
前記第1の加湿部と前記第2の加湿部とが隣接して一体化された加湿装置を備えてもよい。例えば、前記加湿装置は、複数の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記流路プレートの一方の主面には、前記第1の加湿部の領域に前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成されるとともに前記第2の加湿部の領域に前記冷却水の流路が形成され、各前記流路プレートの他方の主面には、前記第1の加湿部及び前記第2の加湿部にわたって連続した前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成されてもよい。あるいは、前記加湿装置の前記第1の加湿部は、複数の第1の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第1の流路プレートの一方の主面には前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成され、前記加湿装置の前記第2の加湿部は、複数の第2の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第2の流路プレートの一方の主面には前記冷却水流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成され、前記第1の加湿部と前記第2の加湿部とが積層されて前記加湿装置が構成されてもよい。
【0017】
かかる構成によれば、第1の加湿部から第2の加湿部に、配管等を介することなく供給燃料ガス又は供給酸化剤ガスを供給することが可能となる。したがって、燃料電池システムの小型化及びシステムコストの低減化が図られるとともに、配管等におけるエネルギー損失を防止してエネルギー効率をより向上させることが可能となる。
【0020】
前記制御装置は、前記第2の加湿部に供給される前記冷却水の流量又は前記冷却水の温度を調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよく、また、前記冷却構造が、前記第2の加湿部に前記冷却水を通流させる冷却水経路と、前記第2の加湿部をバイパスするように前記冷却水経路に接続された冷却水バイパス経路とを有し、前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第2の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節してもよい。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム(以下、単に燃料電池システムと呼ぶ)の構成を示す模式図である。
【0026】
図1に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、空気供給装置40と、前段加湿装置22と、加湿装置21aと、燃料電池11と、燃料供給装置41と、燃料処理装置42と、加湿装置21bと、冷却水放熱器13と、冷却水タンク14と、冷却水ポンプ12とを主な要素として含んで構成されている。
【0027】
空気供給装置40から空気経路1を介して前段加湿装置22に供給された空気は、後述するように、前段加湿装置22によって加湿される。該加湿された空気は、空気経路2を介して加湿装置21aに供給され、該装置21aによってさらに加湿される。加湿装置21aとしては、従来から使用されている加湿装置、例えば、ヒータで加熱した温水中に該空気を通すことによって加湿を行う構成のバブラーや、インジェクタにより直接水蒸気を該空気に噴霧して該空気を加湿する構成のもの等が挙げられる。加湿装置21aによって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、空気経路3を介して燃料電池11の空気極側に供給される。一方、燃料供給装置41から燃料経路8を介して、燃料処理装置42に、原料、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等の、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等及びアルコール等、が供給される。ここでは、燃料処理装置42として、具体的には、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部が用いられており、燃料処理装置42では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチなガスが生成される。該水素リッチなガスは、燃料ガス経路9aを介して加湿装置21bに供給され、該装置21bによって加湿される。加湿装置21bとしては、加湿装置21aにおいて前述した加湿装置が用いられている。加湿された水素リッチなガスは、燃料電池11の燃料ガスとして、燃料ガス経路9bを通じて燃料電池11の燃料極側に供給される。燃料電池11では、空気極側に供給された空気と、燃料極側に供給された水素リッチなガス(以下、燃料ガスと呼ぶ)とが反応することにより発電が行われ、電気と熱とが発生する。
【0028】
燃料電池11に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気経路4を介して、前段加湿装置22に供給される。前段加湿装置22では、供給された該排出空気に含まれる水分を利用して、酸化剤ガスとして燃料電池11に供給される空気の加湿が行われる。前段加湿装置22を経た空気は、排出空気経路5を通じて排出される。一方、燃料電池11での反応に利用されなかった燃料ガスは、排出ガス経路10を介して排出される。
【0029】
また、燃料電池11で発生した熱を除去するために、冷却水タンク14の冷却水が、冷却水ポンプ12によって加圧されて冷却水経路7を介して燃料電池11に供給される。ここでは、冷却水タンク14の冷却水が、70℃程度に維持されている。燃料電池11の熱は、供給された該冷却水によって除去される。該熱を回収して温度が75℃程度となった冷却水は、冷却水流路6を介して再び冷却水タンク14に戻される。ここで、冷却水流路6中には、冷却水放熱器13が設けられており、冷却水の熱は、該冷却水放熱器13によって放出される。このような放熱により、冷却水は、再び70℃程度まで冷却される。燃料電池システムでは、このように冷却水が循環する構成となっており、また、該冷却水の温度が安定して所定の温度に維持されていることから、燃料電池11を所定の温度に維持することが可能となる。
【0030】
次に、本実施の形態の特徴である、前段加湿装置22における供給空気への加湿動作について説明する。図2及び図3は、図1の燃料電池システムの前段加湿装置の構成を説明するための図であり、図2は、前段加湿装置を構成する流路プレートの透視的な斜視図であり、図2(a)はプレートを表面から見た図、及び図2(b)は裏面から見た図である。図3は、図2の流路プレートを積層して構成された前段加湿装置の模式図であって、(a)は分解斜視図であり、(b)は斜視図である。
【0031】
図2(a),(b)及び図3(a),(b)に示すように、前段加湿装置22は、流路プレート27が、水分移動膜23を介して、複数積層されて構成される。流路プレート27には、燃料電池11に供給される空気の流路(以下、供給空気流路と呼ぶ)24が表面に形成されるとともに、燃料電池11から排出された空気の流路(以下、排出空気流路と呼ぶ)25が裏面に形成されている。水分移動膜23は、水分を選択的に透過させる膜であり、例えば、ナフィオン系膜等のプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。流路プレート27の供給空気流路24及び排出空気流路25は、プレートの表面及び裏面に、複数のストライプ状の溝、又は、互いに平行に屈曲された複数の溝を設けることにより形成される。また、各流路プレート27には、供給空気の経路となるマニホールド孔28a,28bが形成されるとともに、排出空気の経路となるマニホールド孔29a,29bが形成されている。そして、各流路プレート27の各マニホールド孔28a,28b,29a,29bの位置がそれぞれ一致するように複数の流路プレート27を積層することによって、積層体において、マニホールド孔28aが連通してなる供給空気の導入流路28a’、マニホールド孔28bが連通してなる供給空気の取り出し流路28b’、マニホールド孔29aが連通してなる排出空気の導入流路29a’、及び、マニホールド孔29bが連通してなる排出空気の取り出し流路29b’が形成される。マニホールド孔28aが連通してなる供給空気の導入流路28a’は、空気経路1に接続され、マニホールド孔28bが連通してなる供給空気の取り出し流路28b’は、空気経路2に接続されている。それにより、空気経路1から前段加湿装置22の流路プレート27に供給された空気(すなわち供給空気)が、該プレート27の表面に形成された供給空気流路24に沿って流れ、空気経路2に送られる。一方、マニホールド孔29aが連通してなる排出空気の導入流路29a’は、空気経路4に接続され、マニホールド孔29bが連通してなる排出空気の取り出し流路29b’は、空気経路5に接続されている。それにより、空気経路4から前段加湿装置22の流路プレート27に供給された空気(すなわち排出空気)が、該プレート27の裏面に形成された排出空気流路25に沿って流れ、空気経路5に送られる。このように、流路プレート27の表裏面において、対向する供給空気と排出空気の流れが形成される。
【0032】
前段加湿装置22では、上記構成を有する複数の流路プレート27が、それぞれ水分移動膜23を介して積層されていることから、流路プレート27表面の供給空気流路24を流れる供給空気と、別の流路プレート27裏面の排出空気流路25を流れる排出空気とが、水分移動膜23を介して接している。ここで、燃料電池11から排出された排出空気は、供給空気よりも多くの水分を含むことから、かかる構成の前段加湿装置22では、該水分移動膜23を介して、排出空気から供給空気に水分(具体的には水蒸気)が与えられる。特に、供給空気と排出空気とは、対向する流れを形成して接するため、前記水分の移動が効率よく行われる。このように、前段加湿装置22では、排出空気から回収された水蒸気によって、供給空気が加湿される。また、燃料電池11から排出された排出空気は、供給空気よりも温度が高いため、前段加湿装置22では、前記水分の移動とともに、熱エネルギーも排出空気から供給空気に与えられる。それにより、供給空気が加熱される。
【0033】
上記のようにして前段加湿装置22によって加湿された供給空気は、空気経路2を介して、加湿装置21aに供給される。ここで、加湿装置21aに供給された空気は、前述のようにあらかじめ前段加湿装置22によって加温及び加湿されているため、従来のように加湿装置21aのみで加湿する場合に比べて、加湿装置21aでは少ない加熱及び加湿でよい。それゆえ、加湿装置21aに要する熱エネルギーや水分を低減化することが可能となる。このように、本実施の形態では、あらかじめ前段加湿装置22によって供給空気の加温及び加湿を行うことにより、加湿装置21aでの消費エネルギーを低減可能であるため、システム全体のエネルギー効率の向上を図ることが可能となる。また、加湿装置21aでの消費水分を低減可能であることから、加湿装置21aに補給する水分の量を抑えることが可能となる。その結果、補給した水分による温度変動を抑制することが可能となり、加湿装置21aにおいて安定した加湿量を実現することが可能となる。
さらに、かかる構成の燃料電池システムでは、前段加湿装置22と加湿装置21aとにより、段階的に効率よく加湿を行うことが可能となるため、供給空気を高露点に加湿する場合においても、大型の前段加湿装置22及び加湿装置21aを必要とせず、よって、システムのコンパクト化を図ることが可能となる。
【0034】
上記においては、燃料電池11に供給される燃料ガス(以下、供給燃料ガスと呼ぶ)が、加湿装置21bのみで加湿される場合について説明したが、供給燃料ガスについても、前述の供給空気の場合と同様に、加湿装置21bの上流に前段加湿装置を設けて段階的に加湿を行う構成であってもよい。かかる構成では、燃料電池11から排出される排出燃料ガスが前段加湿装置に供給され、前段加湿装置において、排出燃料ガスの水分が供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加湿が行われるとともに、排出燃料ガスの熱エネルギーが供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加熱が行われる。それにより、供給空気の場合において前述したように、加湿装置21bの消費エネルギーの低減化が図られて燃料電池システムのエネルギー効率の向上が図られるとともに、加湿装置21bにおける水分の消費量の低減化が図られて加湿量の安定化が図られる。このような前段加湿装置は、例えば空気供給側において前述した前段加湿装置22の構成と同様、水分移動膜を介して複数の流路プレートを積層された構成を有しており、この場合、流路プレートの一方の主面に供給燃料ガス流路が形成されるとともに、他方の主面に排出燃料ガス流路が形成される。
【0035】
このように、燃料電池システムにおいて、燃料電池11からの排出ガスを用いて供給ガスの加湿を行う前段加湿装置は、空気側及び燃料側の両方に設けられてもよく、また、いずれか一方に設けられてもよい。なお、燃料電池11からの排出空気は、排出燃料ガスよりも高湿度であり、また、排出空気の方が、排出燃料ガスよりも、水分移動膜を介した水分移動において、効率よく水分のみを供給空気に与えることが可能である。このことから、空気供給側に前段加湿装置22を配置することが好ましい。
【0036】
なお、以下の実施の形態2〜9においては、燃料電池11の空気供給側における加湿について説明するが、これらの実施の形態では、実施の形態1と同様、燃料ガス供給側についても空気供給側と同様の構成及び加湿方法を適用することが可能である。
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図4に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態1の燃料電池システムと同様の構成を有するが、バブラー等の従来の加湿装置を用いる加湿装置21aの代わりに、燃料電池11を冷却するために循環させる冷却水を用いて供給空気の加湿を行う加湿装置21a’が設けられた点が、実施の形態1とは異なっている。以下、この相違点について説明する。
【0037】
本実施の形態のシステムでは、加湿装置21a’に、前段加湿装置22で処理された空気を供給する空気経路2が接続されるとともに、加湿装置21a’で加湿処理した空気を燃料電池11に供給するための空気経路3が接続されている。さらに、加湿装置21a’には、燃料電池11から回収した冷却水が流れる冷却水経路6a,6bが接続されており、冷却水が加湿装置21a’を通流する構成となっている。
【0038】
加湿装置21a’は、実施の形態1の前段加湿装置22とほぼ同様の構成を有するので、ここでは図2(a),(b)及び図3(a),(b)を参照して加湿装置21a’の構成を説明する。加湿装置21a’では、流路プレート27の表面に燃料電池11に供給される空気の流路(供給空気流路)24が形成されるとともに、その裏面に、燃料電池11から回収された冷却水の流路(以下、冷却水流路と呼ぶ)25が形成されている。そして、該流路プレート27が、水分移動膜23を介して、複数積層されて加湿装置21a’が構成される。加湿装置21a’の各流路プレート27では、マニホールド孔28a,28bが供給空気の流路となり、マニホールド孔29a,29bが冷却水の流路となる。各流路プレート27の各マニホールド孔28a,28b,29a,29bの位置がそれぞれ一致するように複数の流路プレート27を積層することによって、積層体において、マニホールド孔28aが連通してなる供給空気の導入流路28a’、マニホールド孔28bが連通してなる供給空気の取り出し流路28b’、マニホールド孔29aが連通してなる冷却水の導入流路29a’、及び、マニホールド孔29bが連通してなる冷却水の取り出し流路29b’が形成される。マニホールド孔28aが連通してなる供給空気の導入流路28a’は、空気経路2に接続され、マニホールド孔28bが連通してなる供給空気の取り出し流路28b’は、空気経路3に接続されている。それにより、空気経路2から加湿装置21a’の流路プレート27に供給された空気(すなわち供給空気)が、該プレート27の表面に形成された供給空気流路24に沿って流れ、空気経路3に送られる。一方、マニホールド孔29aが連通してなる冷却水の導入流路29a’は、冷却水経路6aに接続され、マニホールド孔29bが連通してなる冷却水の取り出し流路29b’は、冷却水経路6bに接続されている。それにより、冷却水経路6aから加湿装置21a’の流路プレート27に供給された冷却水が、該プレート27の裏面に形成された冷却水流路25に沿って流れ、冷却水流路6bに送られる。このように、流路プレート27の表裏面において、供給空気と冷却水との対向する流れが形成される。
【0039】
加湿装置21a’では、上記構成を有する複数の流路プレート27が、それぞれ水移動膜23を介して積層されていることから、流路プレート27表面の供給空気流路24を流れる供給空気と、別の流路プレート27裏面の冷却水流路25を流れる冷却水とが、水分移動膜23を介して接している。このような構成の加湿装置21a’では、水分移動膜23を介して、冷却水から供給空気に水分が与えられる。特に、供給空気と冷却水とは、ここでは対向する流れを形成して接しているため、前記水分の移動が効率よく行われる。このように、加湿装置21a’では、冷却水から回収した水分によって、供給空気が加湿される。また、このような水分の移動とともに、冷却水から供給空気へ熱エネルギーが移動する。それにより、供給空気が加熱される。
【0040】
本実施の形態では、前段加湿装置22が加湿装置21a’の上流に設けられているため、実施の形態1と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態では、加湿装置21a’により、冷却水を利用して供給空気の加温及び加湿を行うことができるため、実施の形態1のようにバブラー等を用いて加湿を行う場合に比べて、加湿装置21a’に供給するエネルギーや水分の低減化を図ることが可能となる。したがって、加湿装置21a’での消費エネルギーをさらに低減し、システム全体のエネルギー効率の向上をさらに図ることが可能となる。また、燃料電池システムでは、燃料電池11を冷却するために循環させる冷却水の温度が、前述のように70〜75℃程度に常に維持されており、特に、ここでは、実施の形態1において前述したように、前段加湿装置22が設けられたことにより加湿装置21aに補給する水分量を低減でき、それゆえ、加湿装置21a’の温度変動を抑制することが可能となっているため、この所定の温度に維持された冷却水を用いて加湿を行うことにより、安定して加湿を行うことが可能となる。さらに、加湿装置21a’は、バブラーやインジェクタ等の加湿手段を別に設ける必要がなく、システム内の冷却水の循環構造を利用するので、簡単な装置構成で加湿を行うことができる。したがって、システムの簡素化及びコストの低減化を図ることが可能となる。
【0041】
なお、本実施の形態では、燃料電池11から回収した冷却水を用いて供給空気の加湿を行う場合について説明したが、本実施の形態の変形例として、燃料電池11に供給される前の冷却水、すなわち冷却水経路7を流れる冷却水を加湿装置21a’に供給することにより前記加湿を行う構成であってもよい。また、燃料電池11を冷却するための冷却水循環経路6,7とは別に、冷却水タンク14から加湿装置21a’に冷却水を供給するための経路と、加湿装置21a’から冷却水を取り出すための経路とをさらに設け、これらの経路を通じて加湿装置21a’を通流する冷却水を用いて加湿装置21a’により前記加湿を行う構成であってもよい。
(実施の形態3)
図5は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図5に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態2の燃料電池システムと同様の構成を有するが、冷却水放熱器13が熱交換器で構成され、冷却水放熱器13により冷却水から放熱させた熱を貯湯水タンク45の水の加熱に利用する構成である点が、実施の形態2とは異なっている。以下、この相違点について説明する。
【0042】
本実施の形態のシステムには、貯湯水タンク45と、該タンク45に貯められた水を給水するための貯湯水ポンプ44と、該タンク45から給水した水を冷却水放熱器13を経由して再び該タンク45に戻す貯湯水循環経路15とが設けられている。かかる構成においては、加湿装置21a’での加湿に利用された後の冷却水から、熱交換器で構成される冷却水放熱器13に熱が与えられ、この熱が、さらに貯湯水循環経路15を循環する水に与えられる。それにより、貯湯水タンク45の水が加熱され、温水が該タンク45に蓄えられる。
【0043】
本実施の形態では、前段加湿装置22が設けられているため、実施の形態2において前述したように、加湿装置21a’での加湿において冷却水から供給空気に与えられる水分、及び、該水分とともに供給空気に移動する熱を低減することが可能となる。このように、冷却水から加湿により奪われる熱及び水分が少ないことから、冷却水放熱器13により、より多くの熱を冷却水から回収し、該熱を貯湯水タンク45の水の加熱に利用することができる。それゆえ、効率よく温水が得られるとともに貯湯水の温度を高くすることが可能となる。その結果、システム全体のエネルギー効率の向上が図られる。また、上記のようにして回収した貯湯水は、温度が高いので広い用途に用いることができ、よって、燃料電池11から回収した熱の価値を高めることが可能となる。
【0044】
なお、上記においては、本実施の形態が、実施の形態2の燃料電池システムの構成を基本構成とする場合について説明したが、実施の形態1の燃料電池システムの構成を基本構成とする場合においても、貯湯水タンクを備えた本実施の形態を適用することが可能である。
(実施の形態4)
図6は、本発明の第4の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図6に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態3の燃料電池システムと同様の構成を有するが、前段加湿装置22と加湿装置21a’とが一体化した構成、すなわち、前段加湿部22’と加湿部21’とを有する加湿装置50が設けられている点が、実施の形態3とは異なっている。以下、この相違点について説明する。
【0045】
加湿装置50では、前段加湿部22’に、供給空気を供給する空気経路1と、燃料電池11からの排出空気を供給する排出空気経路4と、加湿に用いられた排出空気を前段加湿部22’から取り出す排出空気経路5とが接続されている。また、加湿部21’には、燃料電池11から取り出した冷却水を加湿部21’に供給する冷却水経路6aと、加湿に用いられた冷却水を加湿部21’から取り出す冷却水経路6bと、加湿された供給空気を燃料電池11に供給する空気経路3とが接続されている。
【0046】
図7及び図8は、加湿装置50の構成を示す模式図であり、図7は加湿装置50を構成する流路プレートの透視的な斜視図であり、(a)はプレートを表面から見た図であり、(b)は裏面から見た図である。図8は、図7の流路プレートを複数積層してなる加湿装置50の模式図であって、(a)は分解斜視図であり、(b)は斜視図である。
【0047】
図7(a),(b)及び図8(a),(b)に示すように、加湿装置50の前段加湿部22’は、実施の形態1〜3の前段加湿装置22と同様の構成を有し、一方、加湿部21’は、実施の形態2,3の加湿装置21a’と同様の構成を有する。すなわち、加湿装置50は、複数の流路プレート27’が、水分移動膜23を介して積層されて構成されている。流路プレート27’は、表面に、排出空気流路25と冷却水流路26とが形成されており、排出空気流路25が形成された領域が前段加湿部22’に相当するとともに、冷却水流路26が形成された領域が加湿部21’に相当する。流路プレート27’の裏面には、排出空気流路25及び冷却水流路26の下方に一致するように、前段加湿部22’及び加湿部21’にわたって連続して供給空気流路24が形成されている。また、流路プレート27’には、各流路24,25,26が形成された領域を除く領域に、複数のマニホールド孔31a〜31fが形成されている。そして、各流路プレート27’の各マニホールド孔31a〜31fがそれぞれ一致して配置されるように、流路プレート27’が積層されている。それにより、積層体において、マニホールド孔31cが連通してなる排出空気の導入流路31c’、マニホールド孔31aが連通してなる排出空気の取り出し流路31a’、マニホールド孔31fが連通してなる冷却水の導入流路31f’、及び、マニホールド孔31dが連通してなる冷却水の取り出し流路31d’が形成される。また、マニホールド孔31bが連通してなる供給空気の導入流路31b’が形成されるとともに、マニホールド孔31eが連通してなる供給空気の取り出し流路31e’が形成される。マニホールド孔31cが連通してなる排出空気の導入流路31c’は、排出空気経路4に接続され、マニホールド孔31aが連通してなる排出空気の取り出し流路31a’は、排出空気経路5に接続されている。それにより、排出空気経路4から加湿装置50の前段加湿部21’に供給された排出空気が、流路プレート27’の表面に形成された排出空気流路25に沿って流れ、排出空気経路5に送られる。一方、マニホールド孔31fが連通してなる冷却水の導入流路31f’は、冷却水流路6aに接続され、マニホールド孔31dが連通してなる冷却水の取り出し流路31d’は、冷却水流路6bに接続されている。それにより、冷却水流路6aから加湿装置50の流路プレート27’の加湿部21’に供給された冷却水が、該プレート27’の表面に形成された冷却水流路26に沿って流れ、冷却水流路6bに送られる。このように、流路プレート27’の表面において、前段加湿部22’には排出空気の流れが形成され、加湿部21’には冷却水の流れが形成される。この排出空気の流れ及び冷却水の流れは、同一方向の流れである。
【0048】
一方、マニホールド孔31bが連通してなる供給空気の導入流路31b’は、空気経路1に接続され、マニホールド孔31eが連通してなる供給空気の取り出し流路31e’は、空気経路3に接続されている。それにより、空気経路1から加湿装置50の流路プレート27’の前段加湿部22’に供給された供給空気が、該プレート27’の裏面に形成された供給空気流路24に沿って流れ、さらに、加湿部21’の供給空気流路24に沿って流れた後、空気経路3に送られる。このように、前段加湿部22’及び加湿部21’にわたって形成される供給空気の流れは、プレート27’表面に形成される排出空気及び冷却水の流れと対向する方向である。
【0049】
ここで、加湿装置50では、上記構成を有する複数の流路プレート27’が、それぞれ水移動膜23を介して積層されていることから、前段加湿部22’では、流路プレート27’の表面の排出空気流路25を流れる排出空気と、別の流路プレート27’裏面の供給空気流路24を流れる供給空気とが、水分移動膜23を介して接している。したがって、前段加湿部22’においては、前段加湿装置22において前述したように、水分移動膜23を介して排出空気から供給空気に水分及び熱エネルギーが与えられる。また、加湿部21’では、流路プレート27’表面の冷却水流路26を流れる冷却水と、別の流路プレート27’裏面の供給空気流路24を流れる供給空気とが、水分移動膜23を介して接している。したがって、加湿部21’においては、加湿装置21a’において前述したように、水分移動膜23を介して冷却水から供給空気に水分及び熱エネルギーが与えられる。ここで、前述のように、供給空気と、冷却水及び排出空気とは、対向する流れを形成して接しているため、前段加湿部22’及び加湿部21’における前記水分及び熱エネルギーの移動が、効率よく行われる。このように、加湿装置50では、前段加湿部22’において、排出空気を用いて供給空気の加温及び加湿が行われるとともに、加湿部21’において、冷却水を用いてさらに供給空気の加温及び加湿が行われる。
【0050】
かかる構成の燃料電池システムにおいては、実施の形態3において前述した効果と同様の効果が得られる。また、前段加湿部22’と加湿部21’とが一体化した加湿装置50が設けられているため、前段加湿部22’と加湿部21’との間の配管(具体的には、実施の形態3の空気経路2を構成する配管に相当)が不要となる。このため、システムの小型化が図られとともに、配管における熱の損失を防止して熱効率の向上を図ることが可能となる。
【0051】
なお、上記においては、加湿装置50において、前段加湿部22’と加湿部21’とが水平方向に並べて配置されているが、前段加湿部22’及び加湿部21’の配置は、これに限定されるものではない。例えば、前段加湿部22’と加湿部21’とが、積層されて一体化した構成であってもよい。
【0052】
図9は、本実施の形態の変形例における燃料電池システムの加湿装置50の構成を示す斜視図である。図9に示すように、本例の加湿部50では、前段加湿部22’の上に加湿部21’が積層され、前段加湿部22’と加湿部21’とが鉛直方向に並べて配置されている。前段加湿部22’は、前述の前段加湿装置22と同様の構成を有しており、また、加湿部21’は、前述の加湿装置21a’と同様の構成を有する。そして、前段加湿部22’を構成する流路プレート27のマニホールド孔28aによって形成される供給空気の導入流路28a’に空気経路1が接続され、マニホールド孔29aによって形成される排出空気の導入流路29a’に排出空気経路4が接続され、マニホールド孔29bによって形成される排出空気の取り出し流路29b’に排出空気経路5が接続されている。また、加湿部21’の流路プレート27のマニホールド孔28aによって形成される供給空気の取り出し流路28a’’に空気経路3が接続され、マニホールド孔29bによって形成される冷却水の導入流路29b’’に冷却水経路6aが接続され、マニホールド孔29aによって形成される冷却水の取り出し流路29a’’に冷却水経路6bが接続されている。また、前段加湿部22’においてマニホールド孔28bによって形成される供給空気の取り出し流路28b’は、加湿部21’においてマニホールド孔28b’によって形成される供給空気の導入流路28b’’に連結されている。
【0053】
かかる構成の加湿装置50では、空気経路1を通じて供給空気が前段加湿部22’に供給され、各流路プレート27表面の供給空気流路24を流れてマニホールド孔28bからなる供給空気の取り出し流路28b’に入る。一方、排出空気経路4を通じて前段加湿部22’に供給された排出空気は、前段加湿部22’の各流路プレート27裏面の排出空気流路25を流れて排出空気経路5に送られる。前段加湿部22’では、このように流路プレート27の表裏面に供給空気の流れと排出空気の流れとが対向して形成されることにより、前述のように、水分移動膜23を介して排出空気の水分及び熱エネルギーが供給空気に与えられ、供給空気の加温及び加湿が行われる。そして、このように加湿された供給空気は、前段加湿部22’のマニホールド孔28bから形成される供給空気の取り出し流路28b’を鉛直下向きに流れ、その後、この前段加湿部22’の供給空気の取り出し流路28b’に連通する加湿部21’の供給空気の導入流路28b’’を通じて、加湿部21’の流路プレート27に供給される。加湿部21’の各流路プレート27の表面では、このようにして前段加湿部22’から供給された供給空気が、供給空気流路24に沿って流れる。ここでは、前述の前段加湿部22’における供給空気流路24と対向する方向の流れが形成される。また、加湿部21’では、冷却水経路6aを通じて各流路プレート27裏面の冷却水流路26に冷却水が供給される。該冷却水は、冷却水流路26に沿ってプレート裏面を流れた後、冷却水経路6bに送られる。加湿部21’では、このように流路プレート27の表裏面に供給空気の流れと冷却水の流れとが形成されることにより、前述のように、水分移動膜23を介して冷却水の水分及び熱エネルギーが供給空気に与えられ、供給空気の加温及び加湿がさらに行われる。かかる構成の加湿装置50を有する燃料電池システムにおいても、前段加湿部22’と加湿部21’とが水平方向に並べて配置された場合と同様の効果が得られる。なお、前段加湿部22’と加湿部21’とを水平方向に並べて配置する構成では、鉛直方向に積層する場合のように前段加湿部22’と加湿部21’とを積み重ねる工程が不要となるため、製造工程の簡略化が図られ、それにより、燃料電池システムのコスト削減が図られる。
(実施の形態5)
図10は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図10に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態4の燃料電池システムと同様の構成を有するが、加湿装置50に隣接して燃料電池11が配置された構成である点が、実施の形態4とは異なっている。以下に、相違点について説明する。
【0054】
すなわち、本実施の形態の燃料電池システムでは、実施の形態4の加湿装置50に隣接して、燃料電池11が配置されている。加湿装置50の前段加湿部22’には、供給空気を供給する空気経路1が接続されるとともに、加湿に用いた排出空気を取り出す排出空気経路5が接続されている。また、加湿装置50の加湿部21’には、冷却水を供給する冷却水経路7が接続されるとともに、供給空気の加湿及び燃料電池11の冷却に用いられた冷却水を取り出すための冷却水経路6が接続されている。かかる構成では、燃料電池11と加湿装置50とが一体化しているため、燃料電池11から加湿装置50の前段加湿部22’に、直接的に排出空気を供給することが可能となる。また、加湿装置50の加湿部21’は冷却水を燃料電池11に直接的に供給及び燃料電池から直接的に回収して循環させることが可能となる。さらに、加湿部21’から燃料電池11に、直接的に供給空気を供給することが可能となる。このように、本実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池11と加湿装置50との間で、配管等から構成される経路を要することなく、直接的に、排出空気、供給空気、及び、冷却水の供給を行うことが可能となるため、実施の形態4のシステムにおける空気経路2,3、排出空気経路4、及び、冷却水経路6a,6bが不要となる。したがって、これらの経路を構成する配管が不要となり、よって、該配管における熱の損失を防止することが可能となる。それゆえ、燃料電池システムにおける熱効率を向上させることが可能となるとともに、システムの小型化が図られる。また、特に、加湿装置50の加湿部21’から燃料電池11に供給空気を供給するための配管(具体的には、空気経路3を構成する配管に相当)が不要となることから、該配管での放熱により結露した水分が燃料電池11に供給されるのを防止することが可能となり、その結果、システムを安定して動作させることが可能となる。
【0055】
なお、燃料電池11と加湿装置50とが接するのであれば、両者の配置は特に限定されるものではないが、加湿装置50を構成する流路プレート27’(又は27)の積層方向に燃料電池11を配置することが好ましい。この場合、配管の引き回しをなくすことができるため、システムの小型化が図られ。さらに、上記においては、前段加湿部22’と加湿部21’とが一体化された加湿装置50が燃料電池11と接して配置される場合について説明したが、例えば、実施の形態3のように前段加湿装置22と加湿部21a’とが別々に設けられた場合において、加湿装置21a’と燃料電池11とが接するようにシステムを構成してもよい。
(実施の形態6)
図11は、本発明の実施の形態6に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図11に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態3の燃料電池システムと同様の構成を有するが、以下の点が実施の形態3とは異なっている。すなわち、本実施の形態の燃料電池システムでは、加湿装置21a’から燃料電池11に空気を供給する空気経路3に、供給空気の加湿量(具体的には、該空気の湿度)検知器60が設けられるとともに、該検知器60からの情報に基づいて加湿装置21a’に供給する冷却水の流量を調節する制御装置61が設けられている。ここでは、制御装置61は、冷却水ポンプ12の出力又は回転数を制御することにより、冷却水の流量調節を行う。
【0056】
かかる構成の燃料電池システムでは、空気経路3を通じて燃料電池11に供給される供給空気の加湿量を検知器60によって検知する。検知器60としては、例えば、電気抵抗式湿度センサやサーミスタ式湿度センサ等が用いられ、該検知器60は、空気経路3の燃料電池11の直前部分に配置される。検知器60で得られた加湿量の情報は、制御装置61に伝えられる。
【0057】
例えば、検知器60によって検知された加湿量が所定値よりも小さい場合には、制御装置61が加湿量情報に基づいて、冷却水ポンプ12の出力を増加させるか、又は、該ポンプ12の回転数を増加させる。それにより、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置21a’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。したがって、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。
【0058】
一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置61が加湿量情報に基づいて、冷却水ポンプ12の出力を減少させるか、又は、該ポンプ12の回転数を減少させる。それにより、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置21a’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。したがって、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。
【0059】
上記のように、供給空気の加湿量に応じて冷却水の供給流量を制御することにより、供給空気の加湿量を最適値に保つことが可能となる。それにより、燃料電池システムのエネルギー効率の向上が図れるとともに、システムの安定性の向上が図られる。
【0060】
ここで、上記においては、冷却水ポンプ12を制御装置61で制御することによって加湿装置21aに供給される冷却水の流量を調節する場合について説明したが、冷却水の流量の調節方法は、これに限定されるものではない。例えば、本実施の形態の変形例として、図12に示すように、加湿装置21a’に冷却水を供給する冷却水経路6aに、自動で開閉調節可能な比例弁70を設けるとともに、制御装置61が、検知器60からの情報に基づいて、該比例弁70の開閉を調節する構成であってもよい。かかる構成では、例えば、検知器60によって検知された加湿量が所定値よりも小さい場合に、制御装置61が加湿量情報に基づいて、比例弁70をより大きく開く。それにより、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置21a’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置61が加湿量情報に基づいて、比例弁70の開きがより小さくなるように該弁70を閉じる。それにより、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置21a’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。このように比例弁70を用いて加湿装置21a’への冷却水の供給流量を調節することにより、上記と同様の効果が得られる。
【0061】
さらに、上記においては、冷却水の供給量を調節することによって供給空気の加湿量を調節しているが、これ以外に、加湿装置21a’に供給される冷却水の温度を調節することによって供給空気の加湿量を調節してもよい。加湿装置21a’に供給される冷却水の温度は、加湿装置21a’における冷却水から供給空気への水分移動に影響を与え、冷却水の温度が高いと供給空気へ与えられる水分が多くなり、冷却水の温度が低いと与えられる水分が少なくなり、供給空気の加湿量に関与する。したがって、本実施の形態の他の変形例として、例えば、上記のように冷却水の流量を調節する代わりに、供給空気の加湿量に応じて、ヒータ等を用いて冷却水の温度を調節するか、又は、冷却水放熱器13における冷却水の放熱量を調節することにより、冷却水の温度を調節してもよい。かかる構成では、検知器60によって検知された加湿量が所定値よりも小さい場合に、制御装置61が加湿量情報に基づいて、ヒータ等により冷却水を昇温するか、又は、冷却水放熱器13における放熱量を減少させる。それにより、加湿装置21a’に供給される冷却水の温度が上昇し、その結果、加湿装置21a’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置61が加湿量情報に基づいて、冷却水の温度を下げるか、又は、冷却水放熱器13における放熱量を増加させる。それにより、加湿装置21a’に供給される冷却水の温度が下がり、その結果、加湿装置21a’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。このように加湿装置21a’に供給する冷却水の温度を調節することによっても、上記と同様の効果が得られる。
【0062】
なお、上記においては、燃料電池システムの基本構成が実施の形態3の燃料電池システムと同様の構成である場合について説明したが、供給空気の加湿量に応じて冷却水の流量等を調節する本実施の形態は、実施の形態2,4,5の各燃料電池システムの構成を基本構成とする場合においても適用可能である。
(実施の形態7)
図13は、本発明の実施の形態7に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態6と同様の構成を有するが、以下の点が実施の形態6とは異なっている。すなわち、本実施の形態の燃料電池システムでは、加湿装置21a’をバイパスして冷却水を循環させることを可能とするバイパス経路63が、冷却水経路6aと冷却水流路6bとに接続されている。それにより、バイパス経路63が加湿装置21a’と並列に配置される。また、加湿装置21a’に冷却水を供給する冷却水経路6a中には、三方弁62が設けられている。三方弁62は、3つの配管接続口を有し、該接続口の1つには冷却水経路6aを構成する配管64aが接続され、別の接続口には冷却水経路6aを構成する配管64bが接続され、また別の接続口にはバイパス経路63を構成する配管63’が接続されている。そして、三方弁62は、制御装置61によって制御され、配管64aから供給される冷却水を、配管63’及び配管64bにどれだけの流量ずつ分配するか、自動で該分配量を調節可能に構成されている。
【0063】
かかる構成の燃料電池システムでは、空気経路3を通じて燃料電池11に供給される供給空気の加湿量が検知器60によって検知され、該加湿量の情報に基づいて、制御装置61が、三方弁62を調節する。それにより、配管64aから供給された冷却水の、各配管64b,63’への分配供給流量が調節される。
【0064】
例えば、検知器60によって検知された供給空気の加湿量が所定値よりも小さい場合には、制御装置61は、加湿量情報に基づいて、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量が増加し、かつ、バイパス経路63に供給される冷却水の流量が減少するように、三方弁62を調節する。それにより、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置21a’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。それにより、供給空気の加湿量が最適値になるように調節される。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置61が加湿量情報に基づいて、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量が減少し、かつ、バイパス経路63に供給される冷却水の流量が増加するように、三方弁62を調節する。それにより、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置21a’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。それにより、供給空気の加湿量が最適値になるように調節される。
【0065】
上記のように、本実施の形態の燃料電池システムでは、供給空気の加湿量に応じて三方弁62を用いて加湿装置21a’への冷却水の供給流量を制御することにより、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。したがって、実施の形態6において前述した効果と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態のシステムでは、加湿装置21a’をバイパスさせて冷却水を循環させることが可能であるため、燃料電池11に供給される冷却水の流量と加湿装置21a’に供給される冷却水の流量とを個別に調節することが可能となる。それゆえ、供給空気への加湿に最適な流量の冷却水を加湿装置21a’に供給して、それ以外の冷却水は、バイパス経路63を通じて、加湿装置21a’を経由することなく循環させることが可能となる。その結果、加湿装置21a’における冷却水の水分及び熱エネルギーの浪費を抑制することができ、加湿装置21a’で消費される冷却水の水分及び熱エネルギーの低減化を図ることが可能となる。したがって、効率よく最適な加湿量の供給空気を得ることができ、また、冷却水の本来の役割である燃料電池11の冷却を効率よく安定して行って燃料電池11の動作温度を最適値に調整するとともに、冷却水から効率よく熱を貯湯水に回収することが可能となる。したがって、燃料電池システムの安定性及びエネルギー効率の向上を両立してさらに図ることが可能となる。
【0066】
なお、上記においては、三方弁62により各配管64b,63への冷却水の供給流量を調節する場合について説明したが、三方弁62を設ける代わりに、例えば、バイパス経路63、冷却水経路6a、及び、冷却水経路6bを構成する個々の配管に、適宜、比例弁を設けてもよい。
【0067】
図14は、本実施の形態の変形例における燃料電池システムの構成の一部を示す模式図であり、ここでは、加湿装置21a’及びその周辺の構成について示している。図14に示すように、この場合には、バイパス経路63を構成する配管63’が、冷却水経路6aを構成する配管6a’と冷却水流路6bを構成する配管6b’とに接続されている。そして、配管6a’には、配管63’の接続部分よりも下流側に比例弁70aが設けられている。一方、配管63’には、配管6aとの接続部分側端部に、比例弁70bが設けられている。これらの比例弁70a,70bの開閉は、制御装置61によって自動制御される。例えば、検知器60で検知された供給空気の加湿量が所定値よりも小さい場合には、制御装置61が、加湿装置21a’への冷却水の供給流量が増加するように比例弁70aを調節するとともに、バイパス経路63への冷却水の供給流量が減少するように比例弁70bを調節する。一方、供給空気の加湿量が所定値よりも大きい場合には、制御装置61は、加湿装置21a’への冷却水の供給流量が減少するように比例弁70aを調節するとともに、バイパス経路63への冷却水の供給流量が増加するように比例弁70bを調節する。それにより、かかる構成においても、実施の形態6と同様の効果が得られる。
【0068】
なお、上記においては、基本構成が実施の形態3の燃料電池システムと同様の構成を有する場合について説明したが、供給空気の加湿量に応じて加湿装置21a’及びバイパス経路63への冷却水の供給流量をそれぞれ調節する本実施の形態は、実施の形態2,4,5の各燃料電池システムの構成においても適用可能である。
(実施の形態8)
図15は、本発明の実施の形態8に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図15に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態6と同様の構成を有するが、供給空気の加湿量を検知する検知器60の代わりに、加湿装置21a’に供給される冷却水の温度を検知する検知器65が設けられた点が、実施の形態6とは異なっている。以下、相違点について説明する。
【0069】
実施の形態6において前述したように、冷却水の温度は、供給空気への加湿量に関与する。したがって、本実施の形態の燃料電池システムでは、検知器65によって、加湿装置21a’に供給される冷却水の温度を検知し、この温度情報に基づいて、制御装置61が、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量を調節する。ここでは、検知器65として、例えば電気抵抗式温度センサや接触式温度センサ等が用いられ、該検知器65は、冷却水経路6aの加湿装置21a’の直前部分に配置される。
【0070】
例えば、検知器65によって検知された冷却水の温度が所定値よりも低い場合には、冷却水の温度が高い場合に比べて冷却水から供給空気へ移動する水分が少ないため、供給空気を最適な加湿量とするには冷却水の流量を増加させる必要がある。したがって、この場合には、制御装置61が冷却水の温度情報に基づいて、冷却水ポンプ12の出力を増加させるか、又は、該ポンプ12の回転数を増加させる。それにより、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量が増加し、その結果、加湿装置21a’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が増加する。それにより、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。一方、冷却水の温度が所定値よりも高い場合には、冷却水から供給空気へ移動する水分が多いので、温度が低い場合よりも少ない冷却水の供給流量で最適な加湿量とすることができる。したがって、この場合には、制御装置61が冷却水の温度情報に基づいて、冷却水ポンプ12の出力を減少させるか、又は、該ポンプ12の回転数を減少させる。それにより、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量が減少し、その結果、加湿装置21a’において、冷却水から供給空気に与えられる水分の量、すなわち加湿量が減少する。それにより、供給空気の加湿量を最適値に調節することが可能となる。
【0071】
上記のように、本実施の形態では、冷却水の温度に応じて冷却水の供給流量を制御するため、実施の形態6において前述した効果と同様の効果が得られる。
【0072】
なお、上記においては、冷却水ポンプ12を調節することにより冷却水の供給流量を調節する場合について説明したが、冷却水の流量の調節方法は、これに限定されるものではなく、例えば、実施の形態6において前述したように、比例弁を冷却水経路6aに設け、該弁を用いて冷却水流量の調節を行ってもよい。また、実施の形態6において前述したように、冷却水の流量を調節する代わりに、冷却水の温度を調節することによって供給空気の加湿量の調節を行ってもよい。また、上記においては、燃料電池システムの基本構成が実施の形態3の燃料電池システムと同様である場合について説明したが、本実施の形態の燃料電池システムの基本構成は、実施の形態2,4,5の燃料電池システムの構成と同様であってもよい。さらに、実施の形態7の燃料電池システムの構成に本実施の形態を適用した構成、すなわち、加湿装置21a’をバイパスするバイパス経路63が設けられた構成であってもよい。
(実施の形態9)
図16は、本発明の実施の形態9に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図16に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態6と同様の構成を有するが、供給空気の加湿量を検知する検知器60の代わりに、燃料電池11の発電量を検知する検知器66が設けられた点が、実施の形態6とは異なっている。検知器66としては、電力計が用いられる。ここで、通常、燃料電池システムでは、発電量を検知しながらシステムの運転を行っていることから、新たに電力計を設けることなく、もとからシステムが備える電力計を検知器66として利用することができる。以下、実施の形態6との相違点について説明する。
【0073】
燃料電池11の発電量は、空気極側に供給される空気の供給量と、燃料極側に供給される燃料ガスの供給量に対応している。したがって、燃料電池11の発電量が多い場合には、燃料電池11への供給空気の流量も多くなり、よって、この供給空気を加湿するために、加湿部21a’への冷却水の供給流量を多くする必要がある。一方、燃料電池11の発電量が少ない場合には、燃料電池11への供給空気の流量も少なくなり、よって、供給空気を加湿するために加湿装置21aへ供給する冷却水の流量も少なくてよい。したがって、燃料電池11の発電量に応じて加湿装置21aへの冷却水の供給流量を調節することにより、供給空気の加湿量を最適値に調整することが可能となる。
【0074】
例えば、検知器66によって検知された燃料電池11の発電量が所定値より多い場合には、燃料電池11に供給される空気の供給量が多いので、加湿装置21a’において冷却水から該供給空気に与えられる水分の量(すなわち加湿量)が多くなる。したがって、この場合には、制御装置61が検知器66からの発電量情報に基づいて、冷却水ポンプ12の出力を増加させるか、又は、該ポンプ12の回転数を増加させ、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量を増加させる。それにより、加湿装置21a’において、流量の多い供給空気に対しても最適な加湿を行うことが可能となる。一方、燃料電池11での発電量が所定値よりも少ない場合には、燃料電池11に供給される空気の供給量が少ないので、加湿装置21a’において冷却水から該供給空気に与えられる水分の量(すなわち加湿量)も少なくてよい。したがって、この場合には、制御装置61が検知器66からの発電量情報に基づいて、冷却水ポンプ12の出力を減少させるか、又は、該ポンプ12の回転数を減少させ、加湿装置21a’に供給される冷却水の流量を減少させる。それにより、供給空気に対して最適な加湿を行うことが可能となる。
【0075】
上記のように、本実施の形態では、燃料電池11の発電量に応じて、加湿装置21a’への冷却水の供給流量を制御するため、燃料電池11の動作状態に応じて、最適な加湿量の供給空気を安定して供給することが可能となる。したがって、実施の形態6において前述した効果と同様の効果が得られる。また、前述のように、システムが通常備えている発電計を検知器66として利用できるため、加湿量の調節のための検知器を別に設ける必要がなく、システムの簡素化及びコストの削減化が図られる。
【0076】
なお、上記においては、冷却水ポンプ12を調節することにより冷却水の供給流量を調節する場合について説明したが、冷却水の流量の調節方法は、これに限定されるものではなく、実施の形態3において前述したように、比例弁を冷却水経路6aに設けるとともに該弁を用いて調節を行ってもよい。また、実施の形態6において前述したように、冷却水の流量を調節する代わりに、冷却水の温度を調節することによって供給空気の加湿量の調節を行ってもよい。
【0077】
さらに、上記においては、燃料電池11の発電量に応じて供給空気の加湿量を調節する場合について説明したが、これ以外に、燃料電池11に供給される供給空気の流量を直接検知し、該供給空気の流量に応じて加湿量を調節してもよい。例えば、空気経路3の燃料電池11の直前部分に供給空気の流量を検知する検知器を配置し、該検知器で検知された供給空気の流量が多い場合には、前述と同様にして該空気への水分移動を促進させて加湿量を増加させ、一方、該検知器で検知された供給空気の流量が少ない場合には、前述と同様にして該空気への水分移動を抑制して加湿量を減少させる。それにより、前述と同様の効果が得られる。
【0078】
また、上記においては、燃料電池システムの基本構成が実施の形態3の燃料電池システムと同様である場合について説明したが、本実施の形態の燃料電池システムの基本構成は、実施の形態2,4,5の燃料電池システムの構成と同様であってもよい。さらに、実施の形態7の燃料電池システムの構成に本実施の形態を適用した構成、すなわち、加湿装置21a’をバイパスするバイパス経路63が設けられた構成であってもよい。
【0079】
上記の実施の形態においては、前段加湿装置22及び前段加湿部22’と加湿装置21a’及び加湿部21’とが、水分移動膜23を介して複数の流路プレート27,27’を積層してなる構成(いわゆるプレート型構造)を有する場合について説明したが、これらの構成は、プレート型に限定されるものではない。例えば、前段加湿装置22、前段加湿部22’、加湿装置21a’、及び、加湿部21’が、チューブ型構造を有していてもよい。以下においては、チューブ型構造を有する前段加湿装置を例に挙げて説明する。
【0080】
図17は、チューブ型構造を有する前段加湿装置22の構成を示す模式的な切り欠き斜視図である。図17に示すように、前段加湿装置22は、排出空気入口101及び排出空気出口102が形成された円板103,104によって両端部が封止され、かつ、側面に供給空気入口105と供給空気出口106とが形成された円筒形の本体100の内部に、水分移動膜23から構成される複数の中空糸繊維23’が束状に集められて構成された水分移動膜モジュール107が、軸方向が一致するように収納されて構成されている。そして、本体100の排出空気入口101には排出空気経路4(図示せず)が接続され、排出空気出口102には排出空気経路5(図示せず)が接続され、供給空気入口105には供給空気経路1(図示せず)が接続され、供給空気出口106には供給空気経路2(図示せず)が接続される。水分移動膜モジュール107の両端部にはシール部材108が装着されており、それにより、本体100の内部が、排出空気入口101を介して排出空気経路4に連通する第1の空間109Aと、水分移動膜モジュール107の外周に形成され供給空気入口105及び供給空気出口106を介してそれぞれ供給空気経路1,2に連通する第2の空間109Bと、排出空気出口102を介して排出空気経路5に連通する第3の空間109Cとに区画されている。
【0081】
かかる構成の前段加湿装置22では、供給空気入口105を通じて本体100の第2の空間109Bに供給空気が供給されるとともに、供給空気出口106を通じて該空間109Bから供給空気が取り出される。それにより、第2の空間109Bにおいて、水分移動膜モジュール107の外周、及び、該膜モジュール107を構成する各中空糸繊維23’の外周に、供給空気の流れが形成される。一方、排出空気入口101を通じて本体100の第1の空間109Aに供給された排出空気は、水分移動膜モジュール107の一方の端面からモジュール内に入る。そして、排出空気は、水分移動膜モジュール107を構成する各中空糸繊維23’の内部を軸方向に沿って流れた後、モジュールの他方の端面から第3の空間109Cに放出され、排出空気出口102から取り出される。それにより、第1から第3の空間109A〜109Cに至る排出空気の流れが形成される。
【0082】
ここで、本体100の第2の空間109Bでは、上記のように水分移動膜モジュール107及びこれを構成する中空糸繊維23’の外周に形成された供給空気の流路と、該膜モジュール107の中空糸繊維23’の内部に形成された排出空気流路とが、水分移動膜23を介して接した構成であるため、前述のプレート型構造の場合と同様、排出空気から供給空気に、水分移動膜23を介して水分及び熱エネルギーが与えられる。それゆえ、排出空気によって加熱及び加湿された供給空気を本体100から取り出すことが可能となる。したがって、このようなチューブ型構造を有する前段加湿装置22を備えた燃料電池システムにおいても、前述と同様の効果が得られる。なお、ここでは、前段加湿装置22について説明したが、前段加湿部22’、加湿装置21a’、及び、加湿部21’においても、図17に示すチューブ型構造を適用することが可能である。
【0083】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したような形態で実施され、以下のような効果を奏する。
すなわち、本発明の燃料電池システムによれば、エネルギー効率を向上させるとともに、システムの安定した運転を実現することが可能となる。また、システムのコンパクト化及び簡素化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図2】図1の前段加湿装置を構成する流路プレートの構成を模式的に示す透視斜視図であり、(a)はプレートを表面から見た図であり、(b)は裏面から見た図である。
【図3】図2の流路プレートが複数積層されて構成された図1の前段加湿装置の構成を説明するための図であり、(a)は分解斜視図であり、(b)は斜視図である。
【図4】本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図5】本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図6】本発明の実施の形態4に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図7】図6の加湿装置を構成する流路プレートの構成を示す透視斜視図であり、(a)はプレートを表面から見た図であり、(b)は裏面から見た図である。
【図8】図7の流路プレートが複数積層されて構成された図6の加湿装置の構成を説明するための図であり、(a)は分解斜視図であり、(b)は斜視図である。
【図9】本発明の実施の形態4の変形例に係る燃料電池システムの加湿装置の構成を示す斜視図である。
【図10】本発明の実施の形態5に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図11】本発明の実施の形態6に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図12】本発明の実施の形態6の変形例に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図13】本発明の実施の形態7に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図14】本発明の実施の形態7の変形例に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図15】本発明の実施の形態8に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図16】本発明の実施の形態9に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図17】チューブ型構造を有する前段加湿装置の構成を示す切り欠き斜視図である。
【符号の説明】
1,2,3 空気経路
4,5 排出空気経路
6,6a,6a,7 冷却水経路
11 燃料電池
12 冷却水ポンプ
13 冷却水放熱器
14 冷却水タンク
15 貯湯水経路
21a 加湿装置
22 前段加湿装置
21’ 加湿部
22’ 前段加湿部
23 水分移動膜
24 供給空気流路
25 排出空気流路
26 冷却水流路
27,27’ 流路プレート
44 貯湯水ポンプ
45 貯湯水タンク
50 加湿装置
61 制御装置
62 三方弁
63 バイパス経路
70 比例弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that generates power and supplies heat using a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell system, electric power and heat are generated by reacting a hydrogen-rich gas supplied as a fuel gas with air supplied as an oxidant gas in the fuel cell. The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell after being humidified by the humidifying means. As a means for humidifying the fuel gas and the oxidant gas, for example, there is a bubbler that humidifies the fuel gas and the oxidant gas through warm water heated by a heater (see, for example, Patent Document 1). However, in this case, the bubbler consumes energy to heat the water, resulting in a decrease in energy efficiency of the fuel cell system.
[0003]
On the other hand, moisture (water vapor) contained in the exhaust air (off gas) discharged from the air electrode side of the fuel cell is moved to the air supplied to the air electrode side of the fuel cell via the water vapor permeable membrane, thereby There is a humidifier that humidifies supply air (see, for example, Patent Document 2). This humidifier is intended to reduce energy required for humidification by performing humidification using high-temperature exhaust air. However, in this humidifier, the humidified gas (here, the supply air to be humidified) cannot be humidified to a dew point temperature equal to or higher than the humidified gas (here, the exhaust air from which moisture is supplied). In addition, in order to humidify the humidified gas to a high dew point temperature, a water vapor permeable membrane having a large membrane area is required, and the scale of the humidifying device is increased. Therefore, it is difficult to make the fuel cell system compact.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 7-288134 A
[Patent Document 2]
JP-A-6-132038
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the problems of the conventional fuel cell system as described above, and improves the energy efficiency of the entire system by reducing the energy required for humidifying the gas supplied to the fuel cell. Another object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the system is compact and the system operation is stabilized.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and a fuel gas and an oxidant gas that are supplied to the fuel cell, respectively. In the fuel cell system, comprising: a first humidifying unit and a second humidifying unit that sequentially humidify at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas; and a cooling structure for flowing cooling water to the fuel cell. The first humidification unit performs the humidification using moisture contained in at least one of the fuel gas and the oxidant gas, which is discharged from the fuel cell, and the oxidant gas. The
[0007]
In such a configuration, the supply fuel gas or supply oxidant gas preheated and humidified in the first humidification unit using the exhaust fuel gas or exhaust oxidant gas is further humidified using hot water in the second humidification unit. Do. For this reason, it becomes possible to aim at reduction of the energy (especially heat energy) and water | moisture content consumed in the humidification in a 2nd humidification part. In addition, since the first humidifying unit performs humidification using the exhausted fuel gas or the exhausted oxidant gas from the fuel cell, it is possible to reduce the energy required for humidification. Therefore, with this configuration, the energy efficiency of the entire fuel cell system can be improved. In addition, since the moisture required for humidification in the second humidification unit is reduced, the amount of moisture supplied to the second humidification unit is reduced, and thus the temperature fluctuation of the second humidification unit is reduced. . Therefore, the humidification amount in the second humidification unit is stabilized, and the system operation is stabilized. Further, even when the supplied fuel gas or the supplied oxidant gas is humidified to a high dew point, the first and second humidifying sections can be efficiently humidified step by step. Compactness is achieved.
[0009]
AlsoThe supply fuel gas or the supply oxidant gas is humidified in the second humidification unit using cooling water of about 70 to 75 ° C. used for cooling the fuel cell. Therefore, in the second humidification unit, it is not necessary to heat water for humidification as in the case of using a bubbler, and thus it is possible to reduce the energy required for humidification. Moreover, since the cooling water is maintained at a substantially stable temperature, it is possible to stably and efficiently humidify the second humidifying unit. Further, in such a configuration, since the humidification is performed in advance by the first humidification unit, the amount of moisture consumed for humidification by the second humidification unit is reduced, and therefore, the consumption by the second humidification unit. The amount of cooling water that is produced is reduced. Accordingly, it is possible to suppress the amount of moisture supplied to the cooling structure, and it is possible to suppress temperature fluctuations in the cooling structure. As a result, it is possible to realize a stable humidification amount and temperature stability of the fuel cell in the second humidification unit, and the system operation can be stabilized.
Further, since the humidification amount of the supplied fuel gas or supplied oxidant gas can be adjusted to an optimum value, the stability and energy efficiency of the fuel cell system can be improved. In particular, in the configuration in which the cooling water flow rate is adjusted by providing the cooling water bypass path, the flow rate of the cooling water supplied to the fuel cell and the flow rate of the cooling water supplied to the second humidification unit are individually adjusted. can do. Therefore, cooling water having a flow rate optimum for humidification of the supplied fuel gas or supplied oxidant gas is supplied to the second humidifying unit, and other cooling water passes through the second humidifying unit through the bypass path. It becomes possible to let it flow without. As a result, waste of the water and heat energy of the cooling water in the second humidification unit can be suppressed, and the water and heat energy of the cooling water consumed in the second humidification unit can be reduced. Become. Accordingly, it is possible to efficiently obtain the supplied fuel gas or the supplied oxidant gas with the optimum humidification amount, and to efficiently and stably cool the fuel cell, which is the original role of the cooling water, to thereby operate the fuel cell operating temperature. Can be adjusted to an optimum value, and heat can be efficiently recovered from the cooling water. Accordingly, it is possible to further improve the stability and energy efficiency of the fuel cell system. In addition, in the configuration where the humidification amount is adjusted according to the power generation amount of the fuel cell and the flow rate of the supply gas, it is not necessary to add a new detector for adjusting the humidification amount, and the humidification amount is adjusted according to the operating state of the fuel cell system The amount can be easily adjusted.
[0016]
You may provide the humidifier with which the said 1st humidification part and the said 2nd humidification part were integrated integrally. For example, the humidifier has a configuration in which a plurality of flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively permeates moisture, and the first humidification is provided on one main surface of each flow path plate. A flow path for at least one of the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas is formed in the area of the exhaust gas, and a flow path of the cooling water is formed in the area of the second humidification section. A flow path for at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas that is continuous over the first humidification unit and the second humidification unit may be formed on the other main surface of the path plate. Good. Alternatively, the first humidifying unit of the humidifier has a configuration in which a plurality of first flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively permeates moisture, and each of the first flow path plates A flow path for at least one of the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas is formed on one main surface of the gas, and at least one of the supply fuel gas and the oxidant gas is supplied on the other main surface. A gas flow path is formed, and the second humidifying unit of the humidifier has a configuration in which a plurality of second flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively transmits moisture. The cooling water flow path is formed on one main surface of the second flow path plate, and the flow path of at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas is formed on the other main surface, The first humidifying unit and the second humidifying unit are stacked. The humidifier may be configured by.
[0017]
According to such a configuration, it is possible to supply the supplied fuel gas or the supplied oxidant gas from the first humidifying unit to the second humidifying unit without using a pipe or the like. Therefore, the fuel cell system can be reduced in size and the system cost can be reduced, and energy loss in the piping and the like can be prevented to further improve the energy efficiency.
[0020]
The control device may adjust a humidification amount of the supply gas by adjusting a flow rate of the cooling water supplied to the second humidification unit or a temperature of the cooling water, and the cooling structure A cooling water path for allowing the cooling water to flow through the second humidifying part, and a cooling water bypass path connected to the cooling water path so as to bypass the second humidifying part, The apparatus adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the second humidifying unit through the cooling water path and the flow rate of the cooling water supplied to the cooling water bypass path to humidify the supply gas. The amount may be adjusted.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell cogeneration system (hereinafter simply referred to as a fuel cell system) according to a first embodiment of the present invention.
[0026]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes an
[0027]
The air supplied from the
[0028]
Of the air supplied to the
[0029]
Further, in order to remove the heat generated in the
[0030]
Next, the humidifying operation to the supply air in the pre-humidifier 22 which is a feature of the present embodiment will be described. 2 and 3 are diagrams for explaining the configuration of the upstream humidifier of the fuel cell system of FIG. 1, and FIG. 2 is a perspective view of a flow path plate constituting the upstream humidifier, 2A is a view of the plate as viewed from the front surface, and FIG. 2B is a view of the plate as viewed from the back surface. 3A and 3B are schematic views of a pre-humidifier configured by stacking the flow path plates of FIG. 2, wherein FIG. 3A is an exploded perspective view and FIG. 3B is a perspective view.
[0031]
As shown in FIGS. 2A and 2B and FIGS. 3A and 3B, the pre-humidifier 22 is configured by stacking a plurality of
[0032]
In the pre-humidifier 22, since the plurality of
[0033]
The supply air humidified by the
Further, in the fuel cell system having such a configuration, it is possible to efficiently perform humidification stepwise by the
[0034]
In the above, the case where the fuel gas supplied to the fuel cell 11 (hereinafter referred to as supply fuel gas) is humidified only by the
[0035]
In this way, in the fuel cell system, the pre-humidifier that humidifies the supply gas using the exhaust gas from the
[0036]
In the following second to ninth embodiments, humidification on the air supply side of the
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to
[0037]
In the system of the present embodiment, the
[0038]
Since the
[0039]
In the
[0040]
In the present embodiment, since the pre-humidifier 22 is provided upstream of the
[0041]
In the present embodiment, the case where the supply air is humidified using the cooling water recovered from the
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to
[0042]
The system according to the present embodiment includes a
[0043]
In the present embodiment, since the pre-humidifier 22 is provided, as described above in the second embodiment, the moisture supplied from the cooling water to the supply air in the humidification in the
[0044]
In the above description, the present embodiment has been described with respect to the case where the configuration of the fuel cell system according to
(Embodiment 4)
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as the fuel cell system of the third embodiment, but the configuration in which the
[0045]
In the
[0046]
7 and 8 are schematic views showing the configuration of the
[0047]
As shown in FIGS. 7A and 7B and FIGS. 8A and 8B, the
[0048]
On the other hand, the supply air
[0049]
Here, in the
[0050]
In the fuel cell system having such a configuration, the same effects as those described in the third embodiment can be obtained. Further, since the
[0051]
In the above, in the
[0052]
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of a
[0053]
In the
(Embodiment 5)
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
[0054]
That is, in the fuel cell system of the present embodiment, the
[0055]
As long as the
(Embodiment 6)
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
[0056]
In the fuel cell system having such a configuration, the humidification amount of the supply air supplied to the
[0057]
For example, when the humidification amount detected by the
[0058]
On the other hand, when the humidification amount of the supply air is larger than the predetermined value, the
[0059]
As described above, by controlling the supply flow rate of the cooling water in accordance with the humidification amount of the supply air, the humidification amount of the supply air can be maintained at an optimum value. Thereby, the energy efficiency of the fuel cell system can be improved and the stability of the system can be improved.
[0060]
Here, in the above description, the case where the flow rate of the cooling water supplied to the
[0061]
Further, in the above, the humidification amount of the supply air is adjusted by adjusting the supply amount of the cooling water, but in addition to this, the supply amount is adjusted by adjusting the temperature of the cooling water supplied to the
[0062]
In the above description, the case where the basic configuration of the fuel cell system is the same as that of the fuel cell system of
(Embodiment 7)
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
[0063]
In the fuel cell system having such a configuration, the humidification amount of the supply air supplied to the
[0064]
For example, when the humidification amount of the supply air detected by the
[0065]
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the supply air is humidified by controlling the supply flow rate of the cooling water to the
[0066]
In the above description, the case where the flow rate of the cooling water supplied to the
[0067]
FIG. 14 is a schematic diagram showing a part of the configuration of the fuel cell system according to a modification of the present embodiment. Here, the configuration of the
[0068]
In the above description, the basic configuration has the same configuration as that of the fuel cell system of the third embodiment. However, depending on the humidification amount of the supply air, the cooling water to the
(Embodiment 8)
FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
[0069]
As described above in the sixth embodiment, the temperature of the cooling water is related to the humidification amount of the supply air. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the
[0070]
For example, when the temperature of the cooling water detected by the
[0071]
As described above, in the present embodiment, since the cooling water supply flow rate is controlled in accordance with the temperature of the cooling water, the same effects as those described in the sixth embodiment can be obtained.
[0072]
In the above description, the case where the cooling water supply flow rate is adjusted by adjusting the cooling
(Embodiment 9)
FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 9 of the present invention. As shown in FIG. 16, the fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as that of the sixth embodiment, but the power generation amount of the
[0073]
The power generation amount of the
[0074]
For example, when the power generation amount of the
[0075]
As described above, in the present embodiment, since the flow rate of the cooling water supplied to the
[0076]
In the above description, the case where the cooling water supply flow rate is adjusted by adjusting the cooling
[0077]
Further, in the above description, the case where the humidification amount of the supply air is adjusted according to the power generation amount of the
[0078]
In the above description, the basic configuration of the fuel cell system is the same as that of the fuel cell system of the third embodiment. However, the basic configuration of the fuel cell system of the present embodiment is the second and fourth embodiments. , 5 may be the same as the configuration of the fuel cell system. Furthermore, a configuration in which the present embodiment is applied to the configuration of the fuel cell system according to the seventh embodiment, that is, a configuration in which a
[0079]
In the above embodiment, the
[0080]
FIG. 17 is a schematic cutaway perspective view showing the configuration of the pre-humidifier 22 having a tube-type structure. As shown in FIG. 17, the
[0081]
In the pre-humidifier 22 having such a configuration, the supply air is supplied to the
[0082]
Here, in the
[0083]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form as described above, and has the following effects.
That is, according to the fuel cell system of the present invention, energy efficiency can be improved and stable operation of the system can be realized. In addition, the system can be made compact and simple.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
2 is a perspective view schematically showing a configuration of a flow path plate constituting the upstream humidifier of FIG. 1. FIG. 2 (a) is a view of the plate as viewed from the front surface, and FIG. It is a figure.
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the configuration of the pre-humidifying device of FIG. 1 configured by stacking a plurality of flow path plates of FIG. 2, wherein FIG. 3A is an exploded perspective view, and FIG. FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
7 is a perspective view showing a configuration of a flow path plate constituting the humidifying device of FIG. 6, wherein (a) is a view of the plate as seen from the front surface, and (b) is a view as seen from the back surface. .
8 is a diagram for explaining the configuration of the humidifying device in FIG. 6 in which a plurality of flow path plates in FIG. 7 are stacked, (a) is an exploded perspective view, and (b) is a perspective view. It is.
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of a humidifying device of a fuel cell system according to a modification of
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a modification of the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a modification of the seventh embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 9 of the present invention.
FIG. 17 is a cutaway perspective view showing a configuration of a front humidifier having a tube-type structure.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3 Air path
4,5 Exhaust air path
6, 6a, 6a, 7 Cooling water path
11 Fuel cell
12 Cooling water pump
13 Cooling water radiator
14 Cooling water tank
15 Hot water path
21a Humidifier
22 Pre-humidifier
21 'humidifier
22 'Pre-humidification part
23 Moisture transfer membrane
24 Supply air flow path
25 Exhaust air flow path
26 Cooling water flow path
27, 27 'channel plate
44 Hot water pump
45 Hot water storage tank
50 Humidifier
61 Controller
62 Three-way valve
63 Bypass route
70 proportional valve
Claims (5)
それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を順次加湿する第1の加湿部と第2の加湿部と、
冷却水を前記燃料電池に通流する冷却構造とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記第1の加湿部は、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくとも一方に含まれる水分を用いて前記加湿を行い、
前記第2の加湿部は、前記冷却水を用いて前記加湿を行い、
前記第2の加湿部から前記燃料電池に供給される前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの加湿量を検知する加湿量検知器、前記第2の加湿部に供給される前記冷却水の温度を検知する冷却水温度検知器、及び前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知器のいずれかと、
前記いずれかの検知器で検知された値に基づいて前記第2の加湿部における前記供給ガスの加湿量を調節する制御装置をさらに備えた、燃料電池システム。A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas;
A first humidifying unit and a second humidifying unit for sequentially humidifying at least one of a supply fuel gas and a supply oxidant gas which are fuel gas and oxidant gas respectively supplied to the fuel cell;
A fuel cell system comprising a cooling structure for flowing cooling water through the fuel cell;
The first humidification unit performs the humidification by using moisture contained in at least one of the fuel gas and the oxidant gas that are discharged from the fuel cell, and the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas, respectively.
The second humidifying unit performs the humidification using the cooling water,
A humidification amount detector that detects a humidification amount of at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas supplied from the second humidification unit to the fuel cell, and is supplied to the second humidification unit. coolant temperature detector for detecting the temperature of the coolant that, and with any of the power generation amount detector for detecting a power generation amount of the fuel cell,
A fuel cell system, further comprising a control device that adjusts a humidification amount of the supply gas in the second humidification unit based on a value detected by any one of the detectors.
前記制御装置は、前記冷却水経路を通じて前記第2の加湿部に供給される前記冷却水の流量と、前記冷却水バイパス経路に供給される前記冷却水の流量とを調節することによって前記供給ガスの加湿量を調節する、請求項1記載の燃料電池システム。The control device adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the second humidifying unit through the cooling water path and the flow rate of the cooling water supplied to the cooling water bypass path. The fuel cell system according to claim 1, wherein the amount of humidification is adjusted.
前記加湿装置は、複数の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、The humidifier has a configuration in which a plurality of flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively transmits moisture.
各前記流路プレートの一方の主面には、前記第1の加湿部の領域に前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成されるとともに前記第2の加湿部の領域に前記冷却水の流路が形成され、各前記流路プレートの他方の主面には、前記第1の加湿部及び前記第2の加湿部にわたって連続した前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成された、請求項1記載の燃料電池システム。On one main surface of each of the flow path plates, a flow path for at least one of the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas is formed in the region of the first humidification unit, and the second The flow path of the cooling water is formed in the area of the humidification section, and the other main surface of each of the flow path plates has the supply fuel gas continuous over the first humidification section and the second humidification section, and the The fuel cell system according to claim 1, wherein a flow path for at least one of the supply oxidant gases is formed.
前記加湿装置の前記第1の加湿部は、複数の第1の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第1の流路プレートの一方の主面には前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路が形成され、The first humidifying unit of the humidifier has a configuration in which a plurality of first flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively permeates moisture, and one of the first flow path plates A flow path for at least one of the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas is formed on the main surface, and at least one supply gas of the supply fuel gas and the supply oxidant gas is formed on the other main surface. Is formed,
前記加湿装置の前記第2の加湿部は、複数の第2の流路プレートが水分を選択透過させる水分移動膜を介して積層された構成を有し、各前記第2の流路プレートの一方の主面には前記冷却水の流路が形成され、他方の主面には前記供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガス流路が形成され、The second humidifying unit of the humidifier has a configuration in which a plurality of second flow path plates are stacked via a moisture transfer film that selectively permeates moisture, and one of the second flow path plates A flow path for the cooling water is formed on the main surface of the gas, and at least one of the supply fuel gas and the supply oxidant gas is formed on the other main surface.
前記第1の加湿部と前記第2の加湿部とが積層されて前記加湿装置が構成された請求項1記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the humidifying device is configured by stacking the first humidifying unit and the second humidifying unit.
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