JP3923627B2 - Solid polymer electrolyte 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、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池システムに係り、固体高分子膜の加湿状態の保持機能と、スペース効率に改良を施した固体高分子電解質型燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。その中でも、電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、出力密度が高いこと、構造が単純であること、動作温度が比較的低いことなどの特徴があり、より一層の技術開発への期待が高まっている。
【0003】
このような固体高分子電解質型燃料電池における単電池の基本構成を、図14に従って以下に説明する。すなわち、イオン導電性を有する固体高分子膜102を挟んで、アノード電極103、カソード電極104が配置され、単電池101が構成されている。アノード電極103は、アノード触媒層103aとアノード多孔質カーボン平板103bとによって形成されている。カソード電極104は、カソード触媒層104aとカソード多孔質カーボン平板104bとによって形成されている。
【0004】
この単電池101の上下には、導電性を有するガス不透過性のセパレータ105が配置されている。このセパレータ105には、アノード電極103及びカソード電極104に反応ガスを供給するための溝103c,104cが設けられている。
【0005】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池においては、アノード電極103に燃料ガスを、カソード電極104に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単電池101の一対の電極間で電気化学反応により、以下のように起電力が生じる。すなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード電極103に水素、カソード電極104に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極103では、供給された水素はアノード触媒層103aにおいて水素イオンと電子に解離する。そして、水素イオンは固体高分子膜102を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソード電極104に移動する。
【0006】
一方、カソード電極104においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子がカソード触媒層104aにおいて反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極103とカソード電極104においては、それぞれ以下の式1、式2に示す反応が進行する。なお、生成された水は、未反応ガスと共に電池外に排出される。
【0007】
【化1】
アノード反応:H2→2H++2e-…式1
【化2】
カソード反応:2H++1/2O2+2e-→H2O…式2
ところで、単電池101の起電力は、1V以下と低いため、通常の実用型燃料電池システムは、数十〜数百枚の単電池101を、上記セパレータ105を介して積層した電池スタックを有し、この電池スタックによる発電を行っている。そして、このような電池スタックは発電に伴って昇温することになるが、かかる昇温を制御するため冷却板が数枚の電池毎に挿入されている。
【0008】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池に使用されるイオン導電性を有する固体高分子膜102としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸(ナフィオンR:米国、デュポン社)が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基を持ち、飽和含水することによりイオン導電性電解質として機能すると共に、燃料と酸化剤を分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバが発生し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜は飽和含水としておくことが望ましい。
【0009】
一方、発電によりアノード電極で分離した水素イオンが固体高分子膜を通りカソード電極に移動する時に、水も一緒に移動するため、アノード電極側では固体高分子膜は乾燥する傾向にある。また、供給する燃料又は空気の含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入り口付近で固体高分子膜は乾燥する傾向にある。上記の理由から、固体高分子電解質型燃料電池には、予め加湿した燃料と酸化剤を供給することが一般的に行われている。
【0010】
この加湿方法としては、従来から様々な試みがなされている。最も一般的に知られているものとしては、米国特許US−5,284,718に示されている燃料電池がある。これは、図15に示すように、電池スタック内部に加湿領域を設けたものである。すなわち、燃料ガスと酸化剤ガスは、電池部である反応領域に入る前に、加湿器による加湿領域において加湿される。この加湿方法は、水と反応ガスを半透膜を介して隣接させ、水分子が半透膜を通過することにより加湿を行うものである。加湿量は、水と反応ガスの圧力差、温度、半透膜固有の物性値、面積、厚み、枚数によって左右される。
【0011】
また、他の従来技術として、特開平7−29591において提案されている加湿方法が知られている。これは、一般にバブラー方式と呼ばれているものであって、図16に示すように、燃料ラインにヒータを備えた水タンクTを設置し、水の中に燃料ガスを通過させることにより加湿を行うものである。加湿量は燃料ガス量とタンク内の水の温度とタンクの幾何学的形状に左右される。
【0012】
さらに、他の従来技術として、特開平6−231788において提案されている超音波振動子を用いたものが知られている。この方法は、図17に示すように、水のタンクTの内部に、パワーユニットPに接続された超音波振動子Sを設置し、超音波による水の霧化を行うことで、反応ガス入り口Iから入った反応ガスを加湿し、反応ガス出口Oから排出するものである。加湿量は超音波振動子Sの出力に左右される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような従来の固体高分子電解質型燃料電池システムには次のような問題点があった。
【0014】
(1)半透膜を用いた加湿器方式による問題点
半透膜を用いた加湿器による方式では、電池スタック内部に加湿器を組み込む必要があるために、電池スタック全体が大きくなり重量化する。
【0015】
また、加湿状態を最適なものとするためには、加湿量を運転状況に応じてコントロールする必要がある。しかし、燃料ガスと酸化剤ガスを反応領域に入れる前に加湿領域において加湿する方式では、加湿量のコントロールが非常に難しくなる。なぜなら、ある負荷条件が設定された場合には、温度や反応ガス圧力を大きく変化させることはできず、反応膜の面積や枚数を変化させることは、実用上不可能だからである。
【0016】
従って、この方式においては、加湿量は常時相対湿度が100%となるように、余裕を持って設計することになり、運転状況に合わせて多少相対湿度が低いガスを流すことは不可能となる。また、かかる方式では、加湿量が多過ぎて、電池接触層のフラッディングによる電池性能の低下を起こしやすい。
【0017】
(2)バブラー方式による問題点
バブラーによる加湿方式では、電池スタックには加湿部がないため、電池スタックの大型化や重量化の問題はない。しかし、加湿器としては、さらに大きな水タンクTが必要になるので、システム全体が大型化、重量化する。また、熱源として電気ヒータHを用いる場合には、電池で発電した電気を使用することになるので、システムの効率を落とすという問題がある。また、熱源として電池で反応時に発生する熱を利用するには、大きな熱交換器が必要となる。
【0018】
さらに、加湿量のコントロールは、ある決められた負荷条件においては水タンクT内の水の温度を変えることで対応せざるを得ないが、水タンクT内の水の量が大きく、水タンクT自体の熱容量も大きいことから、良好な応答性が期待し難い。また、この方式の場合には、反応ガスの温度はバブラーの温度によって決まるので、自由にコントロールすることができない。
【0019】
(3)超音波方式による問題点
超音波による加湿方式では、バブラー方式に比べて自由度が比較的大きく、加湿量は超音波振動子の出力でコントロールできるため、反応ガスの温度は独立して変化させることが可能である。しかし、水タンクTが必要であることには変わりなく、システム全体の大型化、重量化といった点に問題がある。また、超音波により微粒化された水を運ぶために、わざわざ水タンクT内に反応ガスを導いて、水滴と混合させたのち電池へ供給することになるので、バブラー方式ほどではないが、応答が遅くなる。
【0020】
(4)共通の問題点
上記の3つの従来例は代表的なものであるが、これらの方式の共通の基本的な概念は、加湿器内に反応ガスを導入し、混合させた後、電池へと供給するものである。しかし、かかる方式にすると、水蒸気側にほとんど流れがないため、混合速度が遅くなる。従って、混合状態を十分なものとするためには、大きなスペースが必要となる。
【0021】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、固体高分子電解質膜に適度な水分を与え、負荷条件等作動条件が変化しても、燃料電池として最適な状態で動作できるように、反応ガスへの加湿量をコントロール可能な固体高分子電解質型燃料電池システムを提供することにある。
【0022】
また、本発明の他の目的は、小形化、軽量化及び低コスト化が可能な固体高分子電解質型燃料電池システムを提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子から成る電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管とを備えた固体高分子電解質型燃料電池システムにおいて、以下のような技術的特徴を有する。
【0024】
すなわち、請求項1記載の発明は、前記燃料供給管及び前記酸化剤供給管の少なくとも一方に、水蒸気若しくは微粒化された水を供給する加湿手段が設けられ、前記加湿手段は、前記燃料供給管内及び前記酸化剤供給管内の少なくとも一方に設けられた回転円盤と、前記回転円盤に向かって水を供給するノズルと、前記ノズルの上流側に水を供給するポンプとによって構成されていることを特徴とする。
【0025】
以上のような請求項1記載の発明では、加湿手段によって加湿量を任意にコントロールできるので、必要な時に必要な量だけ反応ガスを加湿することによって、応答性がよく確実な加湿が可能となり、電池スタックを常時最適な運転状態に維持することができる。さらに、燃料供給管内の燃料ガス、酸化剤供給管内の酸化剤ガス及び水蒸気には、十分に速い流速があり、混合速度が速くなるために、大きな加湿器や、大きなバブラーなどを必要とせず、コンパクトで軽量なシステム構成が可能となる。また、回転円盤を高速で回転させ、その円盤に水を供給することにより、遠心力による円盤からの水の剥離現象を利用して水を微粒化する。微粒化された水は周囲の反応ガス内で直ちに蒸発し、反応ガスを加湿する。反応ガス内部の速い流速で強制的に混合加湿されるため、拡散を主体とする加湿に比べて、加湿手段をはるかにコンパクトにすることができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面に従って以下に説明する。
【0054】
(1)本発明の実施の形態
(構成)
本発明の実施の形態を、図9に従って説明する。本実施の形態は、下記の第4の参考例とほぼ同様の構成であるが、回転霧化方式を採用している点が異なる。すなわち、燃料供給管2内の一部には、霧化室29が設けられており、その中に、モータ28につながれた回転円盤27が配置されている。この回転円盤27には、テーパ部分が設けられ、テーパ部分に近接する位置に、水供給管22の先端部が配設されている。
【0055】
(作用)
以上のような本実施の形態では、モータ28によって回転円盤27が高速で回転する。そして、水供給管22から供給される水は、回転円盤27のテーパ部分によって、遠心力効果で回転円盤27端部へと移動し、当該端部から液滴となって燃料供給管2の一部である霧化室29へと散布される。散布された水は、下流側にいくに従って蒸発し、燃料ガスを加湿する。このときの加湿量は、下記の第4の参考例と同様の制御でコントロールされる。
【0056】
(効果)
以上のような本実施の形態によれば、下記第1の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、幅広い水の流量に応じて、常に一定の粒径の液滴を供給することができるので、極めて安定した加湿を実現できる。
【0031】
(2)第1の参考例
(構成)
第1の参考例を、図1及び図2に従って以下に説明する。すなわち、図1に示すように、固体高分子電解質型燃料電池の電池スタック1には、燃料ガスである水素を供給する燃料供給管2と、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給管3が接続されている。また、電池スタック1には、冷却水供給管4が接続されている。
【0032】
これらの燃料供給管2と空気供給管3には、水蒸気を供給する水蒸気発生装置5が接続されている。ここで、図中の6,7は、それぞれ水蒸気が燃料供給管2と空気供給管3に噴出される入り口を示している。水蒸気発生装置5から燃料供給管2及び空気供給管3への流路には、流量制御弁16,17が設けられており、それぞれ燃料供給管2及び空気供給管3への加湿量をコントロールできる構成となっている。
【0033】
そして、水蒸気発生装置5には、水を供給するための水供給管8が接続されている。この水供給管8には、下流側の反応ガスの圧力条件によっては、ポンプを設ける場合もあり、加圧手段として、反応ガス上流側の圧力を利用して水を加圧する方法もある。
【0034】
また、電池スタック1には、電池スタック1内で反応しきれなかった燃料ガスと空気を排出する燃料ガス排出管10及び空気排出管9と、冷却水を排出する冷却水排出管11が接続されている。
【0035】
さらに、電池スタック1には、燃料電池の作動状態をモニターするセンサーとして、固体高分子電解質膜の電気抵抗値を検出する抵抗値センサー18と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサー19とが組み込まれている。この抵抗値センサー18及び電圧センサー19は、制御装置12に接続されている。制御装置12は、電池の作動状態を判断し、水蒸気発生量を指示できるように、水蒸気発生装置5に接続されている。
【0036】
(作用)
以上のような本参考例の作用は以下の通りである。すなわち、電池スタック1に対して、燃料ガスである水素が燃料供給管2から供給され、酸化剤ガスである空気が空気供給管3から供給されることによって、発電が行われる。そして、冷却水供給管4から供給される冷却水によって、電池内部で発生する熱が、水の顕熱の形で吸収され、電池が適正な温度に保持される。さらに、電池スタック1内で反応しきれなかった燃料ガスと空気は、それぞれ燃料ガス排出管10、空気排出管9を通って排出される。また、冷却水は冷却水排出管11を通って排出される。
【0037】
このような発電過程において、燃料供給管2と空気供給管3には、水蒸気発生装置5からの水蒸気が入り口6,7から噴出され、燃料ガス及び空気が加湿される。制御装置12は、電池の作動状態を判断し、水蒸気発生装置5からの水蒸気供給量を制御する。
【0038】
より具体的には、電気抵抗値が高いと固体高分子電解質膜が乾燥状態にあるが、電気抵抗値が低く、かつ出力電圧が低いと固体高分子電解質膜がフラッディング気味で濡れすぎの状態にあることを表しているので、膜の濡れ状態は、電気抵抗値と出力電圧値によって知ることができる。従って、抵抗値センサー18によって検出された電気抵抗値と、電圧センサー19によって検出された出力電圧値に基づいて、制御装置12が水蒸気発生装置5に発生量を指示することにより、適切な濡れ状態が維持される。
【0039】
このような制御装置12による制御シーケンスの一例を、図2に示す。なお、膜抵抗値はR、電圧値はVとし、それぞれのしきい値をRs,Vsとする。すなわち、制御装置12に、抵抗値センサー18からの膜抵抗値Rと電圧センサー19からの電圧値Vが入力されると(ステップ201)。Rがしきい値Rsよりも大きい場合には(ステップ202)、水蒸気発生装置5に対して加湿量増加指令が出される(ステップ203)。
【0040】
そして、Rがしきい値Rsよりも小さく、電圧値Vがしきい値Vsよりも小さい場合には(ステップ204)、水蒸気発生装置5に対して加湿量減少指令が出される。Rがしきい値Rsよりも小さく、電圧値Vがしきい値Vsよりも大きい場合には、水蒸気発生装置の加湿量は維持され、膜抵抗値Rと電圧値Vの入力待ちとなる(ステップ206)。
【0041】
(効果)
以上のような本参考例によれば、電池スタック1の作動状態を絶えずモニターしながら燃料ガス及び空気の加湿量をコントロールするので、作動条件が変化しても、この変化に合わせて固体高分子電解質膜の濡れ状態を良好なものとし、常に最適な運転状態を維持することができる。
【0042】
また、上記の従来技術のように電池スタック1内に加湿部分を設ける必要がないので、電池スタック1の小形化、軽量化が可能となる。さらに、燃料供給管2内の燃料ガス、空気供給管3内の酸化剤ガスには、十分に速い流速があり、供給される水蒸気との混合速度が速くなるので、大きな加湿器や大きなバブラーなどを必要せず、システム全体の小形化、軽量化が実現できる。
【0043】
(3)第2の参考例
(構成)
第2の参考例を、図3に従って以下に説明する。すなわち、本参考例は、燃料供給管2と空気供給管3に設けられた水蒸気の入り口6,7の下流側に、それぞれ湿度センサー13,14が設けられている。そして、湿度センサー13,14は、制御装置12に接続されている。このように抵抗値センサー18及び電圧センサー19の代わりに湿度センサー13,14を設けた以外の構成は、上記の第1の参考例と同様である。
【0044】
(作用効果)
以上のような本参考例では、電池スタック1が作動中、燃料ガスと空気が予め設定された湿度に維持できるよう、湿度センサー13,14によって測定される湿度をモニターしながら、制御装置12によって水蒸気発生装置5及び流量制御弁16,17がコントロールされる。従って、第1の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、燃料ガスと空気の湿度を直接測定するので、必要な加湿量をより正確にコントロールすることができる。
【0045】
(4)第3の参考例
(構成)
第3の参考例を、図4及び図5に従って説明する。すなわち、本参考例においては、燃料供給管2の内部に、噴霧ノズル21が設置されている。この噴霧ノズル21は、水供給管22を介して高圧ポンプ20に接続され、高圧ポンプ20は、外部から水を供給するための水供給管8に接続されている。そして、高圧ポンプ20は、その回転数が制御装置12によって制御可能に設けられている。このように水蒸気発生装置5、流量制御弁16,17の代わりに、噴霧ノズル21及び高圧ポンプ20を設けた以外の構成は、上記の第1の参考例と同様である。
【0046】
(作用)
以上のような本参考例では、水供給管8から供給された水は、高圧ポンプ20によって高圧となり、水供給管22を介して噴霧ノズル21に供給される。そして、図5に示すように、高圧水が微細孔を持つ噴霧ノズル21を通過する際、直径数十ミクロン程度の小さな液滴に微粒化され、燃料供給管2内へ散布される。微粒化された液滴は燃料ガス内で予め蒸発し、燃料ガスを加湿する。このときの加湿量は、第1の参考例と同様に、制御装置12において、燃料電池の作動状態から必要な加湿量を判断し、それを高圧ポンプ20の回転数へとフィードバックし、加湿量を増加したいときは回転数を上げ、低減したいときは回転数を下げる制御を行うことによってコントロールする。
【0047】
(効果)
以上のような本参考例によれば、第1の参考例と同様な作用効果が得られるとともに、非常に単純な構造と小さな部材によって、加湿手段を構成することができるので、より一層コンパクトで軽量となる。
【0048】
(5)第4の参考例
(構成)
第4の参考例を、図6及び図7に従って説明する。すなわち、本参考例においては、燃料供給管内2内に、超音波ノズル24が設けられている。この超音波ノズル24には、流量制御バルブ23が設けられた水供給管22が接続されている。そして、水供給管22は、外部から水を供給するための水供給管8に接続されている。超音波ノズル24及び流量制御バルブ23は、制御装置12に接続されている。このように水蒸気発生装置5、流量制御弁16,17の代わりに、超音波ノズル24及び流量制御バルブ23を設けた以外の構成は、上記の第1の参考例と同様である。
【0049】
(作用)
以上のような本参考例では、水供給管8から供給された水は、水供給管22を介して超音波ノズル24に供給される。超音波ノズル24においては、超音波による霧化作用により、供給水が直径数十ミクロンまで微粒化され、燃料供給管2内へ散布されて、燃料ガスを加湿する。このときの加湿量は、第1の参考例と同様に、電池スタック1の作動状態から必要な加湿量を判断し、それを流量制御バルブ23へとフィードバックすることにより制御される。つまり、加湿量を増加するときはバルブ開度を大きくし、低減したいときにはバルブ開度を小さくする制御を行うことによって、加湿量がコントロールされる。
【0050】
(効果)
以上のような本参考例によれば、第1の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、第3の参考例に示した高圧噴霧方式に比べて、高圧ポンプ20が不要となるので、さらに簡潔な構成とすることができ、より一層のコンパクト化が実現できる。
【0051】
(6)第5の参考例
(構成)
第5の参考例を、図8に従って説明する。本参考例は、上記の第4の参考例とほぼ同様の構成であるが、燃料供給管2内には絞り部分26が設けられ、この絞り部分26に、超音波ノズル24ではなく水噴霧孔25が設けられている点が異なる。そして、この水噴霧孔25には、水供給管22が接続されている。
【0052】
(作用)
以上のような本参考例では、高速噴流による水の吸引効果、つまり霧吹き効果によって、燃料ガスを加湿する。すなわち、燃料供給管2を通ってきた燃料は、絞り部分26に近付くにつれて流速を徐々に増すが、反対に圧力は徐々に下がり、絞り部分26において最低の圧力となる。すると、水供給管22から供給される水が、水噴霧孔25を通って吸引され、高速の燃料ガスによって微粒化されて、加湿される。このときの加湿量は、上記の第4の実施例と同様の制御でコントロールされる。
【0053】
(効果)
以上のような本参考例によれば、第1の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、第4の参考例に比べて、超音波ノズル24が不要となるので、さらに構造を単純にすることができる。また、流量制御弁23の制御以外には、水を霧化するための電力を必要としないので、より高い発電効率を得ることができる。
【0057】
(7)第6の参考例
(構成)
第6の参考例を、図10に従って説明する。本参考例は、第1の参考例とほぼ同様の構成であるが、加湿水として電池の冷却水を用いる点が異なる。すなわち、電池スタック1の冷却水排出管11は、ポンプ30を介してラジエータ31に接続されている。このラジエータ31は、戻り管33を介して冷却水供給管4に接続されている。冷却水供給管4には、補給用バルブ32が設けられている。また、冷却水排出管11は、ポンプ30を介して水蒸気発生器5にも接続されている。
【0058】
(作用)
以上のような本参考例では、電池スタック1から排出された冷却水は、ポンプ30によって送られてラジエータ31に入り、設定温度まで冷却された後、戻り管33を通って再度電池スタック1へ供給され、循環する。そして、循環水の一部は、水蒸気発生器5に導かれ、反応ガスの加湿に用いられる。このときの加湿量は、上記の第1の実施例と同様の制御でコントロールされる。冷却水量は加湿に用いられると徐々に減ってくるので、補給用バルブ32を開き、足りない分を補給する。
【0059】
(効果)
以上のような本参考例によれば、第1の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、加湿水が予め電池の廃熱により加熱されるので、水蒸気発生器5における加熱ヒータ等に必要なエネルギーを節減できる。従って、システムの発電効率がより一層向上する。
【0060】
(8)第7の参考例
(構成)
本発明の第7の参考例を、図11に従って説明する。本参考例は、上記の第6の参考例とほぼ同様の構成であるが、燃料電池内部で反応時に生成された生成水を加湿水として用いる点が異なる。すなわち、電池スタック1の空気排出管9には、気液分離器34が設けられている。この気液分離器34は、ポンプ30を介して水蒸気発生器5に接続されている。
【0061】
(作用)
以上のような本参考例では、電池スタック1からの排出空気は、気液分離器34を通り、空気及び余分な水分が排出管9を通って外部へと排出される。気液分離器34において分離された液体すなわち水は、ポンプ30によって水蒸気発生器5に導かれ、水蒸気となって反応ガスの加湿に用いられる。このときの加湿量は、上記の第4の実施例と同様の制御でコントロールされる。
【0062】
(効果)
以上のような本参考例によれば、第1の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、加湿水が予め電池の廃熱により加熱されるので、水蒸気発生器5における加熱ヒータ等に必要なエネルギーを節減できる。従って、システムの発電効率を一層向上させることができる。
【0063】
さらに、加湿水は燃料電池の生成水の量で十分足りるので、外部より水を補給する必要がなく、より単純なシステム構成が可能となり、コンパクト化、軽量化が実現できる。
【0064】
(9)第8の参考例
(構成)
本発明の第8の参考例を、図12に従って説明する。本参考例の基本構成は、第1の参考例と同様であるが、複数の電池スタックからなるシステムである点が異なる。すなわち、増設された電池スタック35には、燃料供給管2、空気供給管3及び冷却水供給管4からの分岐部37,38,39が接続されている。水蒸気の入り口6,7は、分岐部37,38の上流側に設けられている。また、電池スタック35からの空気排出管300、燃料ガス排出管301、冷却水排出管302は、電池スタック35からの燃料ガス排出管9、空気排出管10、冷却水排出管11に接続されている。
【0065】
(作用)
以上のような本参考例では、水蒸気の入り口6,7は、分岐部37,38の上流側に設けられているので、一つの加湿器で複数の電池スタック1,35の加湿をまかなうことができる。そして、制御装置12は、第1の参考例と同様に、電池スタック1の抵抗値センサー18によって検出される固体高分子電解質膜の電気抵抗値と、電圧センサー19によって検出される電池スタック1の出力電圧をモニターし、電池の作動状態を判断して加湿量を決定する。制御装置12は水蒸気発生器5へ必要な加湿量を指令し、これに従って反応ガスが加湿されることになる。
【0066】
(効果)
以上のような本参考例によれば、複数の電池スタック1,35を有する燃料電池であっても、各電池スタックごとに加湿手段を設ける必要がないので、大幅なコンパクト化が可能となる。また、部品点数も大幅に少なくなり、製造コストも大きく低減できる。
【0067】
(10)第9の参考例
(構成)
本発明の第9の参考例を、図13に従って以下に説明する。本参考例の基本構成は、第1の参考例と同様であるが、反応ガスを電池スタック1内を通して予熱した後、加湿するようにしている点が異なる。すなわち、燃料ガス供給管2及び空気供給管3は、電池スタック1内に設けられた予熱ダクト40,41を貫通している。そして、予熱ダクト40,41から出た燃料ガス供給管2及び空気供給管3には、水蒸気の入り口6,7が設けられ、さらに電池スタック1内に導かれている。
【0068】
(作用)
以上のような本参考例では、燃料ガス供給管2及び空気供給管3より供給された燃料ガスと空気は、電池スタック1内に設けられた予熱ダクト40,41を通って予熱される。そして、電池スタック1の外部にて水蒸気発生器5により加湿された後、電池スタック1内に導かれ、反応する。
【0069】
(効果)
以上のような本参考例によれば、反応ガスが予熱され温度が高い状態で水蒸気が供給されるため、反応ガス内に噴出された水蒸気は凝縮しにくくなり、より広範囲の温度領域で効果的な加湿が可能となる。また、反応ガスの予熱には、電池スタック1の発電により生じた熱を用いるので、効率的である。
【0070】
(11)他の参考例
以上のような参考例では、各部材の構成は以下のとおり適宜変更可能である。例えば、第2の参考例における湿度センサー13,14の代わりに、電池スタック1の電流を測定する電流センサーを用いても、加湿量決定のための情報とすることができる。すなわち、加湿量はほぼ負荷量に比例するため、予め比例常数を設定すれば、最適な湿度とするために必要な加湿量を算出できることになる。
【0071】
さらに、システム上、負荷量は利用する側から決定される場合が多いので、その場合には、制御装置12が負荷量を把握していることになり、センサーを用いない場合であっても、ある程度の制御が可能となる。
【0072】
また、湿度センサーの代わりに燃料ガスの流量センサーを用いても、加湿量決定のための情報とすることができる。すなわち、加湿量はほぼ燃料流量に比例するため、予め比例常数を設定すれば、最適な湿度とするために必要な加湿量を算出できることになる。空気流量についても全く同様のことが言える。
【0073】
さらに、システム上、負荷量は利用する側から決定される場合が多く、負荷量はまた反応ガス量にほぼ比例するので、その場合は制御装置12が反応ガス量を把握していることになり、センサーを用いない場合であっても、ある程度の制御が可能である。
【0074】
また、上記の第3の参考例における加圧ポンプ20の代わりに、水蒸気発生装置5を設けることも可能である。また、上記の第3〜5の参考例では、燃料ガス側の加湿を行っているが、同様の方法で空気側の加湿を行うことも可能である。また、上記の第8の参考例では、電池の作動状態として、代表的な電池スタック1の状態をモニターしているが、複数の電池スタック1,35の平均の値を採用してもよい。また、加湿状態をモニターする手段としては、第2の参考例で述べたような湿度センサーを用いてもよく、流量センサーを用いてもよい。さらに、加湿手段としては、図12に示す水蒸気発生器に限定されることはなく、第3〜5の参考例で述べたような種々の加湿手段が適用できる。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固体高分子電解質膜に適度な水分を与え、負荷条件等作動条件が変化しても、燃料電池として最適な状態で動作できるように、反応ガスへの加湿量をコントロール可能な固体高分子電解質型燃料電池システムを提供することができる。また、小形化、軽量化及び低コスト化が可能な固体高分子電解質型燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 固体高分子電解質型燃料電池システムの第1の参考例を示す構成図である。
【図2】 図1の参考例における加湿制御の基本シーケンスを表す流れ図である。
【図3】 固体高分子電解質型燃料電池システムの第2の参考例を示す構成図である。
【図4】 固体高分子電解質型燃料電池システムの第3の参考例を示す構成図である。
【図5】 図4の参考例における噴霧ノズル近傍の燃料ガス供給管を示す断面図である。
【図6】 固体高分子電解質型燃料電池システムの第4の参考例を示す構成図である。
【図7】 図6の参考例における超音波ノズル近傍の燃料ガス供給管を示す断面図である。
【図8】 固体高分子電解質型燃料電池システムの第5の参考例における絞り部近傍の燃料ガス供給管を示す断面図である。
【図9】 本発明の固体高分子電解質型燃料電池システムの実施の形態における回転霧化装置近傍の燃料ガス供給管を示す断面図である。
【図10】 固体高分子電解質型燃料電池システムの第6の参考例を示す構成図である。
【図11】 固体高分子電解質型燃料電池システムの第7の参考例を示す構成図である。
【図12】 固体高分子電解質型燃料電池システムの第8の参考例を示す構成図である。
【図13】 固体高分子電解質型燃料電池システムの第9の参考例を示す構成図である。
【図14】 従来の燃料電池の単電池構造の一例を表す断面図である。
【図15】 電池スタック内部に加湿部分を持つ従来の燃料電池システムの一例を示す側面図である。
【図16】 加湿装置としてバブラーを備えた従来の燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図17】 加湿装置として超音波霧化装置を備えた従来の電池スタックの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1,35…電池スタック
2…燃料供給管
3…空気供給管
4…冷却水供給管
5…水蒸気発生装置
6,7…水蒸気入り口
8,22…水供給管
9,300…空気排出管
10,301…燃料ガス排出管
11,302…冷却水排出管
12…制御装置
13,14…湿度センサー
16,17,23,32…流量制御弁
18…抵抗値センサー
19…電圧センサー
20…高圧ポンプ
21…噴霧ノズル
24…超音波ノズル
25…水噴出口
26…絞り部
27…回転円盤
28…モーター
29…霧化室
30…循環ポンプ
31…ラジエーター
33…冷却水戻り管
34…気液分離器
37,38,39…分岐部
40,41…予熱ダクト
101…単電池
102…固体高分子膜
103…アノード電極
103a…アノード触媒層
103b…アノード多孔質カーボン平板
103c…燃料供給溝
104…カソード電極
104a…カソード触媒層
104b…カソード多孔質カーボン平板
104c…酸化剤供給溝
105…セパレータ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell system using a solid polymer membrane as an electrolyte, and relates to a solid polymer electrolyte fuel cell having an improved function of maintaining a humid state of a solid polymer membrane and space efficiency. About the system.
[0002]
[Prior art]
  A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. Among them, solid polymer electrolyte fuel cells using a polymer ion exchange membrane as an electrolyte have features such as high output density, simple structure, and relatively low operating temperature. There are growing expectations for technological development.
[0003]
  The basic configuration of the unit cell in such a solid polymer electrolyte fuel cell will be described below with reference to FIG. In other words, the anode electrode 103 and the cathode electrode 104 are arranged with the solid polymer film 102 having ion conductivity interposed therebetween, and the unit cell 101 is configured. The anode electrode 103 is formed by an anode catalyst layer 103a and an anode porous carbon flat plate 103b. The cathode electrode 104 is formed by a cathode catalyst layer 104a and a cathode porous carbon flat plate 104b.
[0004]
  A gas-impermeable separator 105 having conductivity is disposed above and below the unit cell 101. The separator 105 is provided with grooves 103 c and 104 c for supplying reaction gas to the anode electrode 103 and the cathode electrode 104.
[0005]
  In the solid polymer electrolyte fuel cell as described above, when a fuel gas is supplied to the anode electrode 103 and an oxidant gas is supplied to the cathode electrode 104, an electrochemical reaction between the pair of electrodes of the unit cell 101 causes the following. Thus, an electromotive force is generated. That is, normally, hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidant gas. First, when hydrogen is supplied to the anode electrode 103 and air is supplied to the cathode electrode 104, the anode gas 103 is supplied. Hydrogen dissociates into hydrogen ions and electrons in the anode catalyst layer 103a. Then, hydrogen ions pass through the solid polymer film 102, and electrons move to the cathode electrode 104 through the external circuit.
[0006]
  On the other hand, in the cathode electrode 104, oxygen in the supplied air, the hydrogen ions, and electrons react in the cathode catalyst layer 104a to generate water. At this time, electrons passing through the external circuit become current and can supply power. That is, in the anode electrode 103 and the cathode electrode 104, reactions shown in the following formulas 1 and 2 proceed, respectively. The produced water is discharged out of the battery together with the unreacted gas.
[0007]
[Chemical 1]
Anode reaction: H2→ 2H++ 2e-... Formula 1
[Chemical 2]
Cathode reaction: 2H++ 1 / 2O2+ 2e-→ H2O ... Formula 2
  By the way, since the electromotive force of the unit cell 101 is as low as 1 V or less, an ordinary practical fuel cell system has a battery stack in which several tens to several hundreds of unit cells 101 are stacked via the separator 105. This battery stack generates electricity. Such a battery stack rises in temperature with power generation, and a cooling plate is inserted for each of several batteries to control the temperature rise.
[0008]
  Examples of the solid polymer membrane 102 having ionic conductivity used in the solid polymer electrolyte fuel cell as described above include, for example, perfluorolocarbon sulfonic acid (Nafion) which is a proton exchange membrane.R: DuPont, USA). This membrane has a hydrogen ion exchange group in the molecule, and functions as an ion conductive electrolyte by saturated water content, and also has a function of separating fuel and oxidant. Conversely, when the water content of the membrane decreases, the ionic resistance increases and a crossover in which the fuel and the oxidant are mixed occurs, making it impossible to generate power in the battery. For this reason, it is desirable that the solid polymer film be saturated with water.
[0009]
  On the other hand, when hydrogen ions separated at the anode electrode by power generation move to the cathode electrode through the solid polymer membrane, water also moves together. Therefore, the solid polymer membrane tends to dry on the anode electrode side. Further, when the supplied fuel or air contains less water vapor, the solid polymer membrane tends to dry near the respective reaction gas inlets. For the above reasons, it is common practice to supply a pre-humidified fuel and oxidant to the solid polymer electrolyte fuel cell.
[0010]
  Various attempts have been made as a humidifying method. The most commonly known is the fuel cell shown in US Pat. No. 5,284,718. As shown in FIG. 15, a humidified area is provided inside the battery stack. That is, the fuel gas and the oxidant gas are humidified in the humidification region by the humidifier before entering the reaction region which is the battery unit. In this humidification method, water and reaction gas are placed adjacent to each other through a semipermeable membrane, and water molecules are humidified by passing through the semipermeable membrane. The amount of humidification depends on the pressure difference between water and the reaction gas, temperature, physical property values specific to the semipermeable membrane, area, thickness, and number of sheets.
[0011]
  As another conventional technique, a humidification method proposed in JP-A-7-29591 is known. This is generally called a bubbler system. As shown in FIG. 16, a water tank T equipped with a heater is installed in the fuel line, and the fuel gas is passed through the water to humidify it. Is what you do. The amount of humidification depends on the amount of fuel gas, the temperature of the water in the tank, and the geometry of the tank.
[0012]
  Further, as another conventional technique, one using an ultrasonic transducer proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-231788 is known. In this method, as shown in FIG. 17, an ultrasonic transducer S connected to a power unit P is installed inside a water tank T, and atomization of water by ultrasonic waves is performed. The reaction gas entered from is humidified and discharged from the reaction gas outlet O. The humidification amount depends on the output of the ultrasonic transducer S.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the conventional solid polymer electrolyte fuel cell system as described above has the following problems.
[0014]
(1) Problems with the humidifier system using a semipermeable membrane
  In the method using a humidifier using a semipermeable membrane, since it is necessary to incorporate a humidifier inside the battery stack, the entire battery stack becomes larger and heavier.
[0015]
  In addition, in order to optimize the humidified state, it is necessary to control the humidification amount according to the operating conditions. However, in the method in which the fuel gas and the oxidant gas are humidified in the humidification region before entering the reaction region, it becomes very difficult to control the humidification amount. This is because, when a certain load condition is set, the temperature and the reaction gas pressure cannot be changed greatly, and it is practically impossible to change the area and number of reaction films.
[0016]
  Therefore, in this method, the humidification amount is designed with a margin so that the relative humidity is always 100%, and it becomes impossible to flow a gas with a relatively low relative humidity in accordance with the operating conditions. . Further, in such a system, the amount of humidification is excessive, and battery performance is likely to be deteriorated due to flooding of the battery contact layer.
[0017]
(2) Problems with the bubbler system
  In the humidification method using a bubbler, the battery stack has no humidification part, so there is no problem of increasing the size and weight of the battery stack. However, since the humidifier requires a larger water tank T, the entire system becomes larger and heavier. In addition, when the electric heater H is used as a heat source, electricity generated by the battery is used, which causes a problem of reducing the efficiency of the system. Also, a large heat exchanger is required to use the heat generated during the reaction in the battery as a heat source.
[0018]
  Furthermore, the control of the humidification amount must be dealt with by changing the temperature of the water in the water tank T under a certain load condition, but the amount of water in the water tank T is large and the water tank T Since its own heat capacity is large, it is difficult to expect good responsiveness. In this system, the temperature of the reaction gas is determined by the bubbler temperature and cannot be freely controlled.
[0019]
(3) Problems with the ultrasonic method
  The humidification method using ultrasonic waves has a relatively large degree of freedom compared to the bubbler method, and the humidification amount can be controlled by the output of the ultrasonic vibrator, so that the temperature of the reaction gas can be changed independently. However, the necessity of the water tank T remains unchanged, and there is a problem in terms of increasing the size and weight of the entire system. In addition, in order to carry water atomized by ultrasonic waves, the reaction gas is purposely introduced into the water tank T and mixed with water droplets before being supplied to the battery. Becomes slower.
[0020]
(4) Common problems
  The above three conventional examples are representative, but the common basic concept of these systems is to introduce a reaction gas into a humidifier, mix it, and then supply it to the battery. . However, with this method, there is almost no flow on the water vapor side, so the mixing speed is slow. Therefore, a large space is required to obtain a sufficient mixed state.
[0021]
  The present invention has been proposed in order to solve the above-described problems of the prior art, and its purpose is to give an appropriate amount of moisture to the solid polymer electrolyte membrane and to change the operating conditions such as load conditions. Another object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte fuel cell system capable of controlling the humidification amount of the reaction gas so that the fuel cell can operate in an optimum state.
[0022]
  Another object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte fuel cell system that can be reduced in size, weight, and cost.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the present invention provides a battery stack having at least one unit cell in which an electrolyte membrane made of a solid polymer is disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode, and a fuel in the fuel electrode. A solid polymer electrolyte fuel cell system including a fuel supply pipe for supplying gas and an oxidant supply pipe for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode has the following technical features.
[0024]
  That is, according to the first aspect of the present invention, humidification means for supplying water vapor or atomized water is provided in at least one of the fuel supply pipe and the oxidant supply pipe, and the humidification means is provided in the fuel supply pipe. And a rotating disk provided in at least one of the oxidant supply pipes, a nozzle for supplying water toward the rotating disk, and a pump for supplying water to the upstream side of the nozzle. And
[0025]
  In the invention according to claim 1 as described above, since the humidification amount can be arbitrarily controlled by the humidifying means, by humidifying the reaction gas by a necessary amount when necessary, responsiveness and reliable humidification can be achieved. The battery stack can always be maintained in an optimal operating state. Furthermore, the fuel gas in the fuel supply pipe, the oxidant gas in the oxidant supply pipe and the water vapor have a sufficiently high flow rate, and the mixing speed increases, so a large humidifier or a large bubbler is not required, A compact and lightweight system configuration is possible. Further, by rotating the rotating disk at high speed and supplying water to the disk, water is atomized by utilizing the phenomenon of water separation from the disk due to centrifugal force. The atomized water immediately evaporates in the surrounding reaction gas, humidifying the reaction gas. Since the mixing and humidification is forcibly performed at a high flow rate inside the reaction gas, the humidifying means can be made much more compact than the humidification mainly involving diffusion.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0054]
(1) Embodiment of the present invention
(Constitution)
  An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment isFourth reference example belowThe configuration is substantially the same as that, except that a rotary atomization method is employed. That is, an atomization chamber 29 is provided in a part of the fuel supply pipe 2, and a rotating disk 27 connected to the motor 28 is disposed therein. The rotating disk 27 is provided with a tapered portion, and the tip of the water supply pipe 22 is disposed at a position close to the tapered portion.
[0055]
(Function)
  In the present embodiment as described above, the rotating disk 27 is rotated at a high speed by the motor 28. Then, the water supplied from the water supply pipe 22 is moved to the end of the rotary disk 27 by the centrifugal force effect by the taper portion of the rotary disk 27, and becomes a droplet from the end to form a part of the fuel supply pipe 2. It is sprayed to the atomization chamber 29 which is a part. The sprayed water evaporates as it goes downstream, humidifying the fuel gas. The amount of humidification at this time isFourth reference example belowIt is controlled by the same control.
[0056]
(effect)
  According to this embodiment as described above,First reference example belowIn addition, the droplets having a constant particle diameter can be always supplied according to a wide range of water flow rates, so that extremely stable humidification can be realized.
[0031]
(2)First reference example
(Constitution)
  First reference exampleWill be described below with reference to FIGS. That is, as shown in FIG. 1, a fuel supply pipe 2 that supplies hydrogen as a fuel gas and an air supply pipe 3 that supplies air as an oxidant gas to a battery stack 1 of a solid polymer electrolyte fuel cell. Is connected. A cooling water supply pipe 4 is connected to the battery stack 1.
[0032]
  A steam generator 5 for supplying steam is connected to the fuel supply pipe 2 and the air supply pipe 3. Here, 6 and 7 in the figure indicate entrances through which water vapor is ejected to the fuel supply pipe 2 and the air supply pipe 3, respectively. Flow control valves 16 and 17 are provided in the flow path from the water vapor generating device 5 to the fuel supply pipe 2 and the air supply pipe 3, and the humidification amount to the fuel supply pipe 2 and the air supply pipe 3 can be controlled, respectively. It has a configuration.
[0033]
  A water supply pipe 8 for supplying water is connected to the steam generator 5. The water supply pipe 8 may be provided with a pump depending on the pressure condition of the reaction gas on the downstream side, and as a pressurizing means, there is a method of pressurizing water using the pressure on the upstream side of the reaction gas.
[0034]
  Also connected to the battery stack 1 are a fuel gas discharge pipe 10 and an air discharge pipe 9 for discharging fuel gas and air that could not react in the battery stack 1, and a cooling water discharge pipe 11 for discharging cooling water. ing.
[0035]
  Further, the battery stack 1 includes a resistance value sensor 18 for detecting the electric resistance value of the solid polymer electrolyte membrane and a voltage sensor 19 for detecting the output voltage of the fuel cell as sensors for monitoring the operating state of the fuel cell. It has been incorporated. The resistance value sensor 18 and the voltage sensor 19 are connected to the control device 12. The control device 12 is connected to the water vapor generation device 5 so as to determine the operating state of the battery and to indicate the amount of water vapor generation.
[0036]
(Function)
  Like the aboveReference exampleThe operation of is as follows. That is, the battery stack 1 is supplied with hydrogen as a fuel gas from the fuel supply pipe 2 and supplied with air as an oxidant gas from the air supply pipe 3 to generate power. The heat generated inside the battery is absorbed by the cooling water supplied from the cooling water supply pipe 4 in the form of sensible heat of water, and the battery is maintained at an appropriate temperature. Further, the fuel gas and air that could not react in the battery stack 1 are discharged through the fuel gas discharge pipe 10 and the air discharge pipe 9, respectively. Further, the cooling water is discharged through the cooling water discharge pipe 11.
[0037]
  In such a power generation process, water vapor from the water vapor generating device 5 is ejected from the inlets 6 and 7 to the fuel supply pipe 2 and the air supply pipe 3, and the fuel gas and air are humidified. The controller 12 determines the operating state of the battery and controls the amount of water vapor supplied from the water vapor generator 5.
[0038]
  More specifically, when the electric resistance value is high, the solid polymer electrolyte membrane is in a dry state, but when the electric resistance value is low and the output voltage is low, the solid polymer electrolyte membrane is flooded and too wet. This means that the wet state of the film can be known from the electric resistance value and the output voltage value. Therefore, based on the electrical resistance value detected by the resistance value sensor 18 and the output voltage value detected by the voltage sensor 19, the control device 12 instructs the water vapor generation device 5 on the generation amount, so that an appropriate wet state is obtained. Is maintained.
[0039]
  An example of a control sequence by such a control device 12 is shown in FIG. The film resistance value is R, the voltage value is V, and the threshold values are Rs and Vs. That is, when the membrane resistance value R from the resistance value sensor 18 and the voltage value V from the voltage sensor 19 are input to the control device 12 (step 201). When R is larger than the threshold value Rs (step 202), a humidification amount increase command is issued to the steam generator 5 (step 203).
[0040]
  When R is smaller than the threshold value Rs and the voltage value V is smaller than the threshold value Vs (step 204), a humidification amount reduction command is issued to the steam generator 5. When R is smaller than the threshold value Rs and the voltage value V is larger than the threshold value Vs, the humidification amount of the water vapor generator is maintained, and input of the membrane resistance value R and the voltage value V is waited (step). 206).
[0041]
(effect)
  Like the aboveReference exampleAccording to the above, since the humidification amount of the fuel gas and the air is controlled while continuously monitoring the operation state of the battery stack 1, even if the operation condition changes, the solid polymer electrolyte membrane has a good wet state in accordance with the change. Therefore, it is possible to always maintain the optimum operating state.
[0042]
  In addition, since it is not necessary to provide a humidified portion in the battery stack 1 as in the above prior art, the battery stack 1 can be reduced in size and weight. Furthermore, the fuel gas in the fuel supply pipe 2 and the oxidant gas in the air supply pipe 3 have a sufficiently high flow rate, and the mixing speed with the supplied water vapor increases, so that a large humidifier, a large bubbler, etc. Therefore, it is possible to reduce the size and weight of the entire system.
[0043]
(3)Second reference example
(Constitution)
  Second reference exampleIs described below with reference to FIG. That is,Reference exampleAre provided with humidity sensors 13 and 14 on the downstream side of the water vapor inlets 6 and 7 provided in the fuel supply pipe 2 and the air supply pipe 3, respectively. The humidity sensors 13 and 14 are connected to the control device 12. In this way, the configuration other than the provision of the humidity sensors 13 and 14 in place of the resistance value sensor 18 and the voltage sensor 19 is as described above.First reference exampleIt is the same.
[0044]
(Function and effect)
  Like the aboveReference exampleThen, while the battery stack 1 is in operation, the controller 12 controls the water vapor generator 5 and the flow rate while monitoring the humidity measured by the humidity sensors 13 and 14 so that the fuel gas and air can be maintained at a preset humidity. Valves 16 and 17 are controlled. Therefore,First reference exampleAs well as obtaining the same operational effects, the humidity of the fuel gas and the air are directly measured, so that the required humidification amount can be controlled more accurately.
[0045]
(4)Third reference example
(Constitution)
  Third reference exampleWill be described with reference to FIGS. That is,Reference example, A spray nozzle 21 is installed inside the fuel supply pipe 2. The spray nozzle 21 is connected to a high-pressure pump 20 via a water supply pipe 22, and the high-pressure pump 20 is connected to a water supply pipe 8 for supplying water from the outside. The high-pressure pump 20 is provided such that its rotation speed can be controlled by the control device 12. As described above, the configuration other than the provision of the spray nozzle 21 and the high-pressure pump 20 in place of the water vapor generating device 5 and the flow rate control valves 16 and 17 is as described above.First reference exampleIt is the same.
[0046]
(Function)
  Like the aboveReference exampleThen, the water supplied from the water supply pipe 8 becomes high pressure by the high-pressure pump 20 and is supplied to the spray nozzle 21 via the water supply pipe 22. Then, as shown in FIG. 5, when the high-pressure water passes through the spray nozzle 21 having fine holes, it is atomized into small droplets having a diameter of about several tens of microns and dispersed into the fuel supply pipe 2. The atomized droplets are previously evaporated in the fuel gas and humidify the fuel gas. The amount of humidification at this time isFirst reference exampleSimilarly, the control device 12 determines the required humidification amount from the operating state of the fuel cell, feeds it back to the rotational speed of the high-pressure pump 20, and increases the rotational speed to reduce the humidification amount. When controlling by lowering the rotation speed.
[0047]
(effect)
  Like the aboveReference exampleAccording toFirst reference exampleIn addition, the humidifying means can be configured with a very simple structure and small members, so that it becomes even more compact and lightweight.
[0048]
(5)Fourth reference example
(Constitution)
  Fourth reference exampleWill be described with reference to FIGS. That is,Reference exampleIn FIG. 2, an ultrasonic nozzle 24 is provided in the fuel supply pipe 2. A water supply pipe 22 provided with a flow rate control valve 23 is connected to the ultrasonic nozzle 24. The water supply pipe 22 is connected to the water supply pipe 8 for supplying water from the outside. The ultrasonic nozzle 24 and the flow rate control valve 23 are connected to the control device 12. As described above, the configuration other than the provision of the ultrasonic nozzle 24 and the flow rate control valve 23 in place of the water vapor generation device 5 and the flow rate control valves 16 and 17 is as described above.First reference exampleIt is the same.
[0049]
(Function)
  Like the aboveReference exampleThen, the water supplied from the water supply pipe 8 is supplied to the ultrasonic nozzle 24 through the water supply pipe 22. In the ultrasonic nozzle 24, the supply water is atomized to a diameter of several tens of microns by the atomization action by ultrasonic waves, and is sprayed into the fuel supply pipe 2 to humidify the fuel gas. The amount of humidification at this time isFirst reference exampleIn the same manner as described above, the required humidification amount is determined from the operating state of the battery stack 1 and is controlled by feeding it back to the flow control valve 23. That is, when the humidification amount is increased, the valve opening is increased, and when it is desired to be decreased, the valve opening is decreased to control the humidification amount.
[0050]
(effect)
  Like the aboveReference exampleAccording toFirst reference exampleThe same effect as is obtained,Third reference exampleCompared with the high-pressure spray system shown in FIG. 1, the high-pressure pump 20 is not required, so that a simpler configuration can be achieved and further compactness can be realized.
[0051]
(6)Fifth reference example
(Constitution)
  Fifth reference exampleWill be described with reference to FIG.Reference exampleThe aboveFourth reference exampleThe throttle part 26 is provided in the fuel supply pipe 2 except that the water spray hole 25 is provided in the throttle part 26 instead of the ultrasonic nozzle 24. A water supply pipe 22 is connected to the water spray hole 25.
[0052]
(Function)
  Like the aboveReference exampleThen, the fuel gas is humidified by the water suction effect by the high-speed jet, that is, the spray effect. That is, the fuel that has passed through the fuel supply pipe 2 gradually increases in flow velocity as it approaches the throttle portion 26, but on the contrary, the pressure gradually decreases and becomes the lowest pressure in the throttle portion 26. Then, the water supplied from the water supply pipe 22 is sucked through the water spray holes 25, atomized by high-speed fuel gas, and humidified. The amount of humidification at this time is controlled by the same control as in the fourth embodiment.
[0053]
(effect)
  Like the aboveReference exampleAccording toFirst reference exampleThe same effect as is obtained,Fourth reference exampleCompared to the above, since the ultrasonic nozzle 24 is not required, the structure can be further simplified. Moreover, since the electric power for atomizing water is not required other than control of the flow control valve 23, higher power generation efficiency can be obtained.
[0057]
(7)Sixth reference example
(Constitution)
  Sixth reference exampleWill be described with reference to FIG.Reference exampleIsFirst reference exampleHowever, it is different in that the cooling water of the battery is used as the humidifying water. That is, the cooling water discharge pipe 11 of the battery stack 1 is connected to the radiator 31 via the pump 30. The radiator 31 is connected to the cooling water supply pipe 4 through a return pipe 33. The cooling water supply pipe 4 is provided with a supply valve 32. The cooling water discharge pipe 11 is also connected to the water vapor generator 5 via the pump 30.
[0058]
(Function)
  Like the aboveReference exampleThen, the cooling water discharged from the battery stack 1 is sent by the pump 30 and enters the radiator 31, cooled to the set temperature, and then supplied to the battery stack 1 again through the return pipe 33 and circulates. And a part of circulating water is guide | induced to the water vapor generator 5, and is used for humidification of a reaction gas. The humidification amount at this time is controlled by the same control as that in the first embodiment. Since the amount of cooling water gradually decreases when it is used for humidification, the replenishment valve 32 is opened to supply the missing amount.
[0059]
(effect)
  Like the aboveReference exampleAccording toFirst reference exampleThe humidifying water is heated by the waste heat of the battery in advance, so that the energy required for the heater in the steam generator 5 can be saved. Therefore, the power generation efficiency of the system is further improved.
[0060]
(8)Seventh reference example
(Constitution)
  Of the present inventionSeventh reference exampleWill be described with reference to FIG.Reference exampleThe aboveSixth reference exampleHowever, it is different in that the generated water generated during the reaction inside the fuel cell is used as humidified water. That is, a gas-liquid separator 34 is provided in the air discharge pipe 9 of the battery stack 1. The gas-liquid separator 34 is connected to the water vapor generator 5 via the pump 30.
[0061]
(Function)
  Like the aboveReference exampleThen, the exhaust air from the battery stack 1 passes through the gas-liquid separator 34, and the air and excess water are exhausted to the outside through the exhaust pipe 9. The liquid, that is, water separated in the gas-liquid separator 34 is guided to the water vapor generator 5 by the pump 30 and used as the water vapor to humidify the reaction gas. The amount of humidification at this time is controlled by the same control as in the fourth embodiment.
[0062]
(effect)
  Like the aboveReference exampleAccording toFirst reference exampleThe humidifying water is heated by the waste heat of the battery in advance, so that the energy required for the heater in the steam generator 5 can be saved. Therefore, the power generation efficiency of the system can be further improved.
[0063]
  Further, since the amount of water generated by the fuel cell is sufficient for the humidified water, it is not necessary to replenish water from the outside, and a simpler system configuration can be realized, and a reduction in size and weight can be realized.
[0064]
(9)Eighth reference example
(Constitution)
  Of the present inventionEighth reference exampleWill be described with reference to FIG.Reference exampleThe basic configuration ofFirst reference exampleThe difference is that the system is composed of a plurality of battery stacks. That is, branch portions 37, 38, 39 from the fuel supply pipe 2, the air supply pipe 3, and the cooling water supply pipe 4 are connected to the added battery stack 35. The steam inlets 6 and 7 are provided on the upstream side of the branch portions 37 and 38. The air discharge pipe 300, the fuel gas discharge pipe 301, and the cooling water discharge pipe 302 from the battery stack 35 are connected to the fuel gas discharge pipe 9, the air discharge pipe 10, and the cooling water discharge pipe 11 from the battery stack 35. Yes.
[0065]
(Function)
  Like the aboveReference exampleThen, since the steam inlets 6 and 7 are provided on the upstream side of the branch portions 37 and 38, the humidification of the plurality of battery stacks 1 and 35 can be performed with one humidifier. Then, the control device 12First reference exampleIn the same manner as described above, the electric resistance value of the solid polymer electrolyte membrane detected by the resistance value sensor 18 of the battery stack 1 and the output voltage of the battery stack 1 detected by the voltage sensor 19 are monitored to determine the operating state of the battery. To determine the amount of humidification. The control device 12 instructs the water vapor generator 5 on the necessary humidification amount, and the reaction gas is humidified accordingly.
[0066]
(effect)
  Like the aboveReference exampleAccordingly, even a fuel cell having a plurality of battery stacks 1 and 35 need not be provided with a humidifying means for each battery stack, and thus can be greatly reduced in size. In addition, the number of parts is greatly reduced, and the manufacturing cost can be greatly reduced.
[0067]
(10)Ninth reference example
(Constitution)
  Of the present inventionNinth reference exampleIs described below with reference to FIG.Reference exampleThe basic configuration ofFirst reference exampleHowever, the reaction gas is preheated through the battery stack 1 and then humidified. That is, the fuel gas supply pipe 2 and the air supply pipe 3 pass through preheating ducts 40 and 41 provided in the battery stack 1. The fuel gas supply pipe 2 and the air supply pipe 3 exiting from the preheating ducts 40 and 41 are provided with water vapor inlets 6 and 7, and further led into the battery stack 1.
[0068]
(Function)
  Like the aboveReference exampleThen, the fuel gas and air supplied from the fuel gas supply pipe 2 and the air supply pipe 3 are preheated through preheating ducts 40 and 41 provided in the battery stack 1. Then, after being humidified by the water vapor generator 5 outside the battery stack 1, it is guided into the battery stack 1 and reacts.
[0069]
(effect)
  Like the aboveReference exampleAccording to this, since the reaction gas is preheated and the water vapor is supplied in a high temperature state, the water vapor injected into the reaction gas is less likely to condense, and effective humidification is possible in a wider temperature range. Further, since the heat generated by the power generation of the battery stack 1 is used for preheating the reaction gas, it is efficient.
[0070]
(11)Other reference examples
  In the reference examples as described above, the configuration of each member can be appropriately changed as follows.For example,Second reference exampleInformation for determining the humidification amount can be obtained by using a current sensor that measures the current of the battery stack 1 instead of the humidity sensors 13 and 14 in FIG. That is, since the humidification amount is almost proportional to the load amount, if a proportional constant is set in advance, the humidification amount necessary to obtain the optimum humidity can be calculated.
[0071]
  Furthermore, since the load amount is often determined from the use side on the system, in that case, the control device 12 knows the load amount, and even if the sensor is not used, Some control is possible.
[0072]
  Further, information for determining the humidification amount can be obtained by using a fuel gas flow sensor instead of the humidity sensor. That is, since the humidification amount is substantially proportional to the fuel flow rate, if a proportional constant is set in advance, the humidification amount necessary to obtain the optimum humidity can be calculated. The same is true for the air flow rate.
[0073]
  Further, in the system, the load amount is often determined from the use side, and the load amount is also almost proportional to the reaction gas amount. In this case, the control device 12 knows the reaction gas amount. Even when the sensor is not used, a certain degree of control is possible.
[0074]
  Also, aboveThird reference exampleInstead of the pressurizing pump 20 in FIG. Also,Above 3-5 reference examplesThen, humidification on the fuel gas side is performed, but humidification on the air side can also be performed in the same manner. Also, aboveEighth reference exampleThen, although the state of the typical battery stack 1 is monitored as the operation state of the battery, an average value of the plurality of battery stacks 1 and 35 may be adopted. As a means for monitoring the humidified state,Second reference exampleA humidity sensor such as that described above may be used, or a flow rate sensor may be used. Furthermore, the humidifying means is not limited to the steam generator shown in FIG.Third to fifth reference examplesVarious humidifying means as described above can be applied.
[0076]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, the solid polymer electrolyte membrane is supplied with an appropriate amount of water, and even if the operating conditions such as the load conditions change, the reaction gas can be operated so as to operate in an optimum state as a fuel cell. It is possible to provide a solid polymer electrolyte fuel cell system capable of controlling the amount of humidification. In addition, it is possible to provide a solid polymer electrolyte fuel cell system that can be reduced in size, weight, and cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a solid polymer electrolyte fuel cell system.First reference exampleFIG.
FIG. 2 of FIG.Reference exampleIt is a flowchart showing the basic sequence of the humidification control in.
[Fig. 3] Solid polymer electrolyte fuel cell systemSecond reference exampleFIG.
FIG. 4 shows a solid polymer electrolyte fuel cell system.Third reference exampleFIG.
FIG. 5 is the same as FIG.Reference exampleIt is sectional drawing which shows the fuel gas supply pipe | tube in the vicinity of the spray nozzle in.
FIG. 6 shows a solid polymer electrolyte fuel cell system.Fourth reference exampleFIG.
7 is a diagram of FIG.Reference exampleIt is sectional drawing which shows the fuel gas supply pipe | tube in the vicinity of the ultrasonic nozzle in.
FIG. 8 shows a solid polymer electrolyte fuel cell system.Fifth reference exampleIt is sectional drawing which shows the fuel gas supply pipe | tube of the throttle part vicinity in FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a fuel gas supply pipe in the vicinity of a rotary atomizer in an embodiment of a solid polymer electrolyte fuel cell system of the present invention.
FIG. 10 shows a solid polymer electrolyte fuel cell system.Sixth reference exampleFIG.
FIG. 11 shows a solid polymer electrolyte fuel cell system.Seventh reference exampleFIG.
FIG. 12 shows a solid polymer electrolyte fuel cell system.Eighth reference exampleFIG.
FIG. 13 shows a solid polymer electrolyte fuel cell system.Ninth reference exampleFIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of a single cell structure of a conventional fuel cell.
FIG. 15 is a side view showing an example of a conventional fuel cell system having a humidified portion inside a battery stack.
FIG. 16 is a configuration diagram showing an example of a conventional fuel cell system provided with a bubbler as a humidifier.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing an example of a conventional battery stack including an ultrasonic atomizer as a humidifier.
[Explanation of symbols]
1,35 ... Battery stack
2 ... Fuel supply pipe
3 ... Air supply pipe
4 ... Cooling water supply pipe
5 ... Steam generator
6, 7 ... Steam inlet
8, 22 ... Water supply pipe
9,300 ... Air exhaust pipe
10, 301 ... Fuel gas discharge pipe
11, 302 ... Cooling water discharge pipe
12 ... Control device
13, 14 ... Humidity sensor
16, 17, 23, 32 ... flow control valve
18 ... Resistance sensor
19 ... Voltage sensor
20 ... High pressure pump
21 ... Spray nozzle
24 ... Ultrasonic nozzle
25 ... Water spout
26: Aperture section
27 ... Rotary disk
28 ... Motor
29 ... Atomization room
30 ... circulation pump
31 ... Radiator
33 ... Cooling water return pipe
34 ... Gas-liquid separator
37, 38, 39 ... branching part
40, 41 ... Preheating duct
101 ... single cell
102 ... Solid polymer membrane
103 ... Anode electrode
103a ... anode catalyst layer
103b ... Anode porous carbon flat plate
103c ... Fuel supply groove
104 ... Cathode electrode
104a ... Cathode catalyst layer
104b ... Cathode porous carbon flat plate
104c ... Oxidant supply groove
105 ... Separator

Claims (1)

固体高分子から成る電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管とを備えた固体高分子電解質型燃料電池システムにおいて、
前記燃料供給管及び前記酸化剤供給管の少なくとも一方に、水蒸気若しくは微粒化された水を供給する加湿手段が設けられ、
前記加湿手段は、前記燃料供給管内及び前記酸化剤供給管内の少なくとも一方に設けられた回転円盤と、前記回転円盤に向かって水を供給するノズルと、前記ノズルの上流側に水を供給するポンプとによって構成されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池システム。
A battery stack having at least one unit cell in which an electrolyte membrane made of a solid polymer is disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode, a fuel supply pipe for supplying fuel gas to the fuel electrode, and the oxidant electrode A solid polymer electrolyte fuel cell system including an oxidant supply pipe for supplying an oxidant gas to
At least one of the fuel supply pipe and the oxidant supply pipe is provided with a humidifying means for supplying water vapor or atomized water,
The humidifying means includes a rotary disk provided in at least one of the fuel supply pipe and the oxidant supply pipe, a nozzle that supplies water toward the rotary disk, and a pump that supplies water upstream of the nozzle. And a solid polymer electrolyte fuel cell system.
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