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JP2009152013A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2009152013A
JP2009152013A JP2007327862A JP2007327862A JP2009152013A JP 2009152013 A JP2009152013 A JP 2009152013A JP 2007327862 A JP2007327862 A JP 2007327862A JP 2007327862 A JP2007327862 A JP 2007327862A JP 2009152013 A JP2009152013 A JP 2009152013A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
fuel cell
reaction
humidifier
oxidizing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007327862A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tatsuyuki Hoshino
辰幸 星野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2007327862A priority Critical patent/JP2009152013A/en
Publication of JP2009152013A publication Critical patent/JP2009152013A/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)
  • Air Humidification (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the humidifying performance of a humidifier in a fuel cell system. <P>SOLUTION: A fuel cell system includes a fuel cell 20 which generates power by the electrochemical reaction of reaction gases; a humidifier 34 for humidifying reaction gases by circulating reaction gases supplying to the fuel cell and reaction offgas exhausted from the fuel cell and exchanging moisture between the reaction gas and the reaction offgas; and a cooling device 36 for cooling the reaction offgas made to circulate to the humidifier. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、燃料電池に供給される反応ガスの含水量を調整するための加湿機構に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell, and more particularly to a humidification mechanism for adjusting the water content of a reaction gas supplied to the fuel cell.

燃料電池は、水素ガスに代表される燃料ガスと、空気に代表される酸化ガスとの電気化学反応により電力を発生し、それと同時に水分を生成する。燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を水素極(アノードともいう)と酸素極(カソードともいう)とにより挟み込んだ構造を有している。この型の燃料電池においては、燃料ガスと酸素ガスとの反応におけるプロトンの伝導を電解質膜が担うため、発電反応を効率よく維持するために、電解質膜の水分を適切な状態に制御する必要がある。そのため、燃料電池システムには、燃料電池に供給されるガスを加湿するための加湿器が設けられている。   A fuel cell generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas typified by hydrogen gas and an oxidizing gas typified by air, and simultaneously generates moisture. A polymer electrolyte fuel cell, which is a type of fuel cell, has a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a hydrogen electrode (also referred to as an anode) and an oxygen electrode (also referred to as a cathode). In this type of fuel cell, the electrolyte membrane is responsible for proton conduction in the reaction between the fuel gas and oxygen gas. Therefore, in order to maintain the power generation reaction efficiently, it is necessary to control the moisture in the electrolyte membrane to an appropriate state. is there. Therefore, the fuel cell system is provided with a humidifier for humidifying the gas supplied to the fuel cell.

加湿器の内部には、燃料電池から排気された使用済みのガスと燃料電池に供給される乾燥したガス(被加湿ガス)との間で水分を交換するための中空糸膜モジュール(交換樹脂)が設けられている。中空糸膜モジュールは、多数の中空糸膜を束ねたものである。通常、燃料電池から排気されたガスは、発電の際に生成された水分を含んで湿潤状態となっているので、このガス(加湿ガス)を中空糸膜モジュールの内側(又は外側)に流通させ、被加湿ガスをモジュールの外側(又は内側)に流通させることにより、加湿ガスに含まれる水分が中空糸膜に吸収され、この水分が被加湿ガスに与えられる。   Inside the humidifier is a hollow fiber membrane module (exchange resin) for exchanging moisture between the used gas exhausted from the fuel cell and the dry gas (humidified gas) supplied to the fuel cell. Is provided. The hollow fiber membrane module is a bundle of many hollow fiber membranes. Normally, the gas exhausted from the fuel cell is in a wet state including moisture generated during power generation, so this gas (humidified gas) is circulated inside (or outside) the hollow fiber membrane module. By allowing the humidified gas to flow outside (or inside) the module, the moisture contained in the humidified gas is absorbed by the hollow fiber membrane, and this moisture is given to the humidified gas.

このような加湿器における水蒸気交換量は、加湿ガスと被加湿ガスとの間の相対湿度や温度等の条件によって変化する。そのため、加湿量不足となるガス領域が部分的に発生することがあり、好ましくない。十分に加湿されていないガスが燃料電池に供給されることになるからである。   The amount of water vapor exchange in such a humidifier varies depending on conditions such as relative humidity and temperature between the humidified gas and the humidified gas. Therefore, a gas region where the humidification amount is insufficient may be partially generated, which is not preferable. This is because gas that is not sufficiently humidified is supplied to the fuel cell.

関連する技術として、特許文献1には、燃料電池の運転状態に関わらず加湿器の加湿性能を十分に発揮させるために、加湿器の排出ガス出口側の圧力を制御することにより加湿器の水分交換率を制御する燃料電池システムが開示されている。また、特許文献2には、高圧燃料ガスを低温ガスと高温ガスとに分離し、その内の低温ガスをスタックの冷却に用いる燃料電池システムが開示されている。
しかし、さらに簡単な構成で確実に加湿器の性能を向上させることができるシステムが望まれている。
特開2005−322508号公報 特開2005−268141号公報
As a related technique, Patent Document 1 discloses that the moisture of the humidifier is controlled by controlling the pressure on the exhaust gas outlet side of the humidifier in order to sufficiently exert the humidifying performance of the humidifier regardless of the operation state of the fuel cell. A fuel cell system for controlling the exchange rate is disclosed. Patent Document 2 discloses a fuel cell system that separates high-pressure fuel gas into low-temperature gas and high-temperature gas, and uses the low-temperature gas for cooling the stack.
However, a system that can reliably improve the performance of the humidifier with a simpler configuration is desired.
JP 2005-322508 A JP 2005-268141 A

そこで、本発明は、燃料電池システムにおいて、加湿器の加湿性能を向上させることを目的とする。   Then, this invention aims at improving the humidification performance of a humidifier in a fuel cell system.

上記目的を達成するため、本発明の1つの観点に係る燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される反応ガスと、前記燃料電池から排出された反応オフガスとを流通させ、反応ガスと反応オフガスとの間で水分を交換することにより反応ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器に流通させる反応オフガスを冷却する冷却手段とを備える。   In order to achieve the above object, a fuel cell system according to one aspect of the present invention includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction of a reaction gas, a reaction gas supplied to the fuel cell, and an exhaust gas from the fuel cell. A humidifier that humidifies the reaction gas by circulating the reaction off-gas and exchanging moisture between the reaction gas and the reaction off-gas, and a cooling unit that cools the reaction off-gas flowing through the humidifier.

燃料電池から排出されたほぼ飽和状態の反応オフガスを冷却すると、過飽和状態となる。そのような反応オフガスを加湿器に導入すると、反応オフガスによる加湿量が急峻に増加し、加湿性能が大幅に向上する。また、反応オフガスが過飽和状態になっていなくても、冷却によりガスの湿度が上昇するので、やはり、加湿量を増やすことができる。   When the substantially saturated reaction off-gas discharged from the fuel cell is cooled, it becomes supersaturated. When such a reaction off gas is introduced into the humidifier, the amount of humidification by the reaction off gas sharply increases, and the humidification performance is greatly improved. Further, even if the reaction off gas is not in a supersaturated state, the humidity of the gas is increased by cooling, so that the humidification amount can be increased.

ここで、前記冷却手段としては、ガスを冷却することができれば、どのような方式を採用しても用いても良い。例えば、気体又は液体等の冷却媒体を用いて反応オフガスを冷却する冷却器であっても良く、前記加湿器に導入される反応オフガスを断熱膨張させるように形成された流路であっても良い。   Here, as the cooling means, any method may be adopted as long as the gas can be cooled. For example, it may be a cooler that cools the reaction off gas using a cooling medium such as gas or liquid, or may be a flow path that is formed so as to adiabatically expand the reaction off gas introduced into the humidifier. .

或いは、前記燃料電池システムは、前記加湿器から導出された反応オフガスから所定の温度よりも低温のガスを分離するボルテックスチューブをさらに備え、前記冷却手段は、前記ボルテックスチューブにより分離された低温のガスを冷却媒体として反応オフガスを冷却しても良い。ボルテックスチューブは、電源や冷媒等を要することなく、圧縮ガスを高温側のガスと低温側のガスとに分離することができ、しかも比較的安価で、小型且つ軽量である。そのため、ボルテックスチューブによって分離された低温側のガスを冷却媒体として利用することにより、設備コストや運転コストを抑制することができると共に、設置スペースを低減することも可能である。   Alternatively, the fuel cell system further includes a vortex tube that separates a gas having a temperature lower than a predetermined temperature from a reaction off gas derived from the humidifier, and the cooling unit includes the low-temperature gas separated by the vortex tube. The reaction off gas may be cooled using as a cooling medium. The vortex tube can separate the compressed gas into a high-temperature side gas and a low-temperature side gas without requiring a power source, a refrigerant, or the like, and is relatively inexpensive, small and lightweight. Therefore, by using the low-temperature side gas separated by the vortex tube as a cooling medium, it is possible to suppress the equipment cost and the operating cost and to reduce the installation space.

本発明によれば、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出された反応オフガスを冷却してから加湿器に導入するので、加湿性能を向上させることができる。従って、燃料電池に供給される反応ガスをむらなく十分に加湿することが可能となる。   According to the present invention, in the fuel cell system, since the reaction off gas discharged from the fuel cell is cooled and then introduced into the humidifier, the humidification performance can be improved. Therefore, the reaction gas supplied to the fuel cell can be sufficiently humidified without unevenness.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム1の構成を示すシステム図である。この燃料電池システム1は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能である。本実施形態においては自動車用となっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a system diagram showing a configuration of a fuel cell system 1 according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell system 1 is used as an in-vehicle power generation system for fuel cell vehicles, a power generation system for any moving body such as a ship, an aircraft, a train, or a walking robot, and also as a power generation facility for buildings (housing, buildings, etc.). It can be applied to stationary power generation systems. In this embodiment, it is for automobiles.

燃料電池システム1は、燃料電池20と、酸化ガスとしての空気を燃料電池20に供給する酸化ガス配管系30と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池20に供給する燃料ガス配管系40とを備える。   The fuel cell system 1 includes a fuel cell 20, an oxidizing gas piping system 30 that supplies air as oxidizing gas to the fuel cell 20, and a fuel gas piping system 40 that supplies hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell 20. Prepare.

燃料電池20は、例えば、固体高分子電解質型であり、電解質とその両側に配置された電極層(アノード及びカソード)とを含む複数のセル21が積層された積層構造を有する。燃料電池20は、酸化ガスと燃料ガス(これらを反応ガスともいう)との電気化学反応により電力を発生する。   The fuel cell 20 is, for example, a solid polymer electrolyte type, and has a stacked structure in which a plurality of cells 21 including an electrolyte and electrode layers (anode and cathode) disposed on both sides thereof are stacked. The fuel cell 20 generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas (also referred to as a reaction gas).

酸化ガス配管系30は、燃料電池20に酸化ガスを供給する酸化ガス供給管31と、燃料電池20から排出された使用済みの酸化ガス(酸化オフガス)を排出する酸化オフガス排出管32とを含む。酸化ガス供給管31には、エアコンプレッサ33と、加湿器34と、開閉弁35とが設けられている。一方、酸化オフガス排出管32には、冷却器36が設けられており、冷却器36を通過した酸化オフガスが加湿器34を通って排出されるように酸化オフガス排出管32の流路が形成されている。   The oxidizing gas piping system 30 includes an oxidizing gas supply pipe 31 that supplies an oxidizing gas to the fuel cell 20 and an oxidizing off gas discharge pipe 32 that discharges a used oxidizing gas (oxidized off gas) discharged from the fuel cell 20. . The oxidizing gas supply pipe 31 is provided with an air compressor 33, a humidifier 34, and an on-off valve 35. On the other hand, the oxidizing off gas discharge pipe 32 is provided with a cooler 36, and a flow path of the oxidizing off gas discharge pipe 32 is formed so that the oxidizing off gas that has passed through the cooler 36 is discharged through the humidifier 34. ing.

冷却器36としては、ガスを冷却することができれば、どのような冷却方式を採用しても構わない。例えば、冷却媒体としてガスを利用する空冷式や、冷却液(冷却水)を利用する水冷式のいずれを用いても良い。   As the cooler 36, any cooling method may be adopted as long as the gas can be cooled. For example, any of an air cooling type using a gas as a cooling medium and a water cooling type using a cooling liquid (cooling water) may be used.

なお、エアコンプレッサ33の上流に、外気を清浄にするためのエアクリーナーをさらに設けても良い。或いは、酸化オフガス排出管32の加湿器34の下流に、希釈器やマフラーをさらに設けても良い。   An air cleaner for cleaning the outside air may be further provided upstream of the air compressor 33. Alternatively, a diluter or a muffler may be further provided downstream of the humidifier 34 in the oxidizing off gas discharge pipe 32.

加湿器34は、燃料電池20における電気化学反応の際に生成された水分を含む高湿の酸化オフガスを利用して、外部から取り込まれた酸化ガスを加湿する。
図2は、加湿器34の内部構造を示す図である。加湿器34の筐体300には、酸化ガスの入口(ドライ側入口)301及び出口(ドライ側出口)302、並びに、酸化オフガスの入口(ウェット側入口)303及び出口(ウェット側出口)304が設けられている。また、加湿器34の内部には、望ましくは水蒸気のみを透過させる複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束(中空糸膜モジュール)305が配置されている。さらに、加湿器34の内部は、仕切り部材306により、酸化ガスの流路(ドライ側流路)307と酸化オフガスの流路(ウェット側流路)308とに仕切られている。加湿器34の内部において、中空糸膜モジュール305の内側に酸化オフガスを流通させ、中空糸膜モジュール305の外側に酸化ガスを流通させる。すると、酸化オフガスの水分が中空糸膜に吸収され、その水分が酸化ガスに与えられ、その結果、酸化ガスが加湿される。
The humidifier 34 humidifies the oxidant gas taken in from the outside using the high-humidity oxidant off-gas containing moisture generated during the electrochemical reaction in the fuel cell 20.
FIG. 2 is a diagram showing the internal structure of the humidifier 34. The casing 300 of the humidifier 34 has an oxidizing gas inlet (dry side inlet) 301 and an outlet (dry side outlet) 302, and an oxidizing off gas inlet (wet side inlet) 303 and an outlet (wet side outlet) 304. Is provided. Further, inside the humidifier 34, a hollow fiber membrane bundle (hollow fiber membrane module) 305 in which a plurality of hollow fiber membranes that preferably allow only water vapor to permeate is bundled is disposed. Further, the inside of the humidifier 34 is partitioned by a partition member 306 into an oxidizing gas channel (dry side channel) 307 and an oxidizing off gas channel (wet side channel) 308. Inside the humidifier 34, the oxidizing off gas is circulated inside the hollow fiber membrane module 305, and the oxidizing gas is circulated outside the hollow fiber membrane module 305. Then, the moisture of the oxidizing off gas is absorbed by the hollow fiber membrane, the moisture is given to the oxidizing gas, and as a result, the oxidizing gas is humidified.

再び、図1を参照すると、燃料ガス配管系40は、燃料ガスを燃料電池20に供給する燃料ガス供給管41と、燃料ガスから排出された使用済みの燃料ガス(燃料オフガス)を排出する燃料オフガス排出管42とを含む。燃料ガス配管系40には、さらに、燃料ガスを貯蓄する高圧ガスタンクや、燃料オフガスを再利用するための循環ポンプ等を設けても良い。   Referring again to FIG. 1, the fuel gas piping system 40 includes a fuel gas supply pipe 41 that supplies fuel gas to the fuel cell 20, and a fuel that discharges used fuel gas (fuel offgas) discharged from the fuel gas. Off-gas discharge pipe 42. The fuel gas piping system 40 may further be provided with a high-pressure gas tank for storing fuel gas, a circulation pump for reusing fuel off-gas, and the like.

燃料電池システム1の運転を開始すると、酸化ガスとしての外気がエアコンプレッサ33によって取り込まれて圧縮される。この酸化ガスは、加湿器34において加湿された後、開弁された開閉弁35を通って燃料電池20に導入される。燃料電池20においては、この酸化ガスと、燃料ガス供給管41から供給された燃料ガスとの電気化学反応により電力が発生し、それと同時に水分が生成される。反応後の酸化オフガス及び燃料オフガスは、酸化オフガス排出管32及び燃料オフガス排出管42を介して、燃料電池20からそれぞれ排出される。酸化オフガスは、冷却器36において冷却された後で加湿器34に導入され、酸化ガスを加湿するために利用される。その後、酸化オフガスは、酸化オフガス排出管32を通って、燃料電池システム1の外部に排出される。   When the operation of the fuel cell system 1 is started, outside air as an oxidizing gas is taken in and compressed by the air compressor 33. The oxidizing gas is humidified in the humidifier 34 and then introduced into the fuel cell 20 through the opened on-off valve 35. In the fuel cell 20, electric power is generated by an electrochemical reaction between the oxidizing gas and the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 41, and moisture is generated at the same time. The oxidized off gas and the fuel off gas after the reaction are discharged from the fuel cell 20 through the oxidized off gas discharge pipe 32 and the fuel off gas discharge pipe 42, respectively. The oxidant off-gas is introduced into the humidifier 34 after being cooled in the cooler 36 and used to humidify the oxidant gas. Thereafter, the oxidizing off gas passes through the oxidizing off gas discharge pipe 32 and is discharged to the outside of the fuel cell system 1.

ここで、本実施形態において、酸化オフガスを冷却してから加湿器34に導入する理由を説明する。
図3は、一般的な加湿器の加湿特性を示している。通常、加湿性能は、ウェット側のガス(加湿ガス)及びドライ側のガス(被加湿ガス)の各々の相対湿度や温度に依存する。例えば、ウェット側の相対湿度が100%(飽和水蒸気状態)の場合には、ドライ側の相対湿度が20%程度となるまで加湿することができる。このような加湿特性は、ウェット側の相対湿度が100%となるまでは、比較的緩やかに変化する。ところが、ウェット側の相対湿度が100%を超えると、即ち過飽和状態(飽和水蒸気及び液滴が混在している状態)になると、加湿特性の勾配は急峻となり、加湿能力が各段に向上する。これは、水蒸気だけでなく液滴がドライ側の加湿に大きく寄与するからである。例えば、ウェット側の相対湿度が120%になると、ドライ側を相対湿度40%程度となるまで加湿することができる。
Here, in the present embodiment, the reason why the oxidizing off gas is cooled and then introduced into the humidifier 34 will be described.
FIG. 3 shows the humidification characteristics of a typical humidifier. Usually, the humidification performance depends on the relative humidity and temperature of the wet side gas (humidified gas) and the dry side gas (humidified gas). For example, when the relative humidity on the wet side is 100% (saturated water vapor state), humidification can be performed until the relative humidity on the dry side becomes about 20%. Such humidification characteristics change relatively slowly until the wet-side relative humidity reaches 100%. However, when the relative humidity on the wet side exceeds 100%, that is, in a supersaturated state (a state where saturated water vapor and droplets are mixed), the gradient of the humidification characteristic becomes steep, and the humidification ability is improved in each stage. This is because not only water vapor but also droplets greatly contribute to humidification on the dry side. For example, when the relative humidity on the wet side becomes 120%, the dry side can be humidified until the relative humidity becomes about 40%.

燃料電池20から排出された時点で、酸化オフガスはほぼ飽和水蒸気状態となっている。そのため、酸化オフガスを冷却器36において冷却することにより、容易に過飽和状態とすることができる。そのような酸化オフガスを加湿器34に導入することにより、加湿器34の加湿性能を向上させ、酸化ガスをむらなく十分に加湿することが可能となる。   When discharged from the fuel cell 20, the oxidizing off-gas is almost in a saturated water vapor state. Therefore, the supersaturation can be easily achieved by cooling the oxidizing off gas in the cooler 36. By introducing such an oxidizing off gas into the humidifier 34, the humidifying performance of the humidifier 34 can be improved, and the oxidizing gas can be sufficiently humidified without unevenness.

また、仮に、燃料電池20から排出された時点で酸化オフガスが飽和水蒸気状態となっていないとしても、酸化オフガスを冷却することにより相対湿度が高くなるので、加湿器34において、酸化ガスに対する加湿量を増加させることができる。   Further, even if the oxidizing off gas is not in a saturated water vapor state at the time when it is discharged from the fuel cell 20, the relative humidity increases by cooling the oxidizing off gas, so that the humidifier 34 humidifies the oxidizing gas. Can be increased.

次に、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムについて、図4を参照しながら説明する。
図4に示す燃料電池システム2は、図1に示す冷却器36の代わりに、絞り37を備えている。絞り37は、燃料電池20と加湿器34との間に配置されている酸化オフガス排出管32の一部に設けられている。その他の構成は、図1に示すものと同様である。
Next, a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The fuel cell system 2 shown in FIG. 4 includes a throttle 37 instead of the cooler 36 shown in FIG. The throttle 37 is provided in a part of the oxidizing off-gas discharge pipe 32 disposed between the fuel cell 20 and the humidifier 34. Other configurations are the same as those shown in FIG.

燃料電池20から排出された酸化オフガスは、絞り37を通過する際に一旦収縮する。その際に酸化オフガスの圧力が高くなるので、絞り37の通過後、酸化オフガスは急激に膨張する。それにより、酸化オフガスは冷却し、過飽和状態となる。このような酸化オフガスを加湿器34に導入することにより、加湿器34の加湿性能を向上させることが可能となる。   The oxidizing off gas discharged from the fuel cell 20 once shrinks when passing through the throttle 37. At this time, since the pressure of the oxidizing off gas increases, the oxidizing off gas expands rapidly after passing through the throttle 37. Thereby, the oxidizing off gas is cooled and becomes supersaturated. By introducing such an oxidizing off gas into the humidifier 34, the humidifying performance of the humidifier 34 can be improved.

次に、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムについて、図5及び図6を参照しながら説明する。
図5に示す燃料電池システム3は、図1に示す構成に加えて、ボルテックスチューブ38、及び、該ボルテックスチューブ38と冷却器36とを接続する冷却ガス連絡管39をさらに備えている。本実施形態においては、冷却器36の冷却媒体として、ボルテックスチューブ38から供給されるガスを利用する。その他の構成は、図1に示すものと同様である。
Next, a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The fuel cell system 3 shown in FIG. 5 further includes a vortex tube 38 and a cooling gas communication pipe 39 that connects the vortex tube 38 and the cooler 36 in addition to the configuration shown in FIG. In the present embodiment, the gas supplied from the vortex tube 38 is used as the cooling medium of the cooler 36. Other configurations are the same as those shown in FIG.

図6は、ボルテックスチューブ38の内部を示す断面図である。
ボルテックスチューブ38とは、圧縮されたガスを入口温度よりも低温のガス(低温ガス)と高温のガス(高温ガス)とに分離する装置である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the inside of the vortex tube 38.
The vortex tube 38 is an apparatus that separates the compressed gas into a gas lower in temperature than the inlet temperature (low temperature gas) and a high temperature gas (high temperature gas).

ボルテックスチューブ38は、中空管構造800を有しており、この中空管構造800の側部の内、一方の端部付近(図6においては右端付近)にはガス供給口801が設けられている。このガス供給口801は、酸化オフガス排出管32(図5)を介して加湿器34に接続されている。また、当該端部(右端)には、低温ガスを吐出する低温ガス吐出口802が設けられており、他方の端部(左端)には高温ガス吐出口803が設けられている。さらに、中空管構造800の内部のガス供給口801近傍には、ノズル804が設けられており、高温ガス吐出口803の内側には、バルブが設けられている。   The vortex tube 38 has a hollow tube structure 800, and a gas supply port 801 is provided near one end (near the right end in FIG. 6) of the side portions of the hollow tube structure 800. ing. The gas supply port 801 is connected to the humidifier 34 via the oxidizing off gas discharge pipe 32 (FIG. 5). Further, a low temperature gas discharge port 802 for discharging a low temperature gas is provided at the end portion (right end), and a high temperature gas discharge port 803 is provided at the other end portion (left end). Further, a nozzle 804 is provided in the vicinity of the gas supply port 801 inside the hollow tube structure 800, and a valve is provided inside the high temperature gas discharge port 803.

ここで、酸化ガス配管系30を流通するガスは、エアコンプレッサ33によってある程度圧縮されている。そのため、加湿器34から排出された酸化オフガスがガス供給口801を通って中空管構造800内に導入されると、管内において旋回ガス流が形成される。この旋回ガス流の中で、中央から外側へと熱の流動が生じる。その結果、酸化オフガスは、内側の低温ガスの旋回流と、外側の高温ガスの旋回流とに分離される。   Here, the gas flowing through the oxidizing gas piping system 30 is compressed to some extent by the air compressor 33. Therefore, when the oxidizing off gas discharged from the humidifier 34 is introduced into the hollow tube structure 800 through the gas supply port 801, a swirling gas flow is formed in the tube. In this swirling gas flow, heat flows from the center to the outside. As a result, the oxidizing off gas is separated into a swirling flow of the inner low temperature gas and a swirling flow of the outer high temperature gas.

分離された低温ガスは、低温ガス吐出口802に接続された冷却ガス連絡管39を介して冷却器36に導入され、加湿器34に供給される酸化オフガスを冷却する冷却媒体として作用し、その後冷却器36から排出される。一方、分離された高温ガスは、高温ガス吐出口803からバルブ805を介して吐出され、排気系に導かれる。なお、バルブ805の開度を調整することにより、低温ガスと高温ガスとの分離度合い、言い換えれば、低温ガス及び高温ガスのそれぞれの温度を制御することができる。   The separated low-temperature gas is introduced into the cooler 36 through the cooling gas communication pipe 39 connected to the low-temperature gas discharge port 802, and acts as a cooling medium for cooling the oxidation off-gas supplied to the humidifier 34. It is discharged from the cooler 36. On the other hand, the separated hot gas is discharged from the hot gas discharge port 803 through the valve 805 and guided to the exhaust system. Note that by adjusting the opening degree of the valve 805, the degree of separation between the low temperature gas and the high temperature gas, in other words, the temperature of each of the low temperature gas and the high temperature gas can be controlled.

以上の第1〜第3の実施形態においては、酸化ガスを加湿する場合について説明したが、燃料ガスを加湿する場合においても同様にして加湿性能を向上させることが可能である。   In the above first to third embodiments, the case where the oxidizing gas is humidified has been described. However, the humidifying performance can be improved in the same manner even when the fuel gas is humidified.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 加湿器の内部構造を示す図である。It is a figure which shows the internal structure of a humidifier. 加湿器の加湿特性を示す図である。It is a figure which shows the humidification characteristic of a humidifier. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. ボルテックスチューブの内部構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of a vortex tube.

符号の説明Explanation of symbols

1〜3、燃料電池システム、20…燃料電池、31…酸化ガス供給管、32…酸化オフガス排出管、34…加湿器、36…冷却器、37…絞り、38…ボルテックスチューブ   1-3, Fuel cell system, 20 ... Fuel cell, 31 ... Oxidizing gas supply pipe, 32 ... Oxidizing off-gas discharge pipe, 34 ... Humidifier, 36 ... Cooler, 37 ... Throttle, 38 ... Vortex tube

Claims (5)

反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される反応ガスと、前記燃料電池から排出された反応オフガスとを流通させ、反応ガスと反応オフガスとの間で水分を交換することにより反応ガスを加湿する加湿器と、
前記加湿器に流通させる反応オフガスを冷却する冷却手段と、
を備える燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of the reaction gas; and
A humidifier that circulates the reaction gas supplied to the fuel cell and the reaction off gas discharged from the fuel cell, and humidifies the reaction gas by exchanging moisture between the reaction gas and the reaction off gas;
Cooling means for cooling the reaction off-gas flowing through the humidifier;
A fuel cell system comprising:
前記冷却手段は、前記加湿器に流通させる反応オフガスを過飽和状態とする、請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the cooling unit brings a reaction off gas to be circulated through the humidifier into a supersaturated state. 前記冷却手段は、冷却媒体を用いて反応オフガスを冷却する冷却器である、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the cooling means is a cooler that cools the reaction off gas using a cooling medium. 前記冷却手段は、前記加湿器に導入される反応オフガスを断熱膨張させるように形成された流路である、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the cooling means is a flow path formed so as to adiabatically expand the reaction off gas introduced into the humidifier. 前記加湿器から導出された反応オフガスから所定の温度よりも低温のガスを分離するボルテックスチューブをさらに備え、
前記冷却手段は、前記ボルテックスチューブにより分離された低温のガスを冷却媒体として反応オフガスを冷却する、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
Further comprising a vortex tube for separating a gas having a temperature lower than a predetermined temperature from a reaction off gas derived from the humidifier;
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the cooling unit cools the reaction off-gas using a low-temperature gas separated by the vortex tube as a cooling medium.
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