(57)【要約】【課題】発電に伴って生成される水を用いて燃料電池内を偏りの少ない湿潤状態とすることができ、且つ、その水から塩化物イオンを取り除くことができる燃料電池のガス給排装置を提供する。【解決手段】ガス給排装置には、燃料電池１のアノード側に水素を供給する一方で同アノード側から排気を流出させる第１ガス通路２が設けられているとともに、燃料電池のカソード側に大気を供給する一方で同カソード側から排気を流出させる第２ガス通路３が設けられる。第１ガス通路２と第２ガス通路３との少なくとも一方の通路には、燃料電池１から流出した排気中の水を、同燃料電池１に再循環させる再循環経路が設けられる。この再循環経路には、上記排気中の水を利用して湿潤ガスを生成する加湿器５，６、及び、上記水に含まれる塩化物イオンを除去するイオン交換器１０が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの反応に基づいて発電を行う燃料電池に適用され、その燃料電池のアノード側に前記燃料ガスを供給する一方で同燃料電池のアノード側から排気を流出させる第１ガス通路が設けられているとともに、前記燃料電池のカソード側に前記酸化ガスを供給する一方で同燃料電池のカソード側から排気を流出させる第２ガス通路が設けられており、前記第１ガス通路と前記第２ガス通路との少なくとも一方の通路には、前記燃料電池から流出した排気中の水を、該燃料電池に再循環させる再循環経路が設けられている燃料電池のガス給排装置において、
前記再循環経路には、前記排気中の水を利用して湿潤ガスを生成する加湿器、及び、再循環される水に含まれる塩化物イオンを除去する塩化物イオン除去器が設けられていることを特徴とする燃料電池のガス給排装置。
【請求項２】
前記塩化物イオン除去器は、前記再循環経路において、前記加湿器よりも前記燃料電池の排気の流出部分寄りの位置に設けられており、
前記加湿器は、前記塩化物イオン除去器によって塩化物イオンが除去された水を利用して湿潤ガスを生成するものである請求項１に記載の燃料電池のガス給排装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のガス給排装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載される燃料電池は、チタン製のセパレータによって隔てられた複数層の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えており、ガス給排装置による燃料ガス（例えば水素）及び酸化ガス（例えば大気）の供給を受ける。特許文献１に示されるように、燃料電池のガス給排装置には、燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する一方で、同燃料電池のアノード側から排気を流出させる第１ガス通路が設けられている。更に、同装置には、燃料電池のカソード側に酸化ガスを供給する一方で同燃料電池のカソード側から排気を流出させる第２ガス通路も設けられている。
【０００３】
燃料電池での発電を行う際には、上記ガス給排装置の第１ガス通路により、燃料電池のアノード側、より詳しくは膜電極接合体のアノード電極層とそれに隣合うセパレータとの間に燃料ガスが供給される。一方、燃料電池のカソード側、より詳しくは膜電極接合体のカソード電極層とそれに隣合うセパレータとの間には、ガス給排装置の第２ガス通路によって酸化ガスが供給される。その結果、燃料電池において、燃料ガスと酸化ガスとの反応に基づく発電が行われる一方、その反応に伴って水が生成される。なお、こうして生成された水は、燃料電池のアノード側から流出する排気、及び、燃料電池のカソード側から流出する排気に含まれるようになる。
【０００４】
ところで、燃料電池は湿潤状態のもとで発電効率が高くなる性質を有しているため、燃料電池から流出した排気中の水を利用して燃料電池内を湿潤状態とすることが考えられる。この場合、上記ガス給排装置における第１ガス通路と第２ガス通路との少なくとも一方の通路には、燃料電池から流出した排気中の水を、その排気から分離して同通路における供給側に再循環させる再循環経路が設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１４０６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、燃料電池で生成された水を再循環経路によって再循環させるだけでは、燃料電池内の湿潤状態に偏りが生じることは否めず、そうした湿潤状態の偏りに起因して燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。
【０００７】
また、燃料電池においては、大気中に含まれる塩素が燃料電池内で塩化物イオンとなって燃料電池内の水に含まれるようになる。このため、ガス給排装置の再循環経路により排気中の水を燃料電池に再循環させることが続いてゆくと、燃料電池内の水に含まれる塩化物イオンの濃度が高くなることは避けられない。そして、燃料電池内の水に含まれる塩化物イオンの濃度が高くなると、燃料電池の製造コストを低く抑えるためにセパレータをチタンよりも安価なステンレス等で形成した場合、上記塩化物イオンによってセパレータの腐食が進みやすくなるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、発電に伴って生成される水を用いて燃料電池内を偏りの少ない湿潤状態とすることができ、且つ、その水から塩化物イオンを取り除くことができる燃料電池のガス給排装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池のガス給排装置は、燃料ガスと酸化ガスとの反応に基づいて発電を行う燃料電池に適用される。同装置には、燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する一方で同燃料電池のアノード側から排気を流出させる第１ガス通路が設けられているとともに、燃料電池のカソード側に酸化ガスを供給する一方で同燃料電池のカソード側から排気を流出させる第２ガス通路が設けられている。更に、第１ガス通路と第２ガス通路との少なくとも一方の通路には、燃料電池から流出した排気中の水を、燃料電池に再循環させる再循環経路が設けられている。この再循環経路には、上記排気中の水を利用して湿潤ガスを生成する加湿器、及び、再循環される水に含まれる塩化物イオンを除去する塩化物イオン除去器が設けられている。
【００１０】
上記構成によれば、再循環経路を介して燃料電池に再循環される水は、加湿器により湿潤ガスとされた状態で燃料電池に流されるため、上記水を直接的に燃料電池に流す場合と比較して燃料電池内の湿潤状態に偏りが生じにくくなる。また、再循環経路を介して燃料電池に再循環される水は、塩化物イオン除去器によって塩化物イオンを除去した後の水となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電に伴って生成される水を用いて燃料電池内を偏りの少ない湿潤状態とすることができ、且つ、その水から塩化物イオンを取り除くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池のガス給排装置の全体構成を示す略図。
【図２】同ガス給排装置の他の例を示す略図。
【図３】同ガス給排装置の他の例を示す略図。
【図４】同ガス給排装置の他の例を示す略図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、燃料電池のガス給排装置の一実施形態について、図１を参照して説明する。
図１に示す燃料電池１は、セパレータによって隔てられた複数層の膜電極接合体を備えており、ガス給排装置による燃料ガス（この例では水素）及び酸化ガス（この例では大気）の供給を受け、それら水素と大気中の酸素との反応に基づいて発電を行うものとなっている。
【００１４】
上記ガス供給装置には、燃料電池１のアノード側に水素を供給する一方で同燃料電池１のアノード側から排気を流出させる第１ガス通路２が設けられている。この第１ガス通路２の上流端は、水素を溜めるための水素タンク４に繋がっている。そして、燃料電池１のアノード側、より詳しくは膜電極接合体のアノード電極層とそれに隣合うセパレータとの間に、第１ガス通路２における燃料電池１よりも上流側（供給側）の部分を介して、水素タンク４からの水素が供給される。
【００１５】
また、上記ガス供給装置には、燃料電池１のカソード側に大気を供給する一方で同燃料電池１のカソード側から排気を流出させる第２ガス通路３も設けられている。この第２ガス通路３の上流端は大気に解放されている。そして、燃料電池１のカソード側、より詳しくは膜電極接合体のカソード電極層とそれに隣合うセパレータとの間に、第２ガス通路３における燃料電池１よりも上流側（供給側）の部分を介して、大気が供給される。
【００１６】
燃料電池１においては、アノード側に供給された水素とカソード側に供給された大気中の酸素との反応に基づく発電が行われる一方、その反応に伴って水が生成される。こうして生成された水は、燃料電池１のアノード側から第１ガス通路２における燃料電池１よりも下流側（排出側）の部分に流出する排気に含まれるとともに、燃料電池１のカソード側から第２ガス通路３における燃料電池１よりも下流側（排出側）の部分に流出する排気に含まれるようになる。
【００１７】
ところで、燃料電池１においては、その内部の膜電極接合体を湿潤状態とすることによって発電効率が高くなる性質を有している。このため、上記ガス給排装置には、第１ガス通路２と第２ガス通路３との少なくとも一方の通路に、燃料電池１から流出した排気中の水を同燃料電池１に再循環させる再循環経路を設ける。こうした再循環経路により、燃料電池１から流出した排気中の水を利用して燃料電池１内の膜電極接合体が湿潤状態とされる。以下、上記ガス給排装置における上記再循環経路に関係する構造について述べる。
【００１８】
同装置における第２ガス通路３の途中には、燃料電池１よりも上流側（供給側）の部分と下流側（排出側）の部分とに亘るよう加湿器５が設けられている。燃料電池１から第２ガス通路３における同燃料電池１よりも下流側の部分に流出した排気（大気）は、燃料電池１内で生成された水を水蒸気の状態で含んでいる。上記加湿器５は、上記排気中に含まれている水蒸気の水分を第２ガス通路３における燃料電池１よりも上流側の部分を流れる大気に対し与えることにより、その大気を湿潤ガスとする機能を有している。従って、その湿潤ガス（大気）が第２ガス通路３における燃料電池１よりも上流側の部分から燃料電池１のカソード側に供給されるようになる。なお、上記加湿器５は、燃料電池１から流出した排気中の水を同燃料電池１に再循環させる再循環経路としての役割を担っている。このことは、上記再循環経路に加湿器５が設けられている、とも言い換えることができる。
【００１９】
一方、ガス給排装置の第１ガス通路２において、燃料電池１よりも上流側（供給側）の部分の途中には加湿器６が設けられており、燃料電池１よりも下流側（排出側）の部分は気液分離器７に繋がっている。この気液分離器７は、燃料電池１から流出した排気（燃料電池１で用いられなかった水素）に含まれる水を、同排気から分離するためのものである。気液分離器７は、水素通路８を介して第１ガス通路２における燃料電池１の上流側の部分に繋がるとともに、水通路９を介して上記加湿器６に繋がっている。そして、気液分離器７は、分離した排気（水素）と水とのうち、水素を水素通路８に流して第１ガス通路２における燃料電池１の上流側の部分に再循環させるとともに、水を水通路９に流して加湿器６に供給する。同加湿器６は、水通路９からの水の供給を受け、その水を水蒸気の状態にして第１ガス通路２における燃料電池１よりも上流側の部分を流れる水素に対し与えることにより、上記水素を湿潤ガスとする機能を有している。従って、その湿潤ガス（水素）が燃料電池１のアノード側に供給されるようになる。なお、上記気液分離器７、水通路９、及び加湿器６は、燃料電池１から流出した排気中の水を同燃料電池１に再循環させる再循環経路としての役割を担っている。
【００２０】
燃料電池１においては、大気中に含まれる塩素が燃料電池１内で塩化物イオンとなって燃料電池内の水に含まれるようになるため、燃料電池１から流出する排気中の水を同燃料電池１に再循環させることが続くと、燃料電池１内の水に含まれる塩化物イオンの濃度が高くなる。そして、燃料電池１内の水に含まれる塩化物イオンの濃度が高くなると、燃料電池１の製造コストを低く抑えるためにセパレータを安価なステンレス等で形成した場合、そのセパレータが上記塩化物イオンによって腐食しやすくなる。こうしたことを抑制するため、水通路９の途中にイオン交換器１０が設けられている。このイオン交換器１０は、水通路９を通過する水に含まれる塩化物イオンをイオン交換樹脂によるイオン交換を通じて取り除くものであって、塩化物イオン除去器としての役割を担うものである。
【００２１】
次に、燃料電池１のガス給排装置の作用について説明する。
燃料電池１のカソード側から第２ガス通路３における燃料電池１よりも下流側の部分に流出した排気（大気）に含まれる水は、加湿器６、及び、第２ガス通路３における燃料電池１よりも上流側の部分を介して、燃料電池１のカソード側に再循環される。このように再循環される水は、加湿器５により湿潤ガスとされた状態で燃料電池１に流されるため、上記水を直接的に燃料電池１に流す場合と比較して燃料電池１内の湿潤状態に偏りが生じにくくなる。
【００２２】
燃料電池１のアノード側から第１ガス通路２における燃料電池１よりも下流側の部分に流出した排気（水素）に含まれる水は、気液分離器７、水通路９、加湿器６、第１ガス通路２における燃料電池１よりも上流側の部分を介して、燃料電池１のアノード側に再循環される。このように再循環される水は、加湿器６により湿潤ガスとされた状態で燃料電池１に流されるため、上記水を直接的に燃料電池１に流す場合と比較して燃料電池１内の湿潤状態に偏りが生じにくくなる。
【００２３】
また、気液分離器７、水通路９、加湿器６、第１ガス通路２における燃料電池１よりも上流側の部分を介して、燃料電池１のアノード側に再循環される水は、水通路９のイオン交換器１０によって塩化物イオンを除去した後の水となる。このようにイオン交換器１０で水から塩化物イオンを除去することにより、燃料電池１から流出した排気中の水を同燃料電池１に再循環させる場合でも、燃料電池１内の水に含まれる塩化物イオンの濃度が高くなることを抑制できる。
【００２４】
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）発電に伴って生成される水を用いて燃料電池１内を偏りの少ない湿潤状態とすることができ、且つ、その水から塩化物イオンを取り除くことができる。
【００２５】
（２）イオン交換器１０は、排気中の水を燃料電池１に再循環させる再循環経路において加湿器６よりも燃料電池１の排気の流出部分寄りの位置、詳しくは水通路９の途中に設けられている。このため、加湿器６において湿潤ガスを生成するために用いられる水は、イオン交換器１０によって塩化物イオンが除去された水となり、塩化物イオンを含む水が加湿器６に流れ込むことを抑制できる。従って、その塩化物イオンが加湿器６に悪影響を及ぼすことを抑制できる。
【００２６】
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・加湿器５を省略してもよい。
・イオン交換器１０の代わりに、フィルタ等によって水から塩化物イオンを除去する塩化物イオン除去器を用いてもよい。
【００２７】
・上記塩化物イオン除去器をイオン交換器１０の代わりに用いる場合、加湿器６を第１ガス通路２における燃料電池１の上流側の部分に設けるのではなく、その部分に対し図２に示すように加湿器６が接続通路１１を介して接続されるようにし、同接続通路１１に塩化物イオン除去器１２を設けるようにしてもよい。この場合、接続通路１１も再循環経路に含まれるようになり、その再循環経路における加湿器６よりも燃料電池１の供給側寄りの位置に上記塩化物イオン除去器１２が設けられることとなる。
【００２８】
・図３に示すように、加湿器５が接続通路１３を介して第２ガス通路３における燃料電池１の下流側の部分に接続されるようにし、上記接続通路１３に上記塩化物イオン除去器１２を設けるようにしてもよい。この場合、接続通路１３も再循環経路に含まれるようになり、その再循環経路における加湿器５よりも燃料電池１の排出側寄りの位置に上記塩化物イオン除去器１２が設けられることとなる。なお、こうした構成を採用したときには、イオン交換器１０を省略したり、イオン交換器１０と加湿器６との両方を省略したりすることが可能である。
【００２９】
・図４に示すように、加湿器５が接続通路１４を介して第２ガス通路３における燃料電池１の上流側の部分に接続されるようにし、上記接続通路１４に上記塩化物イオン除去器１２を設けるようにしてもよい。この場合、接続通路１４も再循環経路に含まれるようになり、その再循環経路における加湿器５よりも燃料電池１の供給側寄りの位置に上記塩化物イオン除去器１２が設けられることとなる。なお、こうした構成を採用したときにも、イオン交換器１０を省略したり、イオン交換器１０と加湿器６との両方を省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１…燃料電池、２…第１ガス通路、３…第２ガス通路、４…水素タンク、５…加湿器、６…加湿器、７…気液分離器、８…水素通路、９…水通路、１０…イオン交換器、１１…接続通路、１２…塩化物イオン除去器、１３…接続通路、１４…接続通路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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