(57)【要約】【課題】供給空気の相対湿度を安定させ、これにより膜電極構造体に安定した適度な湿潤状態を与える。【解決手段】酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０から排出された酸化剤ガスに含まれる水分を燃料電池１０に供給される酸化剤ガスに移す加湿器４０と、酸化剤ガスを圧縮して燃料電池１０に送り込むコンプレッサ３０と、コンプレッサ３０を流通した後燃料電池１０に供給される酸化剤ガスを冷却する熱交換器２０とを備えた燃料電池システムＢであって、コンプレッサ３０を流通した後の酸化剤ガスを熱交換器２０に供給するとともに、コンプレッサ３０を流通する前の酸化剤ガスを熱交換器２０に供給することにより、両酸化剤ガスどうしの間で熱交換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに含まれる水分を前記燃料電池に供給される酸化剤ガスに移す加湿手段と、
前記酸化剤ガスを圧縮して前記燃料電池に送り込むコンプレッサと、
前記コンプレッサを流通した後前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却する熱交換手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記コンプレッサを流通した後の酸化剤ガスを前記熱交換手段に供給するとともに、前記コンプレッサを流通する前の酸化剤ガスを前記熱交換手段に供給することにより、前記両酸化剤ガスどうしの間で熱交換することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
車両に搭載されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、供給空気の相対湿度を安定させることができ、これにより、膜電極構造体に安定した適度な湿潤状態を与える技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、平板状の膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極（空気極、カソード）および負極（燃料極、アノード）を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。
【０００３】
ここで、上記のような電気化学反応を安定させるためには、膜電極構造体が湿潤していることが望ましい。たとえば、特許文献１には、燃料ガス通路内で燃料ガスに発電生成水が水蒸気となって加わることにより、水蒸気分圧が上昇した使役後の燃料オフガスを加湿ガスとし、未使役の燃料ガスを加湿する燃料電池システムが開示されている。
【０００４】
ところで、近年、燃料電池の高性能化に伴って膜電極構造体は薄くなる傾向にあり、電気化学反応で生成され空気極側に出てくる水が燃料極側へ移動するという現象が生じるようになってきた。このため、燃料ガスを加湿すると燃料極の湿潤状態が過剰となり、燃料と燃料極との接触が妨げられるフラッディングと呼ばれる現象が生じる。一方、空気極側は、湿潤の程度が過剰でも電気化学反応にはさほど差し障りがない場合のあることが知られている。したがって、最近では、燃料ガスを加湿するよりも酸化剤ガスを加湿する技術が重要視されてきている。
【０００５】
酸化剤ガスを加湿する従来の自動車用燃料電池システムとしては、たとえば、図２に示すものが知られている。この図に示す燃料電池システムＡは、燃料電池の単位セルを多数積層した燃料電池スタック１と、熱交換器２と、コンプレッサ３と、加湿器４とを直列に接続して概略構成されている。この燃料電池システムＡには、ラジエータ５が接続され、ラジエータ５と、燃料電池スタック１、熱交換器２、およびコンプレッサ３との間において冷却水が循環するようになっている。
【０００６】
上記構成の燃料電池システムＡでは、空気は、先ず加湿器４に供給されて加湿され、次いでコンプレッサ２に供給されて加圧される。その際の加圧により空気の温度が上昇するので、熱交換器２によって燃料電池の作動温度まで冷却されて燃料電池スタック１に供給される。一方、燃料電池スタック１には、図示しない供給手段により水素などの燃料ガスが供給され、燃料ガスと空気とが電気化学反応を起こすことにより発電が生じる。そして、燃料電池において使役済みの空気（空気オフガス）は、加湿器４に供給され、空気オフガスに含まれる水蒸気が供給空気に水分交換され、供給空気が加湿される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開昭６１−３６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のような燃料電池システムでは、ラジエータ５から燃料電池スタック１、熱交換器２、およびコンプレッサ３に冷却水を供給して冷却するから、ラジエータが大型化するとともに、冷却水を循環させるための配管がスペースを占め、エンジンルーム内のレイアウト設計に制約を受けるという問題があった。
【０００９】
また、供給空気の相対湿度が安定し難いため、適度な湿潤状態が要求される膜電極構造体に影響が出て発電性能が低下してしまうという問題もあった。すなわち、燃料電池の出力電流値が図３に示すように変化すると、コンプレッサの出力は出力電流値に連動して変化する。ここで、燃料電池車の速度を増加させる場合には、先ず燃料電池の発電電流が増え、その後に速度が増加する。一方、速度が増加することでラジエータによる燃料電池の冷却能力が増加するから、コンプレッサの出力が増加して供給空気量が増加しても燃料電池の冷却能力はすぐには追いつかない。このため、供給空気の温度が上昇気味となり、供給空気の相対湿度が下がってしまう。
【００１０】
逆に、燃料電池車の速度を減少させる場合には、先ず燃料電池の発電電流が減り、その後に速度が減少する。一方、速度が減少することでラジエータによる燃料電池の冷却能力が減少するから、コンプレッサの出力が減少して供給空気量が減少しても燃料電池の冷却能力はすぐには下がらない。このため、供給空気の温度が下降気味となり、供給空気の相対湿度が上がってしまう。このように、従来の燃料電池システムでは、増速すると供給空気の相対湿度が下がり、減速すると供給空気の相対湿度が上がるという図３に破線で示すような挙動をとる。このため、膜電極構造体に安定した適度な湿潤状態を与えることができず、発電性能が低下してしまうのである。
【００１１】
したがって、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、供給空気の相対湿度を安定させることができ、これにより、膜電極構造体に安定した適度な湿潤状態を与えることができ、もって発電性能を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに含まれる水分を前記燃料電池に供給される酸化剤ガスに移す加湿手段と、前記酸化剤ガスを圧縮して前記燃料電池に送り込むコンプレッサと、前記コンプレッサを流通した後前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却する熱交換手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサを流通した後の酸化剤ガスを前記熱交換手段に供給するとともに、前記コンプレッサを流通する前の酸化剤ガスを前記熱交換手段に供給することにより、前記両酸化剤ガスどうしの間で熱交換することを特徴としている。
【００１３】
上記構成の燃料電池システムにあっては、コンプレッサを流通する前の酸化剤ガスは、熱交換手段において冷却媒体として作用し、コンプレッサを流通した後の酸化剤ガスは、熱交換手段において被冷却媒体として作用する。ここで、本発明の燃料電池システムを燃料電池車に搭載した場合を考えると、燃料電池車の速度を増加させる場合には、先ず燃料電池の発電電流が増え、それに追従してコンプレッサの出力が増加する。なお、コンプレッサの出力を高めてから燃料電池の発電電流を多めに引くという制御方法もある。コンプレッサの出力が増加すると、熱交換手段において被冷却媒体として作用する酸化剤ガスの供給量が増加するが、冷却媒体として作用する酸化剤ガスの供給量も増加する。
【００１４】
逆に、燃料電池車の速度を減少させる場合には、先ず燃料電池の発電電流が減り、それに追従してコンプレッサの出力が減少する。コンプレッサの出力が減少すると、熱交換手段において被冷却媒体として作用する酸化剤ガスの供給量が減少するが、冷却媒体として作用する酸化剤ガスの供給量も減少する。このように、本発明では、車速の増減に追従してコンプレッサの出力が増減されるから、熱交換手段に供給される冷却媒体および被冷却媒体の量が等しく増減される。したがって、被冷却媒体としての酸化剤ガスが燃料電池に供給される際には、その温度に変動が少なく、よって酸化剤ガスの相対湿度も変動が少ない。つまり、図３の実線で示すように酸化剤ガスの相対湿度は変化しない。その結果、膜電極構造体に安定した適度な湿潤状態を与えることができ、これにより燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１５】
上記構成の燃料電池システムにあっては、加湿手段の配置は燃料電池よりも上流側であれば任意である。たとえば、酸化剤ガスを熱交換手段→加湿手段→コンプレッサ→熱交換手段→燃料電池の順に流通させれば、熱交換手段で昇温して相対湿度が低下した酸化剤ガスが加湿手段に供給される。これにより、より多くの水分が加湿手段において酸化剤ガスに供給され、燃料電池に供給する酸化剤ガスの相対湿度を高めることができる。また、酸化剤ガスを加湿手段→熱交換手段→コンプレッサ→熱交換手段→燃料電池の順に流通させることもできる。
【００１６】
本発明の燃料電池システムは車両に搭載されると好適であり、この場合には、ラジエータの冷却水を熱交換手段に循環させる従来技術のように、車速の増減により酸化剤ガスの相対湿度が変動するような不都合はない。また、本発明において熱交換手段の冷却媒体は酸化剤ガスであるから、ラジエータが大型化することなく、また、ラジエータと熱交換手段の間の配管が不要となる。したがって、エンジンルーム内のレイアウト設計の自由度が増えるという効果もある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池に供給する酸化剤ガスの相対湿度を安定させることができるので、膜電極構造体に安定した適度な湿潤状態を与えることができ、もって発電性能を向上させることができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。
【図２】従来の燃料電池システムを示す系統図である。
【図３】燃料電池における電流と供給空気の相対湿度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１において符号１０は燃料電池スタックであり、燃料電池スタック１０は、燃料電池の単位セルを多数積層して構成されている。燃料電池スタック１０には、熱交換器（熱交換手段）２０が接続され、熱交換器２０には、コンプレッサ３０が接続されている。また、コンプレッサ３０には、加湿器（加湿手段）４０が接続されている。
【００２０】
熱交換器２０には空気を供給するための第１配管２１が接続されている。第１配管２１は、熱交換器２０内の冷却媒体流路に連通し、この冷却媒体流路と加湿器４０は第２配管２２によって接続されている。
【００２１】
ここで、加湿器４０は、ハウジング４１に、水分交換のための中空糸膜を多数平行に束ねたものを内蔵して構成されている。中空糸膜は中空状の細い糸の膜であって、その膜は、ガスの浸透は阻止するが水分すなわち水分子の浸透は許容するという性質を有する。この場合、水分は水蒸気分圧の高い方向から低い方向に中空糸膜を介して浸透する。したがって、中空糸膜の内側に相対湿度の低いガスを流通させ、外側に相対湿度の高いガスを流通させると、水分は中空糸膜の外側から内部に浸透し、相対湿度の低いガス中に拡散してその湿度を上昇させる。なお、中空糸膜の内側に相対湿度の高いガスを流通させ、外側に相対湿度の低いガスを流通させても同じ作用を得ることができる。
【００２２】
この実施形態では、第２配管２２が中空糸膜の内側に接続されている。具体的には、中空糸膜の束の上流側の端面に設けた被加湿ガス供給口４２に、第２配管２２が接続されている。したがって、中空糸膜の内側には加湿されていない相対湿度の低い空気が供給される。また、中空糸膜の束の下流側の端面に設けた被加湿ガス排出口４３には、コンプレッサ３０が接続されている。
【００２３】
中空糸膜の束の外周側には加湿ガス供給口４４と加湿ガス排出口４５とが設けられ、加湿ガス供給口４４には、燃料電池スタック１０に設けた空気オフガス排出口１１が第３配管１２によって接続されている。なお、図示は省略するが、燃料電池スタック１０およびコンプレッサ３０には、ラジエータなどの冷却手段で冷却された冷却媒体が循環して冷却するようになっている。
【００２４】
次に、上記構成の燃料電池システムＢの動作を説明する。燃料電池システムＢを作動させて発電する際には、空気は、熱交換器２０、加湿器４０、コンプレッサ３０、熱交換器２０を順番に流通して燃料電池スタック１０に供給される。一方、燃料電池スタック１０には、図示しない供給手段により水素などの燃料ガスが供給され、燃料ガスと空気とが電気化学反応を起こすことにより発電が生じる。そして、燃料電池において使役済みの空気オフガスは、加湿器４０に供給される。
【００２５】
加湿器４０では、中空糸膜の外側を空気オフガスが流通し、中空糸膜の内側を熱交換器２０から供給された供給空気が流通する。そして、空気オフガスに含まれる水蒸気が中空糸膜を浸透して供給空気に吸収され、供給空気が加湿される。加湿された供給空気はコンプレッサ３０に供給されて加圧される。この加圧により供給空気は例えば１８０℃程度にまで昇温し、燃料電池の作動温度を超えている。次いで、供給空気は、熱交換器２０に供給され、その被冷却媒体流路を流通する。一方、熱交換器２０の冷却媒体流路には、常温の供給空気が流通している。このため、昇温した供給空気の熱量は常温の供給空気に奪われ、燃料電池の作動温度である例えば８０℃まで降温する。そして、降温した供給空気は燃料電池スタック１０に供給され、そこで燃料ガスと電気化学反応を起こして発電が生じる。
【００２６】
上記構成の燃料電池システムＢは、例えば燃料電池車に搭載されて用いられる。ここで、燃料電池車の速度を増加させる場合には、先ず燃料電池の発電電流が増え、それに遅れることなく追従してコンプレッサ３０の出力を増加させる。コンプレッサ３０の出力が増加すると、熱交器２０に供給される昇温した空気の量が増加するが、常温の空気の供給量も増加する。逆に、燃料電池車の速度を減少させる場合には、先ず燃料電池の発電電流が減り、それに遅れることなく追従してコンプレッサ３０の出力を減少させる。コンプレッサ３０の出力が減少すると、熱交換器２０において昇温した空気の供給量が減少するが、常温の空気の供給量も減少する。このように、本実施形態では、車速の増減に追従してコンプレッサ３０の出力が増減されるから、熱交換器２０に供給される常温の空気および昇温した空気の量が等しく増減される。したがって、昇温した空気が熱交換器２０を流通して燃料電池スタック１０に供給される際には、その温度に変動が少なく、よって空気の相対湿度も変動が少ない。その結果、燃料電気の膜電極構造体に安定した適度な湿潤状態を与えることができ、これにより燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２７】
なお、本発明では加湿器４０の配置位置は任意である。たとえば、熱交換器２０の上流側の第１配管２１の途中に配置することができ、あるいは、熱交換器２０とコンプレッサ３０との中間や、熱交換器２０と燃料電池スタック１０との中間に配置することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明では、熱交換手段の冷却媒体は酸化剤ガスであるから、ラジエータが大型化することなく、また、ラジエータと熱交換手段の間の配管が不要となる等、エンジンルーム内の設計の自由度が増す。したがって、本発明は、自動車に適用して極めて有望である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  燃料電池スタック
２０  熱交換器（熱交換手段）
３０  コンプレッサ
４０  加湿器（加湿手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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