(57)【要約】【課題】加湿器に供給されるカソード排出ガスを充分に加湿することができ、加湿器でのドライアップ等の事故の発生を未然に防止して燃料電池の適正な加湿量での運転を可能とする。【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から排出された排出流に含まれる水分を燃料電池１０に供給される供給流に移す加湿器２０と、燃料電池１０から排出された排出流から水分を凝縮して貯留する凝縮手段５０とを備えた燃料電池システムであって、凝縮手段５０により貯留された凝縮水は、排出された排出流の流通経路であって加湿器２０の上流位置に配置された希釈ボックス６０に供給される。【選択図】図１
2010198745.tif 000002
【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排出流に含まれる水分を前記燃料電池に供給される供給流に移す加湿手段と、
前記燃料電池から排出された排出流から水分を凝縮して貯留する凝縮手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記凝縮手段により貯留された凝縮水は、前記排出された排出流の流通経路であって前記加湿手段の上流位置に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿手段は、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し、前記凝縮手段は、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスの流通経路であって前記加湿手段の上流位置に設けられてい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。
【請求項３】
前記加湿手段は、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し、前記凝縮手段は、前記燃料電池から排出された燃料ガスの流通経路に設けられてい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。
【請求項４】
前記燃料電池から排出された燃料ガスと前記燃料電池から排出された酸化剤ガスとを混合して燃料ガスを希釈する希釈手段を備え、この希釈手段から排出流を前記加湿手段に供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記希釈手段は、前記加湿手段に供給する排出流を加熱する加熱手段を備えていることを特徴とする請求項４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、燃料電池に供給する空気に対する加湿効率を向上させる技術に関する。
【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アノード排出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、加湿器２とを接続して供給空気系を構成し、燃料電池スタック１と、エゼクタ３と、燃料タンク４とを直列に接続するとともに、凝縮手段５を燃料電池スタック１に接続して燃料ガス系を構成して概略構成されている。ここで、凝縮手段５は、燃料電池で生成される水とアノード排出ガスとを気液分離し、エゼクタ３は、燃料タンク５から燃料電池スタック１への燃料ガスの流れによって負圧を形成し、この負圧で凝縮手段５からガス分を吸い込んで所定の燃料ガス濃度にして燃料電池スタック１へ供給する。また、凝縮手段５において分離された凝縮水を含む燃料ガスと、燃料電池の空気極および燃料極から排出された凝縮水は、加湿器２の下流側に設けられた希釈ボックス６において混合され、燃料ガスが希釈されて排出される。
【０００６】
上記構成の燃料電池システムＡでは、空気は加湿器２に供給されて加湿された後、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、燃料タンク４から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カソード排出ガスは、加湿器２に供給され、カソード排出ガスに含まれる水蒸気が空気に水分交換され、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
【特許文献２】特開２００７−２１２０１８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、上記構成の燃料電池システムでは、燃料電池に供給される空気が乾燥し高温になり過ぎると、カソード排出ガスの相対湿度が１００％を下回るようになり、燃料電池において凝縮水が生成されなくなるか、生成されても量が不充分となる。凝縮水が生成されないと、凝縮水が再び蒸発することにより吸収する蒸発潜熱がなくなり、カソード排出ガスの温度上昇が抑えられなくなる。その結果、カソード排出ガスの相対湿度が低下する。ここで、加湿手段が中空糸膜で構成されている場合には、中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が高温低湿のカソード排出ガスによって消失させられ、水分の受け渡しが円滑に行われなくなって加湿効率が大幅に低下するようになる（ドライアップ）。そして、一旦ドライアップが生じると、中空糸膜が水分交換機能を取り戻すのに時間がかかり、その間は加湿手段として機能しなくなる。その結果、燃料電池の適正な加湿量での運転ができなくなるという問題があった。
【０００９】
特許文献２には、水蒸気透過膜を用いた加湿器において、被加湿ガスの流通方向に沿って配置した水蒸気透過膜の反対側に、被加湿ガスの流通方向に沿って配置した複数の流量調整弁から供給する加湿ガスの量を調整することにより、水蒸気透過膜の局所的な劣化を防止する技術が開示されている。しかしながら、この技術は、カソード排出ガスの相対湿度が低下した場合の対応策と成りえるものではなかった。
【００１０】
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、加湿器に供給されるカソード排出ガスを充分に加湿することができ、加湿器でのドライアップ等の事故の発生を未然に防止して燃料電池の適正な加湿量での運転を可能とす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】
【００１１】
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排出流に含まれる水分を前記燃料電池に供給される供給流に移す加湿手段と、 前記燃料電池から排出された排出流から水分を凝縮して貯留する凝縮手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記凝縮手段により貯留された凝縮水は、前記排出された排出流の流通経路であって前記加湿手段の上流位置に供給されることを特徴としている。
【００１２】
上記構成の燃料電池システムにあっては、凝縮手段により貯留された凝縮水は、排出された排出流の流通経路であって加湿手段の上流位置に供給されるから、凝縮水が加湿手段に至るまでの流通経路で蒸発して水蒸気分圧を上昇させるとともに、蒸発潜熱によって排出流の温度を低下させる。これにより、加湿手段に適正な温度および相対湿度の排出流が供給され、加湿手段における事故の発生を未然に防止することができる。換言すると、加湿手段における安全運転のための排出流の温度、圧力、流量等の管理範囲を拡大することができるので、運転の制御が容易となる。
【００１３】
ここで、燃料電池から排出された排出流は、使役後の燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくともいずれか一方であり、燃料電池に供給される供給流は燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくともいずれか一方である。
【００１４】
たとえば、加湿手段は、燃料電池から排出された酸化剤ガスに含まれる水分を燃料電池に供給される酸化剤ガスに移し、凝縮手段は、燃料電池から排出された酸化剤ガスの流通経路であって加湿手段の上流位置に設けることができる。あるいは、凝縮手段は、燃料電池から排出された燃料ガスの流通経路に設けることもできる。この場合には、排出酸化剤ガスと排出燃料ガスの両方に含まれる水分を排出流の加湿に利用することができるので、加湿効率をさらに向上させることができる。さらに、凝縮手段を燃料電池から排出された酸化剤ガスの流通経路と燃料電池から排出された燃料ガスの流通経路の両方に設けることができ、この場合には加湿効率をより一層向上させることができる。
【００１５】
本発明では、燃料電池から排出された燃料ガスと燃料電池から排出された酸化剤ガスとを混合して燃料ガスを希釈する希釈手段を備え、この希釈手段から排出流を加湿手段に供給するように構成すると好適である。この態様では、本来、大気に放出されていた希釈後の非可燃状態となった燃料ガスに含まれる水分も加湿手段に供給されるので、排出された酸化剤ガスの加湿効率をさらに向上させることができる。
【００１６】
ところで、希釈手段の放熱や、希釈手段に供給された凝縮水の蒸発による潜熱により、加湿手段に供給する排出流の温度が低下し過ぎることが考えられる。この場合、排出流の水蒸気分圧が低下し、供給流に対する加湿性能が低下する。そこで、希釈手段には、加湿手段に供給する排出流を加熱する加熱手段を備えると好適である。加熱手段としては、燃料電池とラジエータ等の外部冷却手段との間で循環される冷却媒体は使役後は高温となっているので、その冷却媒体を希釈手段に循環させることができる。あるいは、希釈手段に電熱手段を設けることも可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、加湿手段に供給される排出流を充分に加湿することができ、加湿手段でのドライアップ等の事故の発生を未然に防止して燃料電池の適正な加湿量での運転を可能にす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。
【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は実施形態の燃料電池システムＢを示す図である。図１（Ａ）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、加湿器（加湿手段）２０が接続されている。これら燃料電池スタック１０と加湿器２０は、第１配管２１により接続され、空気が第１配管２１から加湿器２０に流入するようになっている。また、燃料電池スタック１０と加湿器２０とは第２配管２２によって接続され、燃料電池から排出されるカソード排出ガスを加湿器２０に供給するようになっている。
【００２０】
ここで、加湿器２０は、ハウジング２３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。
【００２１】
この実施形態では、第１配管２１が中空糸膜の内側に接続され、第２配管２２が中空糸膜の外側に接続されている。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、中空糸膜の外側には、相対湿度が１００％またはそれに近いカソード排出ガスが供給され、中空糸膜においてカソード排出ガスに含まれる水分が燃料電池に供給される空気に移される。
【００２２】
燃料電池スタック１０には、エゼクタ３０が接続され、エゼクタ３０には水素などの燃料ガスが充填された燃料タンク４０が接続されている。また、燃料電池スタック１０には、凝縮手段５０が接続されている。凝縮手段５０としては、凝縮水を貯留するように構成されたキャッチタンクが好適であるが、パイプのようなものであってもよい。凝縮手段５０は、燃料電池で生成される水分とガス分とを気液分離し、エゼクタ３０は、燃料タンク４０から燃料電池スタック１０への燃料ガスの流れによって負圧を形成する。この負圧で凝縮手段５０で分離されたガス分を吸い込み、燃料タンク４０から供給される燃料ガスと混合して所定の燃料ガス濃度とし、これを燃料電池スタック１０へ供給する。
【００２３】
燃料電池スタック１０と加湿器２０の中間の第２配管２２には、希釈ボックス６０が配置されている。この希釈ボックス６０と凝縮手段５０とは第３配管２４で接続されている。凝縮手段５０においてアノード排出ガスから分離された凝縮水とエゼクタ３０に吸い込まれなかった燃料ガスは、第３配管２４を流通して希釈ボックス６０に供給される。希釈ボックス６０には、図１（Ｂ）に示すように加熱手段７０が接続され、燃料電池スタック１０から供給されるカソード排出ガス、および凝縮手段５０から供給される凝縮水と燃料ガスが必要に応じて加熱されるようになっている。
【００２４】
加熱手段７０の構成は任意である。この燃料電池システムＢには、図示しないラジエータが接続され、ラジエータと、燃料電池スタック１０との間において冷却媒体が循環するようになっている。燃料電池において使役後の冷却媒体は高温となっているので、その冷却媒体を希釈ボックス６０に循環させることができる。あるいは、希釈ボックス６０に電熱手段を設けることも可能である。
【００２５】
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、加湿器２０を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、燃料タンク４０からエゼクタ３０を経て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カソード排出ガスは、希釈ボックス６０に供給される。
【００２６】
使役後の燃料ガスはアノード排出ガスとなって凝縮手段５０に吸い込まれ、そこで気液分離される。凝縮手段５０において分離された燃料ガスを含むガス分は、エゼクタ３０に吸引され、燃料タンク４０から供給される燃料ガスに混合されて燃料電池スタック１０に供給される。また、凝縮手段５０において分離された凝縮水は貯留され、エゼクタ３０に吸い込まれなかった燃料ガスとともに第３配管２４を流通して希釈ボックス６０に供給される。
【００２７】
希釈ボックス６０では、燃料電池スタック１０から供給されるカソード排出ガスと、凝縮手段５０から供給される凝縮水および燃料ガスが混合される。これらの排出流は、その温度が所定以下の場合には加熱手段７０によって加熱され、加湿器２０に供給される。
【００２８】
加湿器２０では、中空糸膜の外側をカソード排出ガス、凝縮水および燃料ガスからなる排出流が流通し、中空糸膜の内側を燃料電池スタック１０に供給する空気が流通する。そして、排出流に含まれる水蒸気が中空糸膜を浸透して空気に吸収され、空気が加湿される。なお、排出流に含まれる燃料ガスは、加湿器２０から放出されるが、希釈ボックス６０によって非可燃状態まで希釈されている。
【００２９】
上記構成の燃料電池システムＢにあっては、凝縮手段５０により貯留された凝縮水は、加湿器の上流位置に配置された希釈ボックス６０に供給されるから、凝縮水が加湿器２０に至るまでの過程で蒸発してカソード排出ガスを含む排出流の水蒸気分圧を挙げるとともに、蒸発潜熱によって温度を低下させる。これにより、加湿器２０に適正な温度および相対湿度の排出流が供給され、加湿器２０におけるドライアップの発生を未然に防止することができる。これにより、燃料電池の適正な加湿量での運転が可能となる。また、加湿器２０における安全運転のための排出流の温度、圧力、流量等の管理範囲を拡大することができるので、運転の制御が容易となる。
【００３０】
特に、上記実施形態では、希釈ボックス６０において、凝縮手段５０から供給される燃料ガスと燃料電池スタック１０から排出されたカソード排出ガスとを混合して燃料ガスを希釈するから、本来、大気に放出されていた燃料ガスに含まれる水分も加湿器に供給されるので、排出されたカソード排出ガスの加湿効率をさらに向上させることができる。
【００３１】
また、上記実施形態では、希釈ボックス６０内の排出流を加熱する加熱手段７０を設けているので、希釈ボックス６０の放熱や、希釈ボックス６０に供給された凝縮水の蒸発による潜熱により排出流の温度が低下し過ぎた場合であっても、排出流の温度を高めることにより、排出流の水蒸気分圧を上昇させて燃料電池スタック１０に供給される空気に対する加湿性能を高めることができる。
【００３２】
上記実施形態では、アノード排出ガスが供給される凝縮手段５０を設けているが、この凝縮手段５０に代えてカソード排出ガスが供給される凝縮手段を燃料電池スタック１０と希釈ボックス６０との間の第２配管２２に設けてもよい。あるいは、そのような凝縮手段を凝縮手段５０に加えて設けることもできる。これにより、排出流の加湿効率をさらに向上させることができる。
【００３３】
上記実施形態では、燃料電池スタック１０から排出されるアノード排出ガスは、凝縮手段５０に供給されているが、図１に二点差線で示すように、燃料電池スタック１０と凝縮手段５０とを接続する流通経路の途中で配管を分岐させ、この配管を希釈ボックス６０に接続することで、燃料電池スタック１０のアノード排出ガス排出口でドレインとして滴下する凝縮水を希釈ボックス６０に供給することができる。また、燃料電池スタック１０のカソード排出ガス排出口でドレインとして滴下する凝縮水を希釈ボックス６０に供給することもできる。このように構成することにより、排出流の加湿効率をさらに向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明では、燃料電池から排出される排出流の加湿効率を高めることにより、燃料電池の適正な加湿量での運転が可能となるから、厳格な安定運転が要求される燃料電池車に適用して極めて有望である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  燃料電池スタック
２０  加湿器（加湿手段）
３０  エゼクタ
４０  燃料タンク
５０  凝縮手段
６０  希釈ボックス（希釈手段）
７０  加熱手段
Ｂ  燃料電池システム
【図１】
2010198745.tif 000003
【図２】
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