(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック；
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニット；
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ユニット；
冷却剤を循環させて、前記燃料電池スタックを冷却するように構成される燃料電池冷却ユニット；
前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスを利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを加湿するように構成される燃料ガス加湿器；
前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスを利用して、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを加湿するように構成される酸化剤ガス加湿器；及び
前記燃料ガス供給ユニット、前記酸化剤ガス供給ユニット、及び前記燃料電池冷却ユニットの作動を制御する制御ユニットを含み、
前記燃料ガス加湿器は、
その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置する一対の分離板；及び
その一側に前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスが流れ、その他側に前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置される加湿膜を含み、
前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余燃料ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに伝達され、
前記残余燃料ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される燃料ガス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】
前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを通過した冷却剤が含んだ熱を外部に発散するように構成したラジエータ；
冷却剤が前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを循環するように、前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを連結する冷却剤循環通路；及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータで冷却された冷却剤が前記燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックから熱を吸収した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含む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】
前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを迂回する冷却剤迂回通路；及び
前記冷却剤迂回通路に設置され、冷却剤をろ過する冷却剤フィルターをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却剤は、不凍液であ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５】
前記制御ユニットによってその作動が制御され、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとに含まれている水分を収集し、収集された水分を利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスと前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスとを各々加湿する補助加湿装置をさらに含む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６】
前記補助加湿装置は、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとを凝縮させる残余ガス凝縮ユニット；
前記残余燃料ガスと前記残余酸化剤ガスとの凝縮過程で発生する水の供給を受け、これを保存する水保存ユニット；
前記水保存ユニットに保存された水を、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに噴射する第１水噴射器；及び
前記水保存ユニットに保存された水を、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスに噴射する第２水噴射器を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記補助加湿装置は、
前記水保存ユニットに保存されている水を加熱する電気ヒーターをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記電気ヒーターは、外気温度が設定された温度より低い場合に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１水噴射器と前記第２水噴射器とは、超音波噴射ノズルであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１水噴射器と前記第２水噴射器とは、燃料電池スタックの作動後に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記残余ガス凝縮ユニットは、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスを凝縮させる第１凝縮器；
前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスを凝縮させる第２凝縮器；
前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とを通過した冷却剤を冷却するラジエータ；
冷却剤が前記第１凝縮器、前記第２凝縮器、及び前記ラジエータを循環するように、前記第１凝縮器、前記第２凝縮器、及び前記ラジエータを連結する冷却剤循環通路；及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータを通過した冷却剤が前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とに供給され、前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とを通過した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池スタック；
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニット；
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ユニット；
冷却剤を循環させて、前記燃料電池スタックを冷却するように構成される燃料電池冷却ユニット；
前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスを利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを加湿するように構成される燃料ガス加湿器；
前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスを利用して、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを加湿するように構成される酸化剤ガス加湿器；及び
前記燃料ガス供給ユニット、前記酸化剤ガス供給ユニット、及び前記燃料電池冷却ユニットの作動を制御する制御ユニットを含み、
前記酸化剤ガス加湿器は、
その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置される一対の分離板；及び
その一側に前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスが流れ、その他側に前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置する加湿膜を含み、
前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余酸化剤ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに伝達され、
前記残余酸化剤ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガス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１３】
前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを通過した冷却剤が含んだ熱を外部に発散させるように構成されるラジエータ；
冷却剤が前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを循環するように、前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを連結する冷却剤循環通路；及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータで冷却された冷却剤が前記燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックから熱を吸収した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを迂回する冷却剤迂回通路；及び
前記冷却剤迂回通路に設置され、冷却剤をろ過する冷却剤フィルターをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記冷却剤は、不凍液であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記制御ユニットによってその作動が制御され、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとに含まれている水分を収集し、収集された水分を利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスと前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスとを各々加湿する補助加湿装置をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記補助加湿装置は、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとを凝縮させる残余ガス凝縮ユニット；
前記残余燃料ガスと前記残余酸化剤ガスとの凝縮過程で発生する水の供給を受け、これを保存する水保存ユニット；
前記水保存ユニットに保存された水を、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに噴射する第１水噴射器；及び
前記水保存ユニットに保存された水を、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに噴射する第２水噴射器を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記補助加湿装置は、
前記水保存ユニットに保存されている水を加熱する電気ヒーターをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記電気ヒーターは、外気温度が設定された温度より低い場合に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記第１水噴射器と前記第２水噴射器とは、超音波噴射ノズルであることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
１水噴射器と前記第２水噴射器とは、燃料電池スタックの作動後に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記残余ガス凝縮ユニットは、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスを凝縮させる第１凝縮器；
前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスを凝縮させる第２凝縮器；
前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とを通過した冷却剤を冷却するラジエータ；
冷却剤が前記第１凝縮器、前記第２凝縮器、及び前記ラジエータを循環するように、前記第１凝縮器、前記第２凝縮器、及び前記ラジエータを連結する冷却剤循環通路；及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータを通過した冷却剤が前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とに供給され、前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とを通過した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
燃料電池スタック；
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニット；
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ユニット；
冷却剤を循環させて、前記燃料電池スタックを冷却するように構成される燃料電池冷却ユニット；
前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスを利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを加湿するように構成される燃料ガス加湿器；
前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスを利用して、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを加湿するように構成される酸化剤ガス加湿器；及び
前記燃料ガス供給ユニット、前記酸化剤ガス供給ユニット、及び前記燃料電池冷却ユニットの作動を制御する制御ユニットを含み、
前記燃料ガス加湿器は、
その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置される一対の分離板；及び
その一側に前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスが流れ、その他側に前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置される加湿膜を含み、
前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余燃料ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに伝達され、
前記残余燃料ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに供給され、
前記酸化剤ガス加湿器は、
その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置される一対の分離板；及び
その一側に前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスが流れ、その他側に前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置される加湿膜を含み、
前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余酸化剤ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに伝達され、
前記残余酸化剤ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガス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２４】
前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを通過した冷却剤が含んだ熱を外部に発散させるように構成されるラジエータ；
冷却剤が前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを循環するように、前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを連結する冷却剤循環通路；及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータで冷却された冷却剤が前記燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックから熱を吸収した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記燃料電池冷却ユニットは、
前記燃料電池スタックを迂回する冷却剤迂回通路；及び
前記冷却剤迂回通路に設置され、冷却剤をろ過する冷却剤フィルターをさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記冷却剤は、不凍液であることを特徴とする、請求項２３に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記制御ユニットによってその作動が制御され、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとに含まれている水分を収集し、収集された水分を利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスと前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスとを各々加湿する補助加湿装置をさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
前記補助加湿装置は、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとを凝縮させる残余ガス凝縮ユニット；
前記残余燃料ガスと前記残余酸化剤ガスとの凝縮過程で発生する水の供給を受け、これを保存する水保存ユニット；
前記水保存ユニットに保存された水を、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに噴射する第１水噴射器；及び
前記水保存ユニットに保存された水を、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに噴射する第２水噴射器を含むことを特徴とする請求項２７に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
前記補助加湿装置は、
前記水保存ユニットに保存されている水を加熱する電気ヒーターをさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記電気ヒーターは、外気温度が設定された温度より低い場合に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項２９に記載の燃料電池システム。
【請求項３１】
前記第１水噴射器と前記第２水噴射器とは、超音波噴射ノズルであることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３２】
前記第１水噴射器と前記第２水噴射器とは、燃料電池スタックの作動後に設定された時間だけ作動するように制御されることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
前記残余ガス凝縮ユニットは、
前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスを凝縮させる第１凝縮器；
前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスを凝縮させる第２凝縮器；
前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とを通過した冷却剤を冷却するラジエータ；
冷却剤が前記第１凝縮器、前記第２凝縮器、及び前記ラジエータを循環するように、前記第１凝縮器、前記第２凝縮器、及び前記ラジエータを連結する冷却剤循環通路；及び
前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータを通過した冷却剤が前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とに供給され、前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とを通過した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むことを特徴とする請求項２８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関し、より詳しくは、燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を利用して、燃料電池スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿することができる、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）は、燃料（水素）の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。
高分子電解質型燃料電池は、液体ではなく固体高分子重合体を電解質膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ、または“イオン交換膜”ともいう）として使用する。
電解質膜の両側には各々正極及び負極が配置され、電解質膜と正極及び負極とを含むアセンブリーを、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）という。
【０００３】
高分子電解質型燃料電池は、通常、その作動温度が１００℃未満であり、小型電源や自動車用電源として多く使用されている。
高分子電解質型燃料電池では、水素が正極（ａｎｏｄｅ、“燃料極”ともいう）に供給され、酸素（空気）が負極（ｃａｔｈｏｄｅ、“空気極”ともいう）に供給される。
正極に供給された水素は、触媒によって水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ、ｅ−）とに分解され、このうちの水素イオンだけが選択的にイオン交換膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ）を通過して負極に伝達され、同時に、電子は導体である分離板を通じて負極に伝達される。
【０００４】
負極に供給された水素イオン及び電子は、負極に供給された酸素と結合して水を生成する反応を起こす。
この時に起こる電子の流れによって電流が生成され、同時に、水生成反応で熱も付随的に発生する。
【０００５】
高分子電解質型燃料電池の電極反応は下記の通りであって、最終的に、電気、熱、及び水が生成される。
［正極での反応］
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
［負極での反応］
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
［全体反応］
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋電気エネルギー＋熱エネルギー
このような高分子電解質型燃料電池において、水素イオンの円滑な移動のためには、その移動通路であるイオン交換膜に水素イオンの移動に必要な十分な水分が供給されなければならない。
【０００６】
イオン交換膜に水分を供給する装置は、通常、加湿器と呼ばれ、様々な種類の加湿器が開発中または開発済みである。
イオン交換膜に十分な水分が供給されない場合、供給される気体によってイオン交換膜の表面から水分が蒸発してイオン交換膜内の水分の含量が減少する。その結果、水素イオンの移動に必要な水分が不足して円滑な水素イオンの移動が行われなくなり、電気化学反応の阻害要素として作用する。
【０００７】
反面、加湿器によって過度に多量の水分が供給される場合、または燃料電池が高出力で作動して、その反応副産物である水が過剰に生成される場合には、加湿されすぎることになる。イオン交換膜に過度に多量の水分が供給される場合には、水素イオンと電子と酸素とを反応させる触媒が水分によって囲まれるようになる。その結果、反応に必要な気体が触媒に接近するのが難しくなり、燃料電池の出力低下が発生する。
したがって、高分子電解質型燃料電池が最適な性能で作動するためには、運転条件によって、供給される水分と反応により生成される水とを全て考慮して、加湿の程度を調整する必要がある。
【０００８】
高分子電解質型燃料電池に使用される従来の加湿器は、燃料電池スタックを循環する燃料電池スタック冷却水を利用して、正極に供給される水素と負極に供給される酸素とを加湿する。
このような一体型加湿器を使用することによって、燃料電池システムの体積を減らすことができるが、組立欠陥や外部衝撃がある場合、安全性を確保するのが困難になる傾向がある。
【０００９】
さらに、従来の加湿器を使用する高分子電解質型燃料電池では、車両搭載状態で脱イオン水（Ｄｅ  Ｉｏｎｉｚｅｄ  Ｗａｔｅｒ、通常“ＤＩ  ｗａｔｅｒ”という）だけからなる燃料電池スタック冷却水から熱源と加湿とに必要な水分の供給を受けなければならないので、氷点下の温度ではその作動が不可能である。
【特許文献１】特開２００３−２３４１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は前記問題点を解決するために創出されたものであって、燃料電池スタックから排出される残余水素と残余酸素とに含まれている水分を利用して、燃料電池スタックに供給される水素と酸素とを加湿することによって、不凍液を冷却剤として使用することができる燃料電池システムを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するための本発明の実施例による燃料電池システムは、燃料電池スタック；前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニット；前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ユニット；冷却剤を循環させて、前記燃料電池スタックを冷却するように構成される燃料電池冷却ユニット；前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスを利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを加湿するように構成される燃料ガス加湿器；前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスを利用して、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを加湿するように構成される酸化剤ガス加湿器；及び前記燃料ガス供給ユニット、前記酸化剤ガス供給ユニット、及び前記燃料電池冷却ユニットの作動を制御する制御ユニットを含む。
【００１２】
前記燃料ガス加湿器は、その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置される一対の分離板；及びその一側に前記燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスが流れ、その他側に前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置される加湿膜を含み、前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余燃料ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに伝達され、前記残余燃料ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに供給されるのが好ましい。
【００１３】
前記酸化剤ガス加湿器は、その間に前記燃料電池スタックから排出される冷却剤が流れるように互いに対向して配置される一対の分離板；及びその一側に前記燃料電池スタックから排出される残余酸化剤ガスが流れ、その他側に前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスが流れるように、前記分離板の外側に配置される加湿膜を含み、前記一対の分離板の間を流れる冷却剤の熱と前記残余酸化剤ガスの熱とが、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに伝達され、前記残余酸化剤ガスに含まれている水分が、前記加湿膜を通じて前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに供給されるのが好ましい。
【００１４】
前記燃料電池冷却ユニットは、前記燃料電池スタックを通過した冷却剤が含んだ熱を外部に発散するように構成したラジエータ；冷却剤が前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを循環するように、前記燃料電池スタックと前記ラジエータとを連結する冷却剤循環通路；及び前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータで冷却された冷却剤が前記燃料電池スタックに供給し、前記燃料電池スタックから熱を吸収した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むのが好ましい。
【００１５】
前記燃料電池冷却ユニットは、前記燃料電池スタックを迂回する冷却剤迂回通路；及び前記冷却剤迂回通路に設置され、冷却剤をろ過する冷却剤フィルターをさらに含むのが好ましく、前記冷却剤は、不凍液であるのが好ましい。
【００１６】
本発明の他の好ましい実施例による燃料電池システムは、前記制御ユニットによってその作動が制御され、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとに含まれている水分を収集し、収集された水分を利用して、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスと前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスとを各々加湿する補助加湿装置をさらに含む。
【００１７】
前記補助加湿装置は、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスと前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスとを凝縮させる残余ガス凝縮ユニット；前記残余燃料ガスと前記残余酸化剤ガスとの凝縮過程で発生する水の供給を受け、これを保存する水保存ユニット；前記水保存ユニットに保存された水を、前記燃料ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスに噴射する第１水噴射器；及び前記水保存ユニットに保存された水を、前記酸化剤ガス供給ユニットから前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに噴射する第２水噴射器を含むのが好ましい。
【００１８】
前記補助加湿装置は、前記水保存ユニットに保存されている水を加熱する電気ヒーターをさらに含むのが好ましい。
前記電気ヒーターは、外気温度が設定された温度より低い場合に設定された時間だけ作動するように制御されるのが好ましい。
【００１９】
前記第１水噴射器と前記第２水噴射器とは、超音波噴射ノズルであるのが好ましい。
前記第１水噴射器と前記第２水噴射器とは、燃料電池スタックの作動後に設定された時間だけ作動するように制御されるのが好ましい。
【００２０】
前記残余ガス凝縮ユニットは、前記燃料ガス加湿器を通過した残余燃料ガスを凝縮させる第１凝縮器；前記酸化剤ガス加湿器を通過した残余酸化剤ガスを凝縮させる第２凝縮器；前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とを通過した冷却剤を冷却するラジエータ；冷却剤が前記第１凝縮器、前記第２凝縮器、及び前記ラジエータを循環するように、前記第１凝縮器、前記第２凝縮器、及び前記ラジエータを連結する冷却剤循環通路；及び前記冷却剤循環通路に設置され、前記ラジエータを通過した冷却剤が前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とに供給され、前記第１凝縮器と前記第２凝縮器とを通過した冷却剤が前記ラジエータに供給されるように、冷却剤をポンピングする冷却剤ポンプを含むのが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
前記のような本発明の実施例による燃料電池システムは、燃料電池スタックの冷却剤ではなく、燃料電池スタックから排出される残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を利用して、燃料電池スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するので、冷却剤として不凍液を使用することができる。したがって、燃料電池システムが氷点下の温度でも作動することができるようになる。
【００２２】
また、本発明の実施例による燃料電池システムは、補助加湿装置を備えることによって、燃料電池システムの作動初期にも安定して燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施例を添付した図面を参照して説明する。
【実施例】
【００２４】
図１に示すように、本発明の実施例による燃料電池システム１１は、燃料電池スタック１３、燃料ガス供給ユニット１５、酸化剤ガス供給ユニット１７、燃料電池冷却ユニット１９、燃料ガス加湿器２１、酸化剤ガス加湿器２３、及び制御ユニット２５を含む。
制御ユニット２５は、プロセッサー及び関連ハードウェアを含み、以下の説明にしたがって燃料電池システム１１を駆動するようにプログラムされる。
【００２５】
燃料電池スタック１３は、複数の燃料電池シェルを含み、本発明の実施例による燃料電池システムの燃料電池は高分子電解質型燃料電池であるのが好ましい。
燃料電池スタック１３は、燃料ガスと酸化剤ガスとの間の電気化学的反応を通じて電気エネルギーを生成する。
【００２６】
本発明の好ましい実施例による燃料電池システム１１において、燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは酸素であるのが好ましい。
この時、酸化剤ガスを含む空気を燃料電池スタック１３に供給することによって、酸化剤ガスを燃料電池スタック１３に供給することができる。
【００２７】
燃料ガス供給ユニット１５は、燃料ガス供給通路２７を通じて燃料電池スタック１３に燃料ガスを供給し、酸化剤ガス供給ユニット１７は、酸化剤ガス供給通路２９を通じて燃料電池スタック１３に酸化剤ガスを供給する。
燃料ガス供給ユニット１５は、燃料ガスを保存する燃料ガスタンク（ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｔａｎｋ）とすることができ、酸化剤ガス供給ユニット１７は、酸化剤ガス（より厳密にいえば、酸素を含む空気）を燃料電池スタック１３に供給することができるエアーブローワー（ａｉｒ  ｂｌｏｗｅｒ）とすることができる。
【００２８】
燃料電池スタック１３に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとは電気化学反応をし、その結果、電気エネルギーが生成される。
燃料電池スタック１３に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとのうちの一部は、電気化学反応によって消耗されずに残留し、このような残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとは、残余燃料ガス排出通路３１と残余酸化剤ガス排出通路３３とを通じて燃料電池スタック１３から各々排出される。
【００２９】
燃料電池冷却ユニット１９は、燃料電池スタック１３で発生する熱を外部に発散させることによって、燃料電池スタック１３の温度が上昇しすぎるのを防ぐ役割を果たす。
燃料電池冷却ユニット１９は、ラジエータ３５を含む。ラジエータ３５以外にも任意の熱交換器を使用することができるのはもちろんである。
ラジエータ３５の出口は、冷却剤循環通路３７を通じて燃料電池スタック１３の入口に連結され、燃料電池スタック１３の出口は、ラジエータ３５の入口に連結される。
【００３０】
一方、冷却剤循環通路３７は、冷却剤ポンプ３９に設置される。
冷却剤ポンプ３９は、冷却剤循環通路３７の内部の冷却剤をポンピングすることによって、冷却剤を循環させる。
即ち、冷却剤ポンプ３９は、ラジエータ３５を通過した冷却剤を燃料電池スタック１３に移動させ、燃料電池スタック１３を通過した冷却剤をラジエータ３５に移動させる。
したがって、燃料電池スタック１３の内部の熱は、その内部を通過する冷却剤に吸収され、冷却剤に吸収された熱は、ラジエータ３５から外部に発散されることによって、燃料電池スタック１３の温度が上昇しすぎるのを防ぐ。
【００３１】
本発明の好ましい実施例による燃料電池システム１１において、冷却剤は不凍液であるのが好ましい。
本発明の好ましい実施例による燃料電池システム１１は、冷却剤を利用して燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するのではなく、燃料電池スタック１３から排出される残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を利用して、燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するので、冷却剤として純粋な水（Ｄｅ−Ｉｏｎｉｚｅｄ  Ｗａｔｅｒ、いわゆる“ＤＩ  ｗａｔｅｒ”）を使用する必要がない。
【００３２】
冷却剤として不凍液を使用することによって、本発明の実施例による燃料電池システム１１の燃料電池冷却ユニット１９は、従来の燃料電池システムより低い温度（０℃以下の温度）でも作動可能である。
例えば、本発明の好ましい実施例による燃料電池システム１１に使用される冷却剤としては、エチレングリコールと純粋な水との混合物（例えば、エチレングリコール５０％と純粋な水５０％との混合物）などがある。
冷却剤のうちの一部（例えば、冷却剤の１０％）は、燃料電池スタック１３を迂回する冷却剤迂回通路４１を通過し、冷却剤迂回通路４１には冷却剤フィルター４３が設置される。
【００３３】
冷却剤のうちの一部は、冷却剤フィルター４３を通過することによって、冷却剤に含まれている不純物が除去される。
冷却剤を構成するエチレングリコールは、冷却剤が通過していく構成部品の腐蝕などにより汚染されることがあり、汚染物質が冷却剤に含まれていると、燃料電池スタック１３の内部での反応が妨害されることがある。冷却剤フィルター４３を使用してこのような汚染物質を除去することによって、燃料電池スタック１３がより安定して作動することができる。
燃料ガス加湿器２１と酸化剤ガス加湿器２３とは、燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを各々加湿する。
【００３４】
図１及び図２に示すように、燃料ガス供給通路２７を通じて燃料電池スタック１３に供給される燃料ガス、残余燃料ガス排出通路３１を通じて燃料電池スタック１３から排出される残余燃料ガス、及び燃料電池スタック１３から排出される冷却剤は、燃料ガス加湿器２１を通過する。
【００３５】
燃料ガス加湿器２１は、互いに対向するように配置される一対の分離板４５、４７と、少なくとも一つの加湿膜（ｈｕｍｉｄｉｆｙｉｎｇ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）４９または５１とを含む。
分離板４５、４７は高分子化合物とすることができ、例えば、ポリカーボネートやアクリルを含浸したグラファイトなどとすることができる。
加湿膜４９または５１は、一種のイオン交換膜であって、水分の含有及び蒸発が可能な任意の膜（つまり、水分を伝達することができる任意の膜）とすることができる。
【００３６】
図２に示すように、加湿膜４９は分離板４５、４７の外側に各々配置されるのが好ましい。
互いに対向する分離板４５、４７の間には、燃料電池スタック１３から排出される冷却剤が流れ、加湿膜４９の一側には、燃料電池スタック１３から排出される残余燃料ガスが流れ、加湿膜４９の他側には、燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスが流れるように構成される。
冷却剤は分離板４５、４７の間を流れるので、冷却剤の流れは、燃料電池スタック１３から排出される燃料ガスの流れと燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスの流れとは分離される。
【００３７】
加湿膜４９の両側に燃料電池スタック１３から排出される残余燃料ガスの流れと燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスの流れとがあるので、燃料電池スタック１３から排出される残余燃料ガスに含まれている水分が、加湿膜４９を通じて燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスに伝達される。したがって、燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスが加湿される。
同時に、燃料電池スタック１３から排出される冷却剤と残余燃料ガスとに含まれている熱が、燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスに伝達される。
【００３８】
燃料ガス加湿器２１の分離板４５、４７と加湿膜４９との面積と積層数とを調節することによって、燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスが適切に加湿されるようになる。
燃料ガス加湿器２１は、燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスの相対湿度が７５±１０％ＲＨ程度になるように加湿するのが好ましい。
一方、図３に示すように、酸化剤ガス加湿器２３は燃料ガス加湿器２１と類似した構造を有する。
即ち、酸化剤ガス加湿器２３は、互いに対向する一対の分離板５３、５５と、その外側に配置される加湿膜５７または５９とを含む。
【００３９】
酸化剤ガス加湿器２３は、燃料電池スタック１３から排出される冷却剤が一対の分離板５３、５５の間を流れ、加湿膜５７の一側には、燃料電池スタック１３から排出される残余酸化剤ガスが流れ、その他側には、燃料電池スタック１３に供給される酸化剤ガスが流れるように構成する。
分離板５３、５５と加湿膜５７とは、燃料ガス加湿器２１の分離板４５、４７と加湿膜４９と各々同一な材料からなることができる。
したがって、燃料電池スタック１３から排出される酸化剤ガスに含まれている水分が加湿膜５７を通じて燃料電池スタック１３に供給される酸化剤ガスに伝達されることによって、燃料電池スタック１３に供給される酸化剤ガスが加湿される。
同時に、燃料電池スタック１３から排出される冷却剤と残余酸化剤ガスとに含まれている熱が、燃料電池スタック１３に供給される酸化剤ガスに伝達される。
【００４０】
燃料ガス加湿器２１と同様に、酸化剤ガス加湿器２３の分離板５３、５５と加湿膜５７との面積と積層数とを調節することによって、燃料電池スタック１３に供給される酸化剤ガスが適切に加湿されるようになる。
酸化剤ガス加湿器２３は、燃料電池スタック１３に供給される酸化剤ガスの相対湿度が３５±１０％ＲＨ程度になるように加湿するのが好ましい。
【００４１】
本発明の実施例による燃料電池システム１１は、燃料電池スタック１３から排出される残余燃料ガスの一部を再利用するための燃料ガスリサイクル装置６１を含む。
燃料ガスリサイクル装置６１は、残余燃料ガス排出通路３１と燃料ガス供給通路２７とを連結する燃料ガスリサイクル通路６３に設置される。
燃料ガスリサイクル装置６１は、残余燃料ガス排出通路３１を流れる残余燃料ガスの一部を燃料ガス供給通路２７に移動させることによって、排出される燃料ガスのうちの一部がリサイクルされるようにする。
例えば、燃料ガスリサイクル装置６１は、燃料ガスを移動させることができるコンプレッサとすることができる。
【００４２】
一方、本発明の他の好ましい実施例による燃料電池システム１１は、燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するための補助加湿装置６５をさらに含む。
補助加湿装置６５は、燃料ガス加湿器２１と酸化剤ガス加湿器２３とを通過した残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとから水分を収集し、収集された水分（水）を利用して、燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿する。
補助加湿装置６５は、燃料ガス加湿器２１を通過した残余燃料ガスと酸化剤ガス加湿器２３を通過した残余酸化剤ガスとを冷却して、残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を凝縮させる残余ガス凝縮ユニット６７を含む。
【００４３】
残余ガス凝縮ユニット６７は、燃料ガス加湿器２１を通過した残余燃料ガスを凝縮させる第１凝縮器６９と、酸化剤ガス加湿器２３を通過した残余酸化剤ガスを凝縮させる第２凝縮機７１とを含む。
第１凝縮器６９と第２凝縮器７１とは、冷却剤循環通路７３によってラジエータ７５に連結される。
また、冷却剤循環通路７３には冷却剤ポンプ７７が設置され、冷却剤ポンプ７７は冷却剤が冷却剤循環通路７３に沿って第１凝縮器６９、第２凝縮器７１、及びラジエータ７５を循環するように冷却剤をポンピングする。
【００４４】
ラジエータ７５によって冷却された冷却剤が第１凝縮器６９と第２凝縮器７１とを通過すれば、第１凝縮器６９と第２凝縮器７１とは、残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとに含まれている水分を凝縮させるようになる。その結果、残余ガスから水が収集される。
この時、残余ガス凝縮ユニット６７を循環する冷却剤を利用して、車両のモータ８９とモータ制御ユニット（ｍｏｔｏｒ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ、ＭＣＵ）９１とを冷却することができる。
第１凝縮器６９と第２凝縮器７１とによって収集された水は、水保存ユニット７９に保存される。
【００４５】
一方、補助加湿装置６５は、燃料ガス供給通路２７を流れる燃料ガスと酸化剤ガス供給通路２９を流れる酸化剤ガス（空気）とに微細な水滴を噴射することができるように、燃料ガス供給通路２７と酸化剤ガス供給通路２９とに各々設置される第１水噴射器８１と第２水噴射器８３とを含む。
第１水噴射器８１と第２水噴射器８３とは、超音波微細噴射ノズル（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｍｉｃｒｏｓｐｒａｙ  ｎｏｚｚｌｅ）とすることができる。超音波微細噴射ノズルは、超音波を利用して液体を微細な大きさにして噴射することができる装置である。超音波微細噴射ノズルは本発明が属する分野の当業者に自明であるので、これに対するより詳細な説明は省略する。
【００４６】
第１水噴射器８１と第２水噴射器８３とは、水保存ユニット７９に保存された水の供給を受けて、供給を受けた水を燃料ガス供給通路２７と酸化剤ガス供給通路２９との内部に噴射する。
第１水噴射器８１と第２水噴射器８３との作動は、制御ユニット２５の制御信号によって制御されるのが好ましい。
第１水噴射器８１と第２水噴射器８３とは、燃料電池システム１１の作動後に設定された時間（例えば１０秒）だけ作動するように制御されるのが好ましい。
【００４７】
補助加湿装置６５を備える理由は、燃料電池システム１１の作動初期には燃料電池スタック１３から排出される残余ガスに十分な水分が含まれていないので、これを利用して燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するのが困難だからである。
補助加湿装置６５を利用して燃料電池システム１１の作動初期にも安定して燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿することができる。
この時、前記のように、燃料ガス（水素）は相対湿度が７５±１０％ＲＨ程度になるように加湿し、酸化剤ガス（空気）は相対湿度が３５±１０％ＲＨ程度になるように加湿するのが好ましい。
【００４８】
そして、水保存ユニット７９は、約１０秒間、燃料ガスと酸化剤ガスとを前記相対湿度に加湿することができる程度の水を保存することができる大きさであるのが好ましい。
本発明の好ましい実施例による燃料電池システム１１の補助加湿装置６５は、水保存ユニット７９に設置されるヒーター８５をさらに含む。
ヒーター８５は、外部電源（例えばバッテリー）から電源の供給を受けて熱を放出する任意の装置とすることができる。
制御ユニット２５は、ヒーター８５に電源が供給されたり遮断されたりするようにして、ヒーター８５の作動を制御する。
【００４９】
水保存ユニット７９に保存された水が結氷した場合、ヒーター８５を作動させて結氷した氷を溶かすことができる。
外気温度が設定された温度（例えば４℃）より低い場合、制御ユニット２５はヒーター８５を作動させるようにするのが好ましい。外気温度は任意の温度センサー（図示せず）によって検出することができる。
そして、本発明の好ましい実施例による燃料電池システム１１は、燃料電池冷却ユニット１９と排気ガス凝縮ユニット６７とに供給される冷却剤が保存される冷却剤保存ユニット８７を含む。
【００５０】
以上で、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されるわけではなく、その技術的範囲内において本発明の実施例から当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者により容易に変更され得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の好ましい実施例による燃料電池システムを概略的に示すブロックダイヤグラムである。
【図２】図１の燃料電池システムの燃料ガス加湿器の内部構造を簡略的に示す図面である。
【図３】図１の燃料電池システムの酸化剤ガス加湿器の内部構造を簡略的に示す図面である。
【符号の説明】
【００５２】
１１    燃料電池システム
１３    燃料電池スタック
１５    燃料ガス供給ユニット
１７    酸化剤ガス供給ユニット
１９    燃料電池冷却ユニット
２１    燃料ガス加湿器
２３    酸化剤ガス加湿器
２５    制御ユニット
２７    燃料ガス供給通路
２９    酸化剤ガス供給通路
３１    残余燃料ガス排出通路
３３    残余酸化剤ガス排出通路
３５、７５    ラジエータ
３７、７３    冷却剤循環通路
３９、７７    冷却剤ポンプ
４１    冷却剤迂回通路
４３    冷却剤フィルター
４５、４７、５３、５５    分離板
５７、５９    加湿膜
６１    燃料ガスリサイクル装置
６３    燃料ガスリサイクル通路
６５    補助加湿装置
６７    残余ガス凝縮ユニット
６９    第１凝縮器
７１    第２凝縮器
７９    水保存ユニット
８１    第１水噴射器
８３    第２水噴射器
８５    ヒーター
８７    冷却剤保存ユニット
８９    車両のモータ
９１    モータ制御ユニット
【図１】
0003706937.tif 000002
【図２】
0003706937.tif 000003
【図３】
0003706937.tif 000004