(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、加湿装置のバイパス流路に配設されるセンサに水滴が付着することを有効に阻止し、前記センサの良好な作動を保持することを可能にする。【解決手段】空気供給流路４０は、加湿装置４４に反応前の空気を供給する加湿前反応ガス供給路４６と、前記加湿装置４４から導出される加湿された空気を燃料電池スタック１４に供給する加湿後反応ガス供給路５２とを備える。加湿前反応ガス供給路４６の途上から三方切替バルブ５４を介して加湿後反応ガス供給路５２にバイパス流路５６が接続されるとともに、このバイパス流路５６には、センサ５８が配設される。加湿前反応ガス供給路４６とバイパス流路５６とには、前記バイパス流路５６に、常時、所定量の加湿前の空気を供給可能な微量バイパス部６０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】
固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための加湿装置とを備える燃料電池システムであって、
前記加湿装置に加湿前の前記反応ガスを供給する加湿前反応ガス供給路と、
前記加湿装置から導出される加湿された前記反応ガスを、前記固体高分子型燃料電池に供給する加湿後反応ガス供給路と、
前記加湿前反応ガス供給路の途上からバルブを介して前記加湿後反応ガス供給路の途上に接続されるとともに、センサが配設されるバイパス流路と、
前記加湿前反応ガス供給路から前記バイパス流路に、常時、所定量の前記反応ガスを供給可能な微量バイパス部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための加湿装置とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
この場合、上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水により加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給するものが知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用加湿システムは、図６に示すように、燃料電池１の反応ガス入口、例えば、空気入口２ａには、反応ガス供給路３ａが接続される一方、前記燃料電池１の反応ガス出口、例えば、空気出口２ｂには、反応に使用された空気であるオフガスを排出するためのオフガス排出路３ｂが接続されている。反応ガス供給路３ａとオフガス排出路３ｂとは、加湿装置４に接続されており、前記反応ガス供給路３ａに送られる空気は、前記オフガス排出路３ｂに排出されるオフガス中の水分によって加湿されている。
【０００６】
反応ガス供給路３ａには、加湿装置４をバイパスする反応ガスバイパス路５が設けられている。この反応ガスバイパス路５には、反応ガスのバイパス流量を調整可能な流量調整弁６が取り付けられている。反応ガス供給路３ａには、外部空気を導入するためにスーパーチャージャ７が設けられている。
【０００７】
このような構成において、反応ガス供給路３ａに供給される空気は、加湿装置４に導入されることによってオフガス中の水分により加湿された後、空気入口２ａから燃料電池１に供給されている。その際、流量調整弁６が調整されることによって、反応ガスバイパス路５にバイパスされる空気流量が調整され、燃料電池１の要求加湿量に応じて加湿量の制御が行われている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２１６９８４号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の構成において、反応ガスバイパス路５には、流量調整弁６の下流側に位置して、例えば、燃料電池１の入口流体圧を検出するための圧力センサ、反応ガスである空気の温度を検出する温度センサ、前記空気の湿度を検出する湿度センサ又は濃度センサ等、各種のセンサが必要に応じて取り付けられている。
【００１０】
この場合、反応ガスバイパス路５の下流は、反応ガス供給路３ａと合流しており、加湿装置４によって加湿された空気中の水分は、前記反応ガスバイパス路５に滞留し易い。従って、反応ガスバイパス路５に配置されているセンサは、常時、水分に接触しており、前記センサに水滴が付着してしまう。これにより、センサの作動不良が発生するとともに、低温時に水滴が凍結し易いという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、加湿装置のバイパス流路に配設されるセンサに水滴が付着することを有効に阻止し、前記センサの良好な作動を保持することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための加湿装置とを備える燃料電池システムである。
【００１３】
この燃料電池システムは、加湿装置に加湿前の反応ガスを供給する加湿前反応ガス供給路と、前記加湿装置から導出される加湿された前記反応ガスを、固体高分子型燃料電池に供給する加湿後反応ガス供給路と、前記加湿前反応ガス供給路の途上からバルブを介して前記加湿後反応ガス供給路の途上に接続されるとともに、センサが配設されるバイパス流路と、前記加湿前反応ガス供給路から前記バイパス流路に、常時、所定量の前記反応ガスを供給可能な微量バイパス部とを備えている。
【００１４】
ここで、微量バイパス部は、例えば、バルブの外部に設けられ、加湿前反応ガス供給路とバイパス流路とを連通する微量バイパスラインを備えることが好ましい。
【００１５】
また、微量バイパス部は、例えば、バルブの内部に設けられるとともに、前記バルブの作動状態に係わらず、加湿前反応ガス供給路とバイパス流路とに連結される微量バイパスラインを備えることが好ましい。
【００１６】
さらに、バルブは、加湿前反応ガス供給路と加湿装置とを連通可能なメインバルブと、前記加湿前反応ガス供給路とバイパス流路とを連通可能なバイパスバルブとを個別に備えるとともに、微量バイパス部は、例えば、前記バイパスバルブの閉塞時に該バイパスバルブに形成される隙間であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、加湿前反応ガス供給路からバイパス流路に、常時、所定量の反応ガスが供給されるため、前記バイパス流路に配設されるセンサは、比較的低加湿な反応ガスに曝されている。従って、簡単な構成で、センサに水滴が付着することを有効に阻止することができ、前記センサの作動不良を低減させるとともに、前記センサに水滴が付着することを阻止することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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１０の概略構成説明図である。
【００１９】
燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック１４を備える。この燃料電池スタック１４は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１８ａ、１８ｂが配置されている。エンドプレート１８ａ、１８ｂは、例えば、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。
【００２０】
発電セル１６は、例えば、固体高分子電解質膜２０ａの両側にアノード側電極２０ｂとカソード側電極２０ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対の金属製又はカーボン製セパレータ２２、２４とを備える。アノード側電極２０ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２０ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。
【００２１】
エンドプレート１８ａには、各発電セル１６に水素ガスを供給するための水素供給口２６ａと、前記発電セル１６から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック１４から排出するための水素排出口２６ｂとが設けられる。エンドプレート１８ｂには、各発電セル１６に空気を供給するための空気供給口２８ａと、前記発電セル１６から排出される使用済みの空気（以下、オフガスともいう）を燃料電池スタック１４から排出するための空気排出口２８ｂとが設けられる。
【００２２】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４に水素ガスを供給する水素供給流路３０と、前記燃料電池スタック１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路３０の途上に戻して該燃料電池スタック１４に供給するための水素循環流路３２とを備える。
【００２３】
水素供給流路３０には、高圧水素を貯留する水素タンク３４と、前記水素タンク３４から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ３６と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック１４に供給するとともに、水素循環流路３２から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１４に戻すためのエゼクタ３８とが配設される。
【００２４】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４に空気を供給する空気供給流路４０と、前記燃料電池スタック１４から排出されるオフガスを、外部に排気するための空気排出流路４２と、前記空気供給流路４０及び前記空気排出流路４２の途上に配設され、前記空気供給流路４０を通る空気を、前記空気排出流路４２を通るオフガス中の水分により加湿する加湿装置４４とを備える。
【００２５】
空気供給流路４０は、加湿前反応ガス供給路４６を備え、この加湿前反応ガス供給路４６の一端には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（またはポンプ）４８が設けられる。加湿前反応ガス供給路４６の他端は、加湿装置４４の空気入口５０ａに連通するとともに、この加湿装置４４の空気出口５０ｂと、燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａとには、加湿後反応ガス供給路５２が連結される。
【００２６】
加湿前反応ガス供給路４６の途上には、三方切替バルブ５４が設けられ、この三方切替バルブ５４にバイパス流路５６の一端が接続される。バイパス流路５６は、加湿後反応ガス供給路５２の途上に接続されるとともに、前記バイパス流路５６にセンサ５８が配設される。このセンサ５８は、圧力センサ、温度センサ、湿度センサ又は濃度センサ等から必要に応じて選択可能である。
【００２７】
空気供給流路４０には、加湿前反応ガス供給路４６からバイパス流路５６に、常時、微量（所定量）の空気を供給可能な微量バイパス部６０が設けられる。この微量バイパス部６０は、図２に示すように、一端が加湿前反応ガス供給路４６に接続され、他端がバイパス流路５６に接続される微量バイパスライン６２を備える。この微量バイパスライン６２には、必要に応じてオリフィス６４が設けられる。微量バイパスライン６２の開口径を小さく設定して微量の空気を通流可能であれば、オリフィス６４を不要にすることができるからである。
【００２８】
図１に示すように、空気排出流路４２は、燃料電池スタック１４の空気排出口２８ｂと加湿装置４４のオフガス入口６６ａとに接続されるオフガス供給路６８と、前記加湿装置４４のオフガス出口６６ｂに連通するオフガス排出路７０とを備える。このオフガス排出路７０は、例えば、外部に開放されている。
【００２９】
加湿装置４４は、図示していないが、例えば、水透過性膜の両側に空気とオフガスとを流動させる構造や、中空糸膜（水透過膜からなる多孔質中空糸）を密集して束ねた構造等が採用される。
【００３０】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３１】
図１に示すように、水素タンク３４から水素供給流路３０に供給される水素ガスは、レギュレータ３６を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ３８を通って燃料電池スタック１４の水素供給口２６ａに供給される。水素供給口２６ａに供給された水素は、各発電セル１６を構成するアノード側電極２０ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口２６ｂから水素循環流路３２に排出される。この排ガスは、エゼクタ３８の吸引作用下に、水素供給流路３０の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１４内に燃料ガスとして供給される。
【００３２】
一方、スーパーチャージャ４８を介して空気供給流路４０に空気が供給される。この空気は、加湿前反応ガス供給路４６から加湿装置４４の空気入口５０ａを介して前記加湿装置４４内に導入される。その際、三方切替バルブ５４は、加湿前反応ガス供給路４６を全開にし且つバイパス流路５６と前記加湿前反応ガス供給路４６とを遮断する位置に配置される。
【００３３】
加湿装置４４では、燃料電池スタック１４の発電に使用された反応済みの空気であるオフガスが、オフガス供給路６８を介してオフガス入口６６ａから前記加湿装置４４内に導入される。このため、加湿装置４４内では、オフガス中の水分が反応前の空気に供給されて、この空気が加湿される。そして、加湿された空気は、加湿後反応ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに供給される。
【００３４】
この加湿された空気は、各発電セル１６のカソード側電極２０ｃに供給される。これにより、各発電セル１６では、アノード側電極２０ｂに供給される水素と、カソード側電極２０ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。なお、加湿装置４４内で反応前の空気を加湿したオフガスは、オフガス出口６６ｂからオフガス排出路７０に排出されて外部に放出される。
【００３５】
この場合、第１の実施形態では、加湿前反応ガス供給路４６からバイパス流路５６に、常時、微量の空気を供給可能な微量バイパス部６０が設けられている。
【００３６】
この微量バイパス部６０は、図２に示すように、加湿前反応ガス供給路４６の三方切替バルブ５４の上流側と、バイパス流路５６の途上とに連結される微量バイパスライン６２を備えるとともに、この微量バイパスライン６２には、オリフィス６４が設けられている。
【００３７】
このため、三方切替バルブ５４を介して加湿前反応ガス供給路４６を全開状態に維持すると、反応前の空気は、加湿装置４４により加湿された後に燃料電池スタック１４に供給される一方、加湿前の比較的低湿度な空気が、微量バイパスライン６２を介してバイパス流路５６に送られている。従って、バイパス流路５６に配設されているセンサ５８は、常時、比較的低加湿な空気に曝されており、前記センサ５８に水滴が付着することを有効に阻止することができる。
【００３８】
これにより、第１の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、センサ５８の作動不良や凍結を低減させることが可能になり、前記センサ５８を介して高精度な測定が確実に遂行されるという効果が得られる。
【００３９】
なお、第１の実施形態では、一方の反応ガスである空気を加湿して燃料電池スタック１４に供給するように構成しているが、これに限定されるものではなく、他方の反応ガスである燃料ガスを加湿する構造を採用してもよい。また、加湿流体として燃料電池スタック１４から排出される空気であるオフガスを用いているが、これに限定されるものではなく、他の加湿ガス、例えば、専用の水蒸気ガスや純水又は液体等を用いてもよい。
【００４０】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する空気供給流路８０の要部説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
空気供給流路８０は、加湿前反応ガス供給路４６の途上に分岐流路８２を設けるとともに、前記分岐流路８２と前記加湿前反応ガス供給流路４６とは、バルブ８４に接続される。バルブ８４は、バルブ本体８６を備え、このバルブ本体８６には、加湿前反応ガス供給路４６に連通する第１通路８８ａと、分岐流路８２に連通する第２通路８８ｂとが形成される。
【００４２】
バルブ本体８６の一端には、アクチュエータ９０が装着され、このアクチュエータ９０に連結されている旋回軸９２には、第１及び第２弁体９４ａ、９４ｂが設けられる。第１及び第２弁体９４ａ、９４ｂは、略円板上を有するとともに、それぞれ第１通路８８ａと第２通路８８ｂとに配置され、且つ互いに所定の角度だけ位相差を有している。具体的には、第１弁体９４ａが第１通路８８ａを全開する位置では、第２弁体９４ｂが第２通路８８ｂを全閉する位置に配置される。
【００４３】
バルブ本体８６の他端側には、微量バイパス部を構成する微量バイパスライン９６が形成される。この微量バイパスライン９６は、第２弁体９４ｂを挟んで第２通路８８ｂに両端が開放されるとともに、開口断面積が相当に小さく設定されている。
【００４４】
このように構成される第２の実施形態では、バルブ８４を構成するアクチュエータ９０の作用下に、第１及び第２弁体９４ａ、９４ｂが所定の角度位置に配置されると、第１通路８８ａ及び第２通路８８ｂの開度が調整されて、加湿装置４４に導入される空気流量が調整可能である。その際、第１弁体９４ａにより第１通路８８ａが全開される一方、第２弁体９４ｂにより第２通路８８ｂが全閉されても、分岐流路８２とバイパス流路５６とは、微量バイパスライン９６を介して連通している。
【００４５】
従って、バルブ８４の操作状況に係わらず、バイパス流路５６には、比較的低加湿な空気が、常時、供給されるため、センサ５８に水滴が付着することを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、センサ５８の作動不良を低減させることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４６】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する空気供給流路１００の要部説明図である。
【００４７】
空気供給流路１００は、加湿前反応ガス供給路４６から分岐する分岐流路１０２を有するとともに、前記分岐流路１０２と前記加湿前反応ガス供給路４６とは、バルブ１０４に接続される。バルブ１０４は、バルブ本体１０６を備え、このバルブ本体１０６には、加湿前反応ガス供給路４６に連通する第１通路１０８ａと、分岐流路１０２に連通する第２通路１０８ｂとが形成される。
【００４８】
バルブ本体１０６の端部に装着されるアクチュエータ１１０から旋回軸１１２が延在するとともに、前記旋回軸１１２には、第１及び第２通路１０８ａ、１０８ｂに配設される第１及び第２弁体１１４ａ、１１４ｂが設けられる。
【００４９】
図５に示すように、第１弁体１１４ａにより第１通路１０８ａが全開される際に、第２弁体１１４ｂは第２通路１０８ｂを全閉することがなく、隙間（微量バイパス部）１１６を形成している。従って、アクチュエータ１１０の作用下に、第１弁体１１４ａが第１通路１０８ａを全開する位置に配置される際、第２弁体１１４ｂと第２通路１０８ｂとの間に形成される隙間１１６を介して、バイパス流路５６に微量な空気が供給されている。
【００５０】
これにより、第３の実施形態では、バイパス流路５６に配設されているセンサ５８は、常時、比較的低加湿な空気に曝されており、簡単な構成で、前記センサ５８に水滴が付着することを阻止することができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
なお、バルブ１０４では、第１弁体１０４ａが第１通路１０８ａを全開する際に、第２弁体１１４ｂが第２通路１０８ｂを全閉するように構成されていてもよい。その際、第１弁体１１４ａを第１通路１０８ａの全開位置からわずかに傾斜させることにより、第２弁体１１４ｂと第２通路１０８ｂとの間に微量バイパス部を形成することができ、上記の第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する空気供給流路の要部説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する空気供給流路の要部説明図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する空気供給流路の要部説明図である。
【図５】前記空気供給流路に配設されるバルブの平面説明図である。
【図６】特許文献１の燃料電池用加湿システムの説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…燃料電池システム          １４…燃料電池スタック
１６…発電セル                  ２０…電解質膜・電極構造体
２０ａ…固体高分子電解質膜      ２０ｂ…アノード側電極
２０ｃ…カソード側制御部        ４０、８０、１００…空気供給流路
４２…空気排出流路              ４４…加湿装置
４６…加湿前反応ガス供給路      ４８…スーパーチャージャ
５２…加湿後反応ガス供給路      ５４…三方切替バルブ
５６…バイパス流路              ５８…センサ
６０…微量バイパス部            ６２、９６…微量バイパスライン
６４…オリフィス                ６８…オフガス供給路
７０…オフガス排出路            ８２、１０２…分岐流路
８４、１０４…バルブ            ８６、１０６…バルブ本体
８８ａ、８８ｂ、１０８ａ、１０８ｂ…通路
９４ａ、９４ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…弁体
１１６…隙間
【図１】
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【図２】
2006155945.tif 000004
【図３】
2006155945.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006155945.tif 000007
【図６】
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