(57)【要約】【課題】  気液分離器から再循環合流機構に送られる反応オフガスの供給路に結露が生じるのを防止し、また、気液分離器により分離された生成水がドレン配管等において凍結するのを防止する。【解決手段】  反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池１０を冷却する冷却媒体が通流する冷媒通路２０と、燃料電池１０から排出された反応オフガス中に含まれる水分を分離する気液分離器３０と、気液分離器３０により水分の分離された反応オフガスを燃料電池１０の反応ガスの供給側に戻す供給路３５と、供給路３５により戻された反応オフガスを反応ガスと合流させる再循環合流機構４０とを備え、気液分離器３０と再循環合流機構４０とを隣接して配置し、気液分離器３０と再循環合流機構４０との間に冷媒通路２０を配置した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
この燃料電池を冷却する冷却媒体が通流する冷媒通路と、
前記燃料電池から排出された反応オフガス中に含まれる水分を分離する気液分離器と、
この気液分離器により水分の分離された反応オフガスを前記燃料電池の前記反応ガスの供給側に戻す供給路と、
この供給路により戻された前記反応オフガスを、前記反応ガスと合流させる再循環合流機構と、を備え、
前記気液分離器と前記再循環合流機構とを隣接して配置し、
前記気液分離器と前記再循環合流機構との間に前記冷媒通路を配置したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記気液分離器により分離された水分が溜まる部分に、前記冷媒通路を配置した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、燃料電池から排出された反応オフガスをリサイクルして燃料供給側に戻して使用する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制する等の観点から、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ2）と空気中の酸素（Ｏ2）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。
【０００３】
燃料電池システムでは、高圧水素タンクからの水素（アノードガス）が減圧された後に水素供給ラインを介してアノード極に供給される一方、電動コンプレッサにより加圧された空気（カソードガス）が空気供給ラインを介してカソード極に供給される。アノード極からは燃料電池で消費されなかった水素（アノードオフガス：反応オフガス）が排気ガスとしてアノードオフガス排出路を介して排出され、カソード極からは反応後の空気（カソードオフガス）が排気ガスとしてカソードオフガス排出路を介して排出される。
【０００４】
ところで、燃料電池から排気されたアノードオフガスには、前記のように消費されなかった水素が含まれているので、この水素をリサイクルするためにアノードオフガスに水蒸気のかたちで含まれている反応生成水（以下、単に生成水という）をアノードオフガスから分離する気液分離器が設けられた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような気液分離器には、冷却水が供給されるようになっており、この冷却水でアノードオフガスを冷却することにより、アノードオフガスに含まれている生成水が凝縮され、ドレン配管を伝わって排出される。一方、生成水が分離されたアノードオフガスは、エゼクタに供給され、このエゼクタで高圧水素タンクからのアノードガスに混合されて、再び燃料電池のアノード極に供給される。これにより、アノードオフガスに含まれる水素がリサイクルされる。
【特許文献１】特開平８−３２１３１６号公報（段落００１６〜００１７、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記気液分離器では、燃料電池から排出されるアノードオフガスに生成水が高湿潤に含まれることから、完全に分離されずにエゼクタに送られるアノードオフガス中に残存することがある。このため、気液分離器からエゼクタに通じる配管においてアノードオフガスに残存する生成水が凝縮する可能性があり、液状の生成水がエゼクタに吸い込まれるおそれがあった。このような液状の生成水を含むアノードガスが燃料電池に供給される状況では、燃料電池に送り込まれるアノードガスの流量や圧力に変動を来たすことがあり、発電安定性にばらつきを生じるおそれがあった。このことは、気液分離器からエゼクタに通じる配管が長く設けられている場合に起こりやすかった。
【０００６】
一方、気液分離器により分離された生成水がドレン配管等に残ったまま燃料電池を停止させた状態で氷点下などの外気温度が低い場所に長時間放置されると、残留した生成水が凍結してドレン配管等を閉塞し、始動性能に影響を及ぼすという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、気液分離器からエゼクタ等の再循環合流機構に送られる反応オフガスの供給路に結露が生じるのを防止することができる燃料電池システムを提供することを第１の課題とする。
また、気液分離器により分離された生成水がドレン配管等において凍結するのを防止することができる燃料電池システムを提供することを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記第１の課題を解決すべく、請求項１に記載の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、この燃料電池を冷却する冷却媒体が通流する冷媒通路と、前記燃料電池から排出された反応オフガス中に含まれる水分を分離する気液分離器と、この気液分離器により水分の分離された反応オフガスを前記燃料電池の前記反応ガスの供給側に戻す供給路と、この供給路により戻された前記反応オフガスを、前記反応ガスと合流させる再循環合流機構と、を備え、前記気液分離器と前記再循環合流機構とを隣接して配置し、前記気液分離器と前記再循環合流機構との間に前記冷媒通路を配置したことを特徴とする。
【０００９】
このような燃料電池システムでは、気液分離器と再循環合流機構とが隣接して配置され、気液分離器と再循環合流機構との間に冷媒通路が配置されているので、気液分離器を通過した後の反応オフガスは、燃料電池を通過した後の温度の上昇された冷却媒体により加温されて再循環合流機構に送られることとなる。これにより、反応オフガス中に残存する水分が仮に含まれていたとしても、それを水蒸気の状態のままで供給路を通じて再循環合流機構に供給することができる。つまり、反応オフガスの相対温度を低下できる。したがって、気液分離器から再循環合流機構に送られる反応オフガスの供給路において結露が生じるのを防止することができる。これにより、燃料電池に液状の水分を含む反応ガスが供給されることが防止され、発電安定性に優れた燃料電池システムが得られる。
しかも、気液分離器を通過した後の反応オフガスが冷やされて結露するのを追加熱源なしに防止することができるという利点が得られる。
また、気液分離器と再循環合流機構とが隣接して配置されているので、気液分離器から再循環合流機構に送られる反応オフガスが供給路で効率よく加温されるという利点を備えている。
さらに、反応ガス供給系から供給される反応ガスが、仮に冷えている場合であっても、再循環合流機構で反応ガスと反応オフガスとが混合される際に、反応オフガス中に残存する水分が凝縮しづらくなるという利点が得られる。
【００１０】
また、前記第２の課題を解決すべく、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記気液分離器により分離された水分が貯まる部分に、前記冷媒通路を配置したことを特徴とする。
【００１１】
このような燃料電池システムでは、気液分離器により分離された生成水が貯まる部分、例えば、ドレン配管等が、低温起動時においても昇温速度の速い冷却媒体の熱で加温されることとなり、気液分離器により分離された生成水がドレン配管等において凍結するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の燃料電池システムによれば、気液分離器から再循環合流機構に送られる反応オフガスにおいて結露が生じるのを防止することができる。また、請求項２に記載の燃料電池システムによれば、気液分離器により分離された生成水がドレン配管等において凍結するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を燃料電池電気自動車に適用した実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの主要部を示す概略構成図、図２は同じく燃料電池システムにおける冷却水の流れおよび水素ガスの流れを示す概略図である。
【００１４】
＜燃料電池システムの構成＞
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０と、冷媒通路２０と、気液分離器３０と、再循環合流機構としてのエゼクタ４０とを備え、気液分離器３０とエゼクタ４０とを隣接して一体的に配置するとともに、気液分離器３０とエゼクタ４０との間に冷媒通路２０が配置されて構成されている。
【００１５】
燃料電池１０は、図２に示すように、水素供給タンク等が設けられた水素供給系Ｃから燃料ガスである水素（アノードガス）が水素熱交換器Ｃ１およびエゼクタ４０を介して燃料電池１０の図示しないアノード極に供給され、一方、空気供給系Ａから酸化剤ガスである空気（カソードガス）が燃料電池１０の図示しないカソード極に供給されることにより、これらを電気化学的に反応させて発電する。発電された電力は、図示しない車両に搭載された走行モータに供給される。ちなみに、ここでの燃料電池１０は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解質を挟んで図示しないアノード極およびカソード極等から構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータで更に挟み込んだ単セルを、例えば数十枚〜数百枚程度積層した積層構造を有している（以上図示外）。ここで、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。
【００１６】
図１に示すように、冷媒通路２０は、気液分離器３０とエゼクタ４０との間を貫通するかたちで配設されており、気液分離器３０およびエゼクタ４０に略一体的に設けられている。冷媒通路２０には、燃料電池１０を冷却するための冷却水（冷却媒体）が通流するようになっている。ここで、冷却水が通流する冷却系は、図２に示すように、主として、冷却水が燃料電池１０から冷媒通路２０を通り、その後、熱交換器１１を介して再び燃料電池１０に供給されるという循環経路を備えて構成されており、熱交換器１１により放熱した冷却水を循環ポンプ１２により燃料電池１０へ送出する冷却水循環往路１３Ａと、燃料電池１０から吸熱した冷却水を熱交換器１１に戻す冷却水循環復路１３Ｂとを少なくとも備えている。
【００１７】
本実施の形態では、冷却水循環復路１３Ｂの一部を冷媒通路２０として構成している。つまり、この冷媒通路２０は、燃料電池１０の下流側に位置しており、通路内には、燃料電池１０を通過して温められた冷却水が通流するようになっている。
【００１８】
再び図１を参照して説明すると、気液分離器３０は、燃料電池１０から排出された余剰水素ガスである高湿潤のアノードオフガス（反応オフガス）から反応生成水（水分）を分離する役割をなす。
【００１９】
気液分離器３０とエゼクタ４０との間には、気液分離器３０により反応生成水の分離された後の反応オフガスを、反応ガス(水素)の供給側であるエゼクタ４０の吸込口側に戻す供給路３５が配設されている。この供給路３５は、冷媒通路２０の側方の近接位置に配設されており、これにより、供給路３５内を流れる反応オフガスが、冷媒通路２０内を流れる冷却水の熱で加温されるようになっている。なお、供給路３５は、冷媒通路２０の周囲を迂回する状態に配設することが好ましい。
【００２０】
気液分離器３０の下部には、断面逆三角形状のドレン部３１が設けられている。気液分離器３０とドレン部３１との間には、例えば、複数の透孔３０ｂ（図１では拡大して１つのみ図示）が形成された仕切り板３０ａが配設されており、気液分離器３０で分離された反応生成水が透孔３０ｂを通過してドレン部３１に溜まるようになっている。
【００２１】
ドレン部３１の下部には、冷媒通路３２が、ドレン部３１の底面に密着した状態に配設されている。冷媒通路３２は、一部が内管３２ａと外管３２ｂとからなる二重管構造とされており、内管３２ａが、ドレン部３１の排出口３１ａに連通してドレン管として機能するとともに、外管３２ｂが、前記冷却水循環復路１３Ｂ（図２参照）に連通して、冷却水の通流する通路として機能する。これにより、ドレン部３１に溜まった反応生成水は、冷媒通路３２の内管３２ａを通じて排出され、一方、冷却水循環復路１３Ｂからの冷却水が、冷媒通路３２の外管３２ｂを通じてドレン部３１に供給される。つまり、内管３２ａは、燃料電池１０を通過した後の温かい冷却水により加温される。ここで、ドレンは、内管３２ａを図１中矢印Ｘ１方向に流れ、また、冷却水は、外管３２ｂを図１中矢印Ｘ２方向に流れる。すなわち、内管３２ａの下流側に外管３２ｂの上流側が位置することとなり、内管３２ａの下流側が内管３２ａの上流側より先に冷却水で加温される構造となっている。なお、冷媒通路３２は、冷却水の流れる方向（図１中矢印Ｘ２方向）を基準として、ドレン部３１の排出口３１ａより上流側が内管３２ａと外管３２ｂとからなる二重管構造とされ、また、排出口３１ａより下流側が外管３２ｂのみから構成されている。
【００２２】
冷媒通路３２には、ドレン弁３３が接続されており、このドレン弁３３の開閉により、内管３２ａが開放あるいは閉塞されるようになっている。なお、気液分離器３０およびドレン部３１の内部は、燃料電池１０より排出された反応オフガスにより圧力が高くなっているので、ドレン弁３３が開かれると、内管３２ａを通じてドレンが排出される。また、冷媒通路３２の内管３２ａの端部は、図示しない希釈ボックスに連通している。
なお、エゼクタ４０の上流側には、図示しない減圧弁が配設され、また、エゼクタ４０の下流側には、図示しない水透過膜型等の加湿装置としての中空糸膜式加湿器が配設されている。さらに、空気供給系Ａには、図示しないエアクリーナや、加湿器、電動コンプレッサ等が配設されている。
【００２３】
＜実施形態の作用＞
燃料電池システムを起動すると、図示しないスロットルペダルの踏込み量や各機器（灯火装置や空調装置等）の消費電力等に基づき燃料電池１０から取り出すべき電流量が図示しない制御装置により決定され、その電流量に応じたカソードガスが燃料電池１０に供給される。また、燃料電池１０にアノードガスが供給されることで、アノード極からカソード極への水素の移動に伴って電力が発生するとともに、消費されたアノードガスが水素供給タンクから供給される。そして、アノード極で消費されなかった余剰の水素は、アノードオフガスとしてアノードオフガス排出路１５を通じて排出され、また、カソード極から反応後の空気がカソードオフガスとして排出される。
【００２４】
一方、冷却系の循環ポンプ１２が駆動制御され、図２に示すように、循環ポンプ１２から吐出された冷却水が冷却水循環往路１３Ａを通じて燃料電池１０に供給される。燃料電池１０に供給されて燃料電池１０を冷却した後の冷却水は、燃料電池１０から吸熱して冷却水循環復路１３Ｂに排出され、その後、冷媒通路２０に供給される。
ここで、燃料電池１０から冷却水循環復路１３Ｂに排出された冷却水の一部が、冷却水循環復路１３Ｂから分岐路１４ａ，１４ｂを通じてエゼクタ４０および水素熱交換器Ｃ１に供給され、これらと熱交換された後に、冷却水循環復路１３Ｂに戻されて合流する。
【００２５】
図３は図１に示した燃料電池システムをＹ矢視方向から見たときの具体的構成例を示した模式図であり、冷媒通路２０が設けられたマウント５０の下部および上部に、気液分離器３０、エゼクタ４０がそれぞれ取り付けられて、これらが一体的にされた構成となっている。
【００２６】
マウント５０は、基部５１と、この基部５１に一体的に設けられた複数本の脚部５２とを有している。基部５１の略中央部には、冷媒通路２０が貫通形成されているとともに、供給路３５が冷媒通路２０の周囲に沿う状態に、気液分離器３０とエゼクタ４０との間に形成されている。これにより、冷媒通路２０を流れる冷却水と供給路３５を流れる反応オフガスとの間で熱交換がなされ、供給路３５を流れる反応オフガスが加温される。
【００２７】
その後、冷媒通路２０を通過した冷却水の一部は、図２に示すように、冷媒通路３２に供給され、冷媒通路３２内においてドレン配管である内管３２ａの周囲に沿って、ドレン弁３３から気液分離器３０のドレン部３１に向けて流れ、その後、冷却水循環復路１３Ｂに戻される。この際、冷媒通路２０を流れる冷却水と、内管３２ａ、ドレン弁３３およびドレン部３１との間で熱交換がなされ、内管３２ａ、ドレン弁３３およびドレン部３１がそれぞれ加温される。なお、冷媒通路３２に供給される冷却水は、ドレン部３１に溜まった反応生成水が蒸発することのない温度に設定され、好ましくは、燃料電池１０やその他の機関が冷えている起動時や氷点下の温度条件において供給される。
【００２８】
冷却水循環復路１３Ｂに戻された冷却水は、冷媒通路２０を通過した後の冷却水とともに冷却水循環復路１３Ｂをさらに循環して熱交換器１１に流入し、熱交換器１１で放熱された後に再び循環ポンプ１２により燃料電池１０に向けて吐出される。
【００２９】
以上説明した本実施形態の燃料電池システムによれば、気液分離器３０とエゼクタ４０とが隣接して配置され、気液分離器３０とエゼクタ４０との間に燃料電池１０の下流側に位置する冷媒通路２０が配置されているので、気液分離器３０を通過した後の反応オフガスは、燃料電池１０を通過した後の温度の上昇された冷却水により加温されて供給路３５内をエゼクタ４０に送られることとなる。これにより、気液分離器３０で反応生成水が完全に分離されずに、供給路３５内を流れる反応オフガス中に残存する水分が仮に含まれていたとしても、それを水蒸気の状態のままで供給路３５を通じてエゼクタ４０に供給することができる。つまり、反応オフガスの相対温度を低下できる。したがって、気液分離器３０からエゼクタ４０に送られる反応オフガスの供給路３５において結露が生じるのを防止することができる。これにより、燃料電池１０に液状の生成水を含む反応ガスが供給されることが防止され、発電安定性に優れた燃料電池システムが得られる。
しかも、気液分離器３０を通過した後の反応オフガスが冷やされて結露するのを、燃料電池１０の冷却に用いる冷却水を利用することで防止することができるので、追加熱源を別途設ける必要がなく、最小構成の部品で実現することができ、発電安定性に優れながらコストの低減に寄与する燃料電池システムが得られる。
【００３０】
さらに、冷媒通路２０および冷媒通路３２で冷却水が放熱されるので、熱交換器１１の容量を小さく設定することができ、小型化を図ることができる燃料電池システムが得られる。
【００３１】
また、気液分離器３０とエゼクタ４０とが隣接して配置されているので、気液分離器３０からエゼクタ４０に送られる反応オフガスが供給路３５で効率よく加温されるという利点が得られる。
【００３２】
さらに、冷媒通路３２を流れる冷却水により、気液分離器３０の下部に設けられたドレン部３１、ドレン弁３３および内管３２ａ（ドレン配管）が、低温起動時においても昇温速度の速い冷却水の熱で加温されることとなり、気液分離器３０により分離された生成水が凍結して内管３２ａ等を閉塞するのを防止するとともに、生成水が凍結した際には、早期にこれを解凍することができる。
【００３３】
また、冷媒通路３２の内管３２ａの下流側に、外管３２ｂの上流側が位置し、内管３２ａの下流側が内管３２ａの上流側より先に冷却水で加温される構造となっているので、ドレンの凍結しやすい部分から加温されることとなり、内管３２ａ等におけるドレンの凍結を効果的に防止できる。
【００３４】
本発明は、前記実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、また、前記実施形態では燃料電池電気自動車を例に説明したが、船舶や航空機等の移動体、あるいは定置発電装置用の燃料電池システム等に本発明を適用することができる。また、前記実施形態ではＰＥＭ型の燃料電池を備えた燃料電池システムを取り上げたが、本発明は、アルカリ型燃料電池やリン酸型燃料電池等、他種の燃料電池を備えた燃料電池システムにも当然に適用できる。また、燃料電池システムを構成する各機器のレイアウト等についても本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
さらに、前記実施形態では、燃料電池の下流側に冷媒通路を配置した構成としたが、燃料電池の上流側に冷媒通路を配置するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの主要部を示す概略構成図である。
【図２】同じく燃料電池システムにおける冷却水の流れおよび水素ガスの流れを示す概略図である。
【図３】図１に示した燃料電池システムをＹ矢視方向から見たときの具体的構成例を示した模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０    燃料電池
１１    熱交換器
１２    循環ポンプ
１３Ａ  冷却水循環往路
１３Ｂ  冷却水循環復路
２０    冷媒通路
３０    気液分離器
３１    ドレン部
３２    冷媒通路
３２ａ  内管
３２ｂ  外管
３３    ドレン弁
３５    供給路
４０    エゼクタ（再循環合流機構）
【図１】
2006134743.tif 000003
【図２】
2006134743.tif 000004
【図３】
2006134743.tif 000005