(57)【要約】【課題】  燃料電池に供給される燃料ガス流路における液滴を除去することができ、発電性能の向上を図ることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池への燃料ガス供給流路にバイパス路を介して気液分離器を接続し、前記バイパス路に流入するガス流量を制限する流量制限手段を設けた。前記燃料電池に供給された燃料ガスを前記燃料ガス供給流路に再度供給する燃料ガス循環手段を備えた。前記流量制限手段は弁であり、前記燃料電池の発電量の増大に基づいて前記弁の開放時間を長く設定する処理を実行可能な開弁時間設定手段を設けた。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池への燃料ガス供給流路にバイパス路を介して気液分離器を接続し、前記バイパス路に流入するガス流量を制限する流量制限手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池に供給された燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に再度供給する燃料ガス循環手段を備え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。
【請求項３】
前記流量制限手段は弁であり、前記燃料電池の発電量の増大に基づいて前記弁の開放時間を長く設定する処理を実行可能な開弁時間設定手段を設けたことを特徴とする請求項２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、ガス中から液滴を除去可能な気液分離器を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素ガス（燃料ガス）を、カソードに空気（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。燃料電池は発電の際に水を生成する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、炭化水素などの原料を反応させて生成した水素ガスを燃料電池に供給し、燃料電池に供給された水素オフガスを燃焼させて前記減少の反応温度を高めるシステムであって、水素オフガスの供給系に液溜め（気液分離器）を設け、オフガス中の水を液溜めで除去する技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３５２８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えばタンク等に貯蔵された水素ガスを水素ガス供給流路から燃料電池に供給するシステムにおいては、水素オフガスを水素ガス供給流路に再度供給して、燃費を向上する技術が検討されている。しかしながら、燃料電池では発電により発熱し、また、発電により水が生成されるので、燃料電池から排出される水素オフガスの温度や湿度は非常に高くなっている。水素オフガスを水素ガス供給流路に供給する経路に気液分離器を設けると、水素オフガス中の液滴は除去されるものの、水素オフガス中の水蒸気は依然として残留してしまう。その結果、高温の水素オフガスが水素ガス供給流路に再度供給されて、水素ガスと混合したときに、水素オフガスが冷却されてその中の水蒸気が凝縮してしまい、燃料電池に過剰の液滴が供給されて、発電性能の向上を阻害してしまう虞がある。
【０００５】
従って、本発明は、燃料電池に供給される燃料ガス流路における液滴を除去することができ、発電性能の向上を図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する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、燃料電池への燃料ガス供給流路（例えば、実施の形態における水素ガス供給流路２１）にバイパス路を介して気液分離器（例えば、実施の形態におけるキャッチタンク７）を接続し、前記バイパス路に流入するガス流量を制限する流量制限手段（例えば、実施の形態における開閉弁Ｖ２）を設けたことを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、前記燃料ガス供給流路から供給されるガスの湿度が高く、前記ガス中に液滴が生じている場合には、この液滴を含むガスを前記バイパス路を介して前記気液分離器に導入することで、前記燃料電池に過剰に液滴が流入することを防止できる。さらに、前記流量制限手段により前記バイパス路に流入するガス流量を制限することで、燃料ガス供給流路から液滴とともに多量のガスがバイパス路に導入されることを防止できる。従って、燃料電池に供給される燃料ガス流路における液滴を除去することができ、発電性能の向上を図ることができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記燃料電池に供給された燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に再度供給する燃料ガス循環手段（例えば、実施の形態における水素オフガス循環流路２０、エゼクタ４）を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、前記燃料ガス循環手段により前記燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に再度供給することで、前記燃料オフガスを発電に利用することができ、燃費を向上することができる。また、前記燃料オフガスが前記燃料ガス供給流路に供給されたときに、前記燃料オフガスの温度が低下して液滴が発生しても、前記バイパス路を介して気液分離器に導入することができるので、前記燃料電池に過剰に液滴が流入することを防止できる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載のものであって、前記流量制限手段は弁であり、前記燃料電池の発電量の増大に基づいて前記弁の開放時間を長く設定する処理を実行可能な開弁時間設定手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ１０）を設けた。
【００１０】
この発明によれば、前記燃料電池の発電量の増大により多量の水が生成されることで、前記燃料オフガスの湿度が高くなり、前記燃料ガス供給流路に供給されたときに多量の液滴が発生したときであっても、前記開弁時間設定手段により前記弁の開放時間を長く設定する処理を実行することで、前記燃料ガス供給流路から燃料電池に液滴が流入することを抑制することができる。これにより燃料電池への燃料ガスの供給量が減少してしまうことを抑制することができ、燃料電池の反応効率を高い状態で維持することができる。さらに、発電量が変動する場合であっても、燃料電池に供給される燃料ガス流路における液滴を除去することができ、発電性能の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池に供給される燃料ガス流路における液滴を除去することができ、発電性能の向上を図ることができる。
請求項２に係る発明によれば、燃費を向上することができ、前記燃料電池に過剰に液滴が流入することを防止できる。
請求項３に係る発明によれば、発電量が変動する場合であっても、燃料電池に供給される燃料ガス流路における液滴を除去することができ、発電性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態における燃料電池システムを図面と共に説明する。
以下、この発明に係る燃料電池システムの水排出方法の実施の形態をの図面を参照して説明する。図１は水素ガス循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。
【００１３】
燃料電池２は、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２ａをアノード２ｂとカソード２ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック（図１では単セルのみ示す）からなり、アノード２ｂに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード２ｃに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノード２ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２ａを通過してカソード２ｃまで移動して、カソード２ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。生成された水の一部は、固体高分子電解質膜２ａを透過してアノード２ｂ側にも移動する。
【００１４】
高圧水素タンク３に収容された水素ガスは、水素ガス供給流路２１を流通し、燃料電池２内のアノード側ガス流路２ｄを通って各セルのアノード２ｂに供給される。水素ガス供給流路２１には、高圧水素タンク３に近い側から順に、アノードガス遮断弁Ｖ１、エゼクタ４が設けられている。アノードガス遮断弁Ｖ１は、燃料電池２に対する供給のＯＮ／ＯＦＦを行うためのものである。エゼクタ４は燃料電池２のアノード側ガス流路２ｄから排出されるアノードオフガスを水素ガス供給流路２１に戻すためのものである。
【００１５】
燃料電池２のアノード２ｂに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素ガスは、燃料電池２からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路２２を通ってエゼクタ４に吸引され、高圧水素タンク３から供給される水素ガスと合流して再び燃料電池２のアノード２ｂに供給される。すなわち、燃料電池２から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路２２、およびエゼクタ４よりも下流の水素ガス供給流路２１を通って、燃料電池２を循環する。なお、この実施の形態においては、エゼクタ４よりも下流の水素ガス供給流路２１とアノードオフガス流路２２によって、水素オフガス循環流路２０が構成される。
【００１６】
アノードオフガス流路２２には、アノードオフガス中の液滴を分離し集水するためのキャッチタンク（気液分離タンク）７が設置されており、このキャッチタンク７に排水通路２４が接続され、排水通路２４に排水弁Ｖ５が設けられている。
アノードオフガス流路２２には、キャッチタンク７の下流側から分岐された排出流路２３が接続され、該排出流路２３には、排出弁Ｖ３が設けられている。この排出弁Ｖ３は通常は閉じており、燃料電池２のアノード２ｂに液滴等が溜まって発電状態に影響を及ぼす時などに開いて、液滴等を排出するためのものである。
【００１７】
また、水素ガス供給流路２１には、エゼクタ４の下流側であって燃料電池２のアノード２ｂ近傍の部位にバイパス路２５が接続されている。バイパス路２５はキャッチタンク７に接続されており、該バイパス路２５には開閉弁Ｖ２が設けられている。この開閉弁Ｖ２を開弁することで、水素ガス供給流路２１を流通するガス中に含まれる液滴をキャッチタンク７に導入する。
【００１８】
一方、空気はエアコンプレッサ５により所定圧力に加圧され、空気流路３１を通り、燃料電池２内のカソード側ガス流路２ｅを通って各セルのカソード２ｃに供給される。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス流路３２に排出され、圧力制御弁Ｖ４を介して排出される。
また、燃料電池システム１は制御装置（ＥＣＵ）１０を備え、アノードガス遮断弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２、排出弁Ｖ３、圧力制御弁Ｖ４を制御する。
【００１９】
以上のように構成された燃料電池システム１の作用について説明する。ＥＣＵ１０に発電開始指令が入力されると、ＥＣＵ１０はアノードガス遮断弁Ｖ１を開弁するとともに、エアコンプレッサ５を作動させる。これにより、水素タンク３から水素ガス供給流路２１を介して燃料電池２のアノード２ｂに水素ガスが供給されるとともに、エアコンプレッサ５から空気流路３１を介して燃料電池２のカソード２ｃに空気が供給されて、燃料電池２での発電に供される。発電に供された空気オフガスは、カソードオフガス流路３２を介して外部に排出される。
【００２０】
発電に供された水素オフガスは、アノードオフガス流路２２に導入され、アノードオフガス流路２２に設けられたキャッチタンク７により、水素オフガス中に含まれている液滴を分離し集水する。そして、水素オフガスは、水素オフガス循環流路２０を通り、エゼクタ４を介して、水素ガス供給流路２１に再度供給される。このように、水素オフガスを水素ガス供給流路２１に再度供給することで、水素オフガスを発電に利用することができ、燃費を向上することができる。
【００２１】
ここで、水素オフガスの温度は発電による発熱により高温になっており、水素オフガスの湿度は発電により生じた水により高くなっている。このような水素オフガスが水素ガスと混合されると、水素オフガスの温度が低下して、水素オフガス中の水蒸気が凝縮し、液滴を発生することになる。
【００２２】
本実施の形態では、水素オフガスが水素ガス供給流路２１に供給されたときに、水素オフガスの温度が低下して液滴が発生しても、開閉弁Ｖ２を開弁することで、前記バイパス路２５を介してキャッチタンク７に導入することができる。これにより、燃料電池２に過剰に液滴が流入することを防止できる。
【００２３】
また、燃料電池２の発電量の増大に基づいて開閉弁Ｖ２の開放時間を長く設定する処理をＥＣＵ１０により実行する。このように処理を行うことにより、燃料電池２の発電量の増大により多量の水が生成されることで、水素オフガスの湿度が高くなり、水素ガス供給流路２１に供給されたときに多量の液滴が発生したときであっても、前記水素ガス供給流路２１から燃料電池２に液滴が流入することを抑制することができる。従って、発電量が変動する場合であっても、燃料電池２に供給される水素ガス流路における液滴を除去することができ、発電性能の向上を図ることができる。ここで、開閉弁Ｖ２の開弁時間は発電量に比例させて増加させてもよいし、段階的に増加させてもよい。
なお、水素オフガス中の水素濃度が低下したり、キャッチタンク７中の水量が増加してきたときには、排出弁Ｖ３、排水弁Ｖ５をそれぞれ開弁する。
【００２４】
以上説明したように、本実施の形態における燃料電池システムによれば、燃料電池２に供給される水素ガス流路における液滴を除去することができ、発電性能の向上を図ることができる。
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では水素ガスを循環させるシステムについて説明したが、循環させないシステムにも適用することができる。水素ガス供給流路２１から供給されるガスの湿度が高く、前記ガス中に液滴が生じている場合には、この液滴を含むガスを前記バイパス路２５を介してキャッチタンク７に導入することで、前記燃料電池２に過剰に液滴が流入することを防止できる。さらに、開閉弁Ｖ２により前記バイパス路２５に流入するガス流量を制限することで、水素ガス供給流路２１から液滴とともに多量のガスがバイパス路２５に導入されることを防止できる。
【００２５】
また、上述の実施の形態では、流量制限手段として開閉弁を用いたが、オリフィスや三方弁を用いてもよい。また、流量制限手段を設ける位置は、バイパス路に限らず、水素ガス供給流路に設けてもよい。
また、実施の形態では、アノードオフガスを循環させるためにエゼクタを用いたが、アノードオフガス流路に循環ポンプを設け、アノードから排出される未利用の水素ガスを吸引し供給水素ガスと同等の圧力にすることで循環させることも可能である。
また、実施の形態における燃料電池システムは、車両の駆動源として燃料電池を搭載する燃料電池車両に特に好適に用いることができるが、車両に限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…燃料電池システム
４…エゼクタ（燃料ガス循環手段）
７…気液分離器（キャッチタンク）
１０…ＥＣＵ（開弁時間設定手段）
２０…水素オフガス循環流路（燃料ガス循環手段）
２１…水素ガス供給流路（燃料ガス供給流路）
２５…バイパス路
Ｖ２…開閉弁（流量制限手段）
【図１】
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