(57)【要約】【課題】簡単且つコンパクトな構成で、効率的な発電を遂行することを可能にする。【解決手段】燃料ガス供給流路２８には、燃料ガス循環流路３０から排ガスを吸引して燃料電池スタック１２に戻すためのエゼクタ３６が配設されるとともに、前記エゼクタ３６の下流と燃料電池スタック１２との間には、排ガスに含まれて前記エゼクタ３６を通過した水分を水蒸気化させる熱交換器３８が配設される。熱交換器３８では、燃料ガス循環流路３０から供給される排ガスを被加熱媒体（熱源）とする一方、酸化剤ガス供給流路３１から供給される圧縮された空気を加熱媒体とし、この圧縮された空気により前記排ガスが加熱される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタにより該燃料ガス供給流路の途上に戻して該燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムであって、
前記エゼクタの下流と前記燃料電池との間には、前記排ガスに含まれて該エゼクタを通過した水分を水蒸気化させる水蒸気化機構が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路を備え、
前記酸化剤ガス供給流路は、前記水蒸気化機構を構成する熱交換器を通って前記燃料電池の酸化剤ガス入口に接続されるとともに、
前記酸化剤ガス供給流路には、圧縮された前記酸化剤ガスを熱源として前記熱交換器に送るコンプレッサが設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環流路を備え、
前記冷却媒体循環流路は、前記燃料電池の冷却媒体出口から排出される冷却媒体を、前記水蒸気化機構を構成する熱交換器に熱源として供給可能であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス循環流路は、該燃料ガス循環流路から排ガスを廃棄するためのパージ流路を備え、
前記パージ流路は、該燃料ガス循環流路から廃棄される前記排ガスを、前記水蒸気化機構を構成する熱交換器に熱源として供給可能であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層する固体高分子型燃料電池であ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、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタにより該燃料ガス供給流路の途上に戻して該燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路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（陽イオン交換膜）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配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ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】
燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動し、その移動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。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
この種の燃料電池では、燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、新たに供給される燃料ガスに混合して前記燃料電池に供給する燃料ガス循環型燃料電池システムが採用されている。燃料ガスの消費量が節約されるとともに、水素利用率の向上が図られるからである。
【０００５】
ところで、燃料ガス循環型燃料電池システムでは、燃料電池内で生成された生成水が、凝縮水やミスト等の液体の状態で燃料ガス循環系内を循環している。このため、液状の生成水が燃料電池のアノード側電極に付着してしまい、燃料ガスが前記アノード側電極に供給されないおそれがある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１には、燃料オフガス中に含まれる水分が、新たに供給された燃料ガスとの混合状態でガス管路中に凝縮することを防止することが可能な燃料電池発電装置が開示されている。具体的には、図６に示すように、リン酸型燃料電池１は、燃料極１ａと空気極１ｂとの間に冷却板１ｃが介装されており、この燃料電池１には燃料ガス供給系２、反応空気供給系３及び冷却水循環系４が接続されている。
【０００７】
燃料ガス供給系２は、燃料ガス供給回路２ａ、燃料オフガスリサイクル回路２ｂ及び混合ガス回路２ｃを有するとともに、これらの合流する地点にエゼクタポンプ５が接続されている。冷却水循環系４は、水蒸気分離器４ａ及び冷却水循環ポンプ６を備えている。
【０００８】
混合ガス回路２ｃには、熱交換器として機能するガス加熱器７が配設されている。このガス加熱器７は、混合ガス回路２ｃの管路に巻き付けて配管した加熱コイル７ａを備え、この加熱コイル７ａには、燃料電池１の冷却水循環系４に備えた水蒸気分離器４ａから抽出された蒸気が熱媒として流されている。
【０００９】
このような構成において、燃料電池１の運転時には、水蒸気分離器４ａには水と水蒸気が貯留されており、この水蒸気分離器４ａからガス加熱器７の加熱コイル７ａに供給される水蒸気と、混合ガス回路２ｃを通流する燃料混合ガスとの熱交換によって、前記燃料混合ガスが加熱昇温される。このため、燃料混合ガスの相対湿度が低下し、前記燃料混合ガス中に含まれる水分の凝縮が起き難くなった状態で燃料電池１の運転が遂行され、ガス配管中に凝縮水が溜まることがない、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−３２１３１６号公報（段落［０００３］、［００２０］〜［００２１］、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上記の特許文献１では、運転温度が約１８０℃に維持されるため、燃料電池１に供給される燃料オフガス中にミストが含まれていても、このミストは高温の前記燃料電池１によって蒸発し易い。しかも、特許文献１は、リン酸型燃料電池１に関するものであり、電解質を加湿する必要がない。
【００１２】
一方、固体高分子型燃料電池では、水分をキャリアとして水素イオンをアノード側電極からカソード側電極に透過させるため、固体高分子電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。しかしながら、特許文献１は、燃料オフガス中に含まれる水分を除去するだけでよく、前記特許文献１の技術を固体高分子型燃料電池に、直接、採用することができないという問題がある。
【００１３】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、効率的な発電を遂行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】
【００１４】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムでは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタにより該燃料ガス供給流路の途上に戻して該燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備えている。そして、エゼクタの下流と燃料電池との間には、排ガスに含まれて該エゼクタを通過した水分を水蒸気化させる水蒸気化機構が配設されている。
【００１５】
エゼクタは、燃料ガス供給流路を流れる新たな燃料ガスと、燃料電池から排出される排ガスとを混合するとともに、前記排ガスに含まれる生成水をミスト状にする。さらに、ミスト状の生成水は、エゼクタの下流に配設されている水蒸気化機構を介して水蒸気化される。
【００１６】
このため、ミスト状の生成水が燃料電池内に供給されてアノード側電極に付着することがなく、水蒸気化された生成水が前記アノード側電極を良好に透過する。従って、燃料ガスをアノード側電極に確実に供給することができ、所望の発電性能を維持することが可能になる。しかも、水蒸気化された生成水を加湿水として使用することができ、専用の加湿器が不要になるとともに、生成水の有効利用が図られる。
【００１７】
又、本発明の請求項２に係る燃料電池システムでは、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路を備え、前記酸化剤ガス供給流路は、水蒸気化機構を構成する熱交換器を通って前記燃料電池の酸化剤ガス入口に接続されるとともに、前記酸化剤ガス供給流路には、圧縮された前記酸化剤ガスを熱源として前記熱交換器に送るコンプレッサが設けられている。
【００１８】
コンプレッサは、酸化剤ガス、例えば、空気を圧縮して燃料電池に供給するため、圧縮された空気は、例えば、固体高分子型燃料電池の運転温度よりも高温になっている。そこで、高温の空気（圧縮空気）を熱源として熱交換器に供給することにより、生成水の水蒸気化と酸化剤ガスである高温の空気の冷却とが行われる。このため、熱交換器と加湿器とが統合されて燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。しかも、コンプレッサの圧縮作用下に、空気を迅速に加熱することができ、熱交換器のレスポンスが有効に向上し、燃料電池システムの運転直後に生成水を確実に水蒸気化させることが可能になる。
【００１９】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池システムでは、燃料電池に冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環流路を備え、前記冷却媒体循環流路は、前記燃料電池の冷却媒体出口から排出される冷却媒体を、水蒸気化機構を構成する熱交換器に熱源として供給可能である。これにより、燃料電池から排出される高温の冷却媒体を熱源として熱交換器に供給することにより、生成水の水蒸気化と前記高温の冷却媒体の冷却とが行われる。従って、熱交換器と加湿器とが統合されて燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。
【００２０】
さらに又、本発明の請求項４に係る燃料電池システムでは、燃料ガス循環流路は、該燃料ガス循環流路から排ガスを廃棄するためのパージ流路を備え、前記パージ流路は、前記燃料ガス循環流路から廃棄される前記排ガスを、水蒸気化機構を構成する熱交換器に熱源として供給可能である。このため、通常、車両外部に廃棄している排ガスを燃焼させて生成水を水蒸気化させる熱源とすることができ、前記排ガスの有効利用が図られる。
【００２１】
又、本発明の請求項５に係る燃料電池システムでは、燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層する固体高分子型燃料電池である。従って、水蒸気化された生成水により電解質膜・電極構造体を良好に加湿することが可能になり、専用の加湿器を不要にすることができる。これにより、燃料電池システム全体を経済的且つコンパクトに構成することが可能になる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る燃料電池システムでは、エゼクタが燃料ガス供給流路を流れる新たな燃料ガスと、燃料電池から排出される排ガスとを混合するとともに、前記排ガスに含まれる生成水をミスト状にする。さらに、ミスト状の生成水は、エゼクタの下流に配設されている水蒸気化機構を介して水蒸気化される。
【００２３】
このため、ミスト状の生成水が燃料電池内に供給されてアノード側電極に付着することがなく、水蒸気化された生成水が前記アノード側電極を良好に透過する。従って、燃料ガスをアノード側電極に確実に供給することができ、所望の発電性能を維持することが可能になる。しかも、水蒸気化された生成水を加湿水として使用することができ、専用の加湿器が不要になるとともに、生成水の有効利用が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する熱交換器の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】前記燃料電池システムを構成する熱交換器の説明図である。
【図６】特許文献１に係る燃料電池発電装置の概略構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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の概略構成図である。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１２を備える。この燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１４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１６ａ、１６ｂが配置されており、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂが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。
【００２６】
発電セル１４は、例えば、固体高分子電解質膜１８ａの両側にアノード側電極１８ｂとカソード側電極１８ｃとを配置した電解質膜・電極構造体１８と、前記電解質膜・電極構造体１８を挟持する一対のセパレータ２０、２２とを備える。アノード側電極１８ｂ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１８ｃ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。
【００２７】
エンドプレート１６ａには、発電セル１４に水素ガスを供給するための水素ガス入口２４ａと、前記発電セル１４に空気を供給するための空気入口（酸化剤ガス入口）２６ａとが設けられる。エンドプレート１６ｂには、発電セル１４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１２から排出するための水素ガス出口２４ｂと、前記発電セル１４から排出される未使用の酸素を含む空気を燃料電池スタック１２から排出するための空気出口２６ｂとが設けられる。
【００２８】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する燃料ガス供給流路２８と、前記燃料電池スタック１２から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路２８の途上に戻して該燃料電池スタック１２に供給するための燃料ガス循環流路３０と、前記燃料電池スタック１２に空気を供給する酸化剤ガス供給流路３１とを備える。
【００２９】
燃料ガス供給流路２８には、高圧水素を貯留する水素タンク３２と、前記水素タンク３２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３４と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料ガス循環流路３０から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１２に戻すためのエゼクタ３６とが配設される。
【００３０】
エゼクタ３６の下流と燃料電池スタック１２との間には、排ガスに含まれて前記エゼクタ３６を通過した水分を水蒸気化させる水蒸気化機構、例えば、熱交換器３８が配設される。熱交換器３８では、燃料ガス循環流路３０から供給される排ガスを含む混合水素ガスを被加熱媒体とする一方、酸化剤ガス供給流路３１から供給される圧縮された空気を加熱媒体（熱源）とし、この圧縮された空気により前記排ガスが加熱される。
【００３１】
酸化剤ガス供給流路３１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（コンプレッサ）４０が配設されるとともに、前記酸化剤ガス供給流路３１は、熱交換器３８を介して燃料電池スタック１２の空気入口２６ａに連通する。燃料電池スタック１２の空気出口２６ｂには、未使用の空気を含む排ガスを外部に廃棄するための空気排出流路４２が接続される。
【００３２】
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。
【００３３】
図１に示すように、水素タンク３２から燃料ガス供給流路２８に供給される水素ガスは、レギュレータ３４を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ３６を通って熱交換器３８に供給される。熱交換器３８では、後述するように、混合水素ガスが加熱され、この加熱された混合水素ガスは、水素ガス入口２４ａから各発電セル１４に供給される。このため、混合水素ガスは、各発電セル１４を構成するアノード側電極１８ｂに沿って移動した後、未使用の水素ガスを含む排ガスが、水素ガス出口２４ｂから燃料ガス循環流路３０に排出される。
【００３４】
一方、酸化剤ガス供給流路３１では、スーパーチャージャ４０を介して空気が圧縮され、この圧縮された空気が熱交換器３８を通って各発電セル１４のカソード側電極２８ｃに供給される。そして、未使用の空気を含む排ガスは、空気出口２６ｂから空気排出流路４２に排出される。これにより、各発電セル１４では、アノード側電極１８ｂに供給される水素と、カソード側電極１８ｃ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。
【００３５】
燃料ガス循環流路３０に排出された排ガスは、エゼクタ３６の吸引作用下に、燃料ガス供給流路２８の途上に戻される。この場合、図２に示すように、排ガス中に含有する液状の生成水４４は、エゼクタ３６の吸引によってミスト状の生成水４４ａになる。さらに、ミスト状の生成水４４ａは、熱交換器３８を通過するとともに、スーパーチャージャ４０の作用下に、圧縮された空気が前記熱交換器３８に供給される。
【００３６】
この空気は、圧縮されることによって相当に高温（例えば、２００℃）に昇温されており、熱源として熱交換器３８に供給される。このため、熱交換器３８に供給された水素ガス及び排ガスを含む混合水素ガスは、被加熱媒体として熱源である高温の空気によって加熱される。従って、ミスト状の生成水４４ａは、高温の空気と熱交換することによって水蒸気状の生成水４４ｂになり、この水蒸気状の生成水４４ｂが各発電セル１４のアノード側電極１８ｂに供給される。
【００３７】
これにより、第１の実施形態では、ミスト状の生成水４４ａが各発電セル１４内に供給されてアノード側電極１８ｂに付着することがなく、水蒸気状の生成水４４ｂが前記アノード側電極１８ｂを良好に透過する。従って、水素ガスをアノード側電極１８ｂに確実に供給することができ、各発電セル１４は、所望の発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。
【００３８】
さらに、スーパーチャージャ４０により圧縮された空気は、固体高分子型燃料電池である発電セル１４の運転温度よりも高温になっている。そこで、高温の空気を熱源として熱交換器３８に供給することにより、ミスト状の生成水４４ａの水蒸気化と、酸化剤ガスである前記高温の空気の冷却とが有効に行われる。
【００３９】
このため、専用の加湿器が不要になって熱交換器３８と加湿器とが統合され、燃料電池システム１０全体を経済的且つ小型に構成することができる。しかも、水蒸気状の生成水４４ｂを加湿水として使用することができ、専用の加湿器が不要になるとともに、生成水４４の有効利用が図られるという利点がある。
【００４０】
その上、スーパーチャージャ４０の圧縮作用下に、空気が迅速に加熱されるため、熱交換器３８のレスポンスが有効に向上し、燃料電池システム１０の運転直後に生成水を確実に水蒸気化させることが可能になる。
【００４１】
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６０の概略構成図である。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。又、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。
【００４２】
燃料電池システム６０には、エンドプレート１６ｂに発電セル１４の冷却を行うための冷却媒体を供給する冷却媒体入口６２ａが設けられるとともに、エンドプレート１６ａには、前記発電セル１４の冷却を行って高温となっている冷却媒体を排出する冷却媒体出口６２ｂが設けられる。
【００４３】
燃料電池システム６０は、冷却媒体入口６２ａと冷却媒体出口６２ｂとを連通し、各発電セル１４に沿って冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環流路６４を備える。冷却媒体循環流路６４には、冷却媒体を矢印方向に循環させるポンプ６６が配設されるとともに、冷却媒体出口６２ｂから排出される比較的高温の冷却媒体が、熱源として熱交換器３８に供給される。
【００４４】
このように構成される第２の実施形態では、ポンプ６６の作用下に、冷却媒体循環流路６４に沿って冷却媒体が循環され、この冷却媒体はエンドプレート１６ｂの冷却媒体入口６２ａから各発電セル１４に供給されて前記発電セル１４を冷却する。発電セル１４を冷却することによって比較的高温となった冷却媒体は、エンドプレート１６ｂの冷却媒体出口６２ｂから熱交換器３８に供給される。
【００４５】
これにより、燃料電池スタック１２から排出される高温の冷却媒体を、熱源として熱交換器３８に供給することができ、この熱交換器３８に被加熱媒体として供給される排ガス中の生成水は、前記高温の冷却媒体と熱交換を行ってミスト状から水蒸気状に確実に変換された後、燃料電池スタック１２に供給される。
【００４６】
従って、第２の実施形態では、生成水の水蒸気化と冷却媒体の冷却とが単一の熱交換器３８で行われるため、熱交換機能と加湿機能とが統合されて燃料電池システム６０全体の小型化が容易に図られる。
【００４７】
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７０の概略構成図である。
【００４８】
燃料電池システム７０には、燃料ガス循環流路３０の途上に三方弁７２が設けられ、この三方弁７２に前記燃料ガス循環流路３０から排ガスを廃棄するためのパージ流路７４が接続される。パージ流路７４は、排ガスを熱源として熱交換器７６に供給する一方、前記熱交換器７６には、新たな燃料ガスである水素ガスと排ガスとの混合水素ガスが被加熱媒体として供給される。
【００４９】
図５に示すように、熱交換器７６は、供給口７８と排出口８０とを設けるとともに、内部にハニカム構造の複数の触媒８２が収容されており、この触媒８２に沿って蛇行する通路８４が形成される。
【００５０】
このように構成される第３の実施形態では、燃料ガス循環流路３０を循環する排ガスを外部に廃棄（パージ）する際に、三方弁７２が駆動されてこの燃料ガス循環流路３０がパージ流路７４に連通する。このため、排ガスはパージ流路７４を通って熱交換器７６の触媒８２に供給され、触媒燃焼が惹起される。
【００５１】
熱交換器７６には、供給口７８から水素ガス及び排ガスの混合水素ガスが導入され、前記混合水素ガスが通路８４に沿って蛇行しながら排出口８０から燃料電池スタック１２に供給される。その際、熱交換器７６では、触媒８２を介してパージ用の排ガスが触媒燃焼されており、この触媒燃焼によって通路８４を通る混合水素ガスが加熱される。これにより、混合水素ガス中のミスト成分は、確実に水蒸気化されて燃料電池スタック１２に供給される。
【００５２】
従って、第３の実施形態では、通常、燃料電池システム７０の外部に廃棄される排ガスを燃焼させて生成水の水蒸気化を行うための熱源とすることができ、前記排ガスの有効利用が図られるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００５３】
１０、６０、７０…燃料電池システム  １２…燃料電池スタック
１４…発電セル                      １６ａ、１６ｂ…エンドプレート
１８ａ…固体高分子電解質膜          １８ｂ…アノード側電極
１８ｃ…カソード側電極              ２０、２２…セパレータ
２４ａ…水素ガス入口                ２４ｂ…水素ガス出口
２６ａ…空気入口                    ２６ｂ…空気出口
２８…燃料ガス供給流路              ３０…燃料ガス循環流路
３１…酸化剤ガス供給流路            ３２…水素タンク
３６…エゼクタ                      ３８、７６…熱交換器
４０…スーパーチャージャ            ４２…空気排出流路
６２ａ…冷却媒体入口                ６２ｂ…冷却媒体出口
６４…冷却媒体循環流路              ７２…三方弁
７４…パージ流路                    ８２…触媒
８４…通路
【図１】
2011155011.tif 000003
【図２】
2011155011.tif 000004
【図３】
2011155011.tif 000005
【図４】
2011155011.tif 000006
【図５】
2011155011.tif 000007
【図６】
2011155011.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月10日(2011.6.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記固体高分子型燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路の途上に戻して該固体高分子型燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムであって、
燃料ガス供給流路と前記燃料ガス循環流路とに連通し、前記燃料ガス循環流路から吸引される前記排ガスに含まれる液状生成水をミスト状生成水にして前記燃料ガス供給流路に戻すエゼクタと、
前記エゼクタの下流と前記固体高分子型燃料電池との間に配設され、前記ミスト状生成水を水蒸気化させる熱交換器と、
前記固体高分子型燃料電池に冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環流路と、
を備え、
前記冷却媒体循環流路は、前記固体高分子型燃料電池の冷却媒体出口から排出される前記冷却媒体を、前記熱交換器に昇温用熱源として循環供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記固体高分子型燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路の途上に戻して該固体高分子型燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムであって、
燃料ガス供給流路と前記燃料ガス循環流路とに連通し、前記燃料ガス循環流路から吸引される前記排ガスに含まれる液状生成水をミスト状生成水にして前記燃料ガス供給流路に戻すエゼクタと、
前記エゼクタの下流と前記固体高分子型燃料電池との間に配設され、前記ミスト状生成水を水蒸気化させる熱交換器と、
を備え、
前記燃料ガス循環流路は、該燃料ガス循環流路から廃棄される前記排ガスを、前記熱交換器に昇温用熱源として供給するパージ流路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記熱交換器から前記個体高分子型燃料電池に前記冷却媒体が供給される前記冷却媒体循環流路の途上には、該冷却媒体を循環させるポンプが配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス循環流路の途上には三方弁が設けられ、該三方弁に前記パージ流路が接続されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２又は４記載の燃料電池システムにおいて、
前記熱交換器の内部には、ハニカム構造の複数の触媒が収容され、前記触媒に沿って蛇行する通路が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記固体高分子型燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路の途上に戻して該固体高分子型燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムであって、燃料ガス供給流路と前記燃料ガス循環流路とに連通し、前記燃料ガス循環流路から吸引される前記排ガスに含まれる液状生成水をミスト状生成水にして前記燃料ガス供給流路に戻すエゼクタと、前記エゼクタの下流と前記固体高分子型燃料電池との間に配設され、前記ミスト状生成水を水蒸気化させる熱交換器と、前記固体高分子型燃料電池に冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環流路と、を備え、前記冷却媒体循環流路は、前記固体高分子型燃料電池の冷却媒体出口から排出される前記冷却媒体を、前記熱交換器に昇温用熱源として循環供給することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
又、燃料電池から排出される高温の冷却媒体を熱源として熱交換器に供給することにより、生成水の水蒸気化と前記高温の冷却媒体の冷却とが行われる。従って、熱交換器と加湿器とが統合されて燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
又、本発明の請求項２に係る燃料電池システムでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記固体高分子型燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路の途上に戻して該固体高分子型燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムであって、燃料ガス供給流路と前記燃料ガス循環流路とに連通し、前記燃料ガス循環流路から吸引される前記排ガスに含まれる液状生成水をミスト状生成水にして前記燃料ガス供給流路に戻すエゼクタと、前記エゼクタの下流と前記固体高分子型燃料電池との間に配設され、前記ミスト状生成水を水蒸気化させる熱交換器と、を備え、前記燃料ガス循環流路は、該燃料ガス循環流路から廃棄される前記排ガスを、前記熱交換器に昇温用熱源として供給するパージ流路を備えることを特徴とする。このため、通常、車両外部に廃棄している排ガスを燃焼させて生成水を水蒸気化させる熱源とすることができ、前記排ガスの有効利用が図られる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池システムでは、前記熱交換器から前記個体高分子型燃料電池に前記冷却媒体が供給される前記冷却媒体循環流路の途上には、該冷却媒体を循環させるポンプが配設されることを特徴とする。又さらに、本発明の請求項４に係る燃料電池システムでは、前記燃料ガス循環流路の途上には三方弁が設けられ、該三方弁に前記パージ流路が接続されることを特徴とする。さらに又、本発明の請求項５に係る燃料電池システムでは、前記熱交換器の内部には、ハンカム構造の複数の触媒が収容され、前記触媒に沿って蛇行する通路が形成されることを特徴とする。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
一方、酸化剤ガス供給流路３１では、スーパーチャージャ４０を介して空気が圧縮され、この圧縮された空気が熱交換器３８を通って各発電セル１４のカソード側電極１８ｃに供給される。そして、未使用の空気を含む排ガスは、空気出口２６ｂから空気排出流路４２に排出される。これにより、各発電セル１４では、アノード側電極１８ｂに供給される水素と、カソード側電極１８ｃ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。