(57)【要約】      （修正有）【課題】水素ガスを高圧タンクに充填するとき、高圧タンク内の水素ガスの温度上昇を抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムであって、燃料電池１０と、燃料電池に供給される水素ガスを高圧で貯留する水素ガス貯留容器２０と、水素ガス貯留容器２０に水素ガスが高圧で充填される際に、水素ガス貯留容器２０の表面の少なくとも一部に、水が付着している状態にする水付与部４０と、を備える燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給される水素ガスを高圧で貯留する水素ガス貯留容器と、
前記水素ガス貯留容器に前記水素ガスが高圧で充填される際に、前記水素ガス貯留容器の表面の少なくとも一部に、水が付着している状態にする水付与部と、
を備え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、
前記水付与部は、前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水蒸気を、前記水素ガス貯留容器の表面に凝縮させることにより水を付着させる、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、
前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器を備え、
前記水付与部は、前記凝縮器において凝縮された凝縮水を、前記水素ガス貯留容器の表面の少なくとも一部に付着させる、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記水付与部は、第１の水付与部であって、
前記水素ガス貯留容器の表面から剥離した水を回収して、前記水素ガス貯留容器の表面の少なくとも一部に水を付着させる、第２の水付与部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１、３、４のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記水付与部は、前記水素ガス貯留容器の表面に水を噴霧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、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、燃料電池における発電に用いられる燃料ガスとしての水素ガスは、高圧で圧縮されて高圧タンクに充填されて搭載される構成が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１８８６６６号公報
【特許文献２】特開２００２−３１３３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように水素ガスを高圧タンクに充填するとき、高圧タンク内の水素ガスの温度が上昇するという課題があった。高圧タンク内の水素ガスの温度が上昇すると、以下のような問題が生じる場合がある。例えば、高圧タンクとして樹脂製のタンクが用いられる場合には、樹脂材料の劣化を抑制するために、水素ガスの温度を所定の温度（例えば、８５℃）以下に抑える必要があった。したがって、高圧タンクに水素ガスを高圧で充填し、それに伴い高圧タンク内の水素ガス温度が上昇して所定の温度になると、水素ガスの充填を停止する。そうすると、高圧タンク内に所望量のガスを充填できない場合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］  燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給される水素ガスを高圧で貯留する水素ガス貯留容器と、
前記水素ガス貯留容器に前記水素ガスが高圧で充填される際に、前記水素ガス貯留容器の表面の少なくとも一部に、水が付着している状態にする水付与部と、
を備える燃料電池システム。
【０００７】
この燃料電池システムでは、水素ガス貯留容器に水素ガスが高圧で充填される際に、水素ガス貯留容器の表面の少なくとも一部に、水が付着している。水の熱伝達率は空気の熱伝達率よりも高いため、水素ガス貯留容器内の水素ガスの熱が放熱されやすくなり、水素ガス貯留容器内の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。
【０００８】
［適用例２］  適用例１記載の燃料電池システムにおいて、前記水付与部は、前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水蒸気を、前記水素ガス貯留容器の表面に凝縮させることにより水を付着させる、燃料電池システム。このように排ガスを利用する構成にすると、簡易な構成にすることができる。
【０００９】
［適用例３］  適用例１または２記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器を備え、前記水付与部は、前記凝縮器において凝縮された凝縮水を、前記水素ガス貯留容器の表面の少なくとも一部に付着させる、燃料電池システム。このようにしても、排ガスを利用して、水素ガス貯留容器内の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。
【００１０】
［適用例４］  適用例１ないし３のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、前記水付与部は、第１の水付与部であって、前記水素ガス貯留容器の表面から剥離した水を回収して、前記水素ガス貯留容器の表面の少なくとも一部に水を付着させる、第２の水付与部と、を備える燃料電池システム。このようにすると、水素ガス貯留容器の表面から剥離された水を再利用することができる。
【００１１】
［適用例５］  適用例１、３、４のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、前記水付与部は、前記水素ガス貯留容器の表面に水を噴霧する燃料電池システム。このようにすると、水の粒径が小さくなるため、水素ガス貯留容器の表面に水が付着しやすくなる。
【００１２】
なお、本発明は種々の形態で実現することが可能であり、例えば、水素ガス貯留容器内の水素ガスの温度を制御する方法、燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１００Ａの構成を概略的に示す説明図である。
【図２】水素タンク２０の構成を概略的に示す説明図である。
【図３】第２の実施例の燃料電池システム１００Ｂの構成を概略的に示す説明図である。
【図４】凝縮水が噴霧される様子を模式的に示す模式図である。
【図５】第３の実施例の燃料電池システム１００Ｃの構成を概略的に示す説明図である。
【図６】第４の実施例の燃料電池システム１００Ｄの構成を概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１００Ａの構成を概略的に示す説明図である。図１に示すように、燃料電池システム１００Ａは、燃料電池スタック１０と、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック１０に供給して、燃料電池スタック１０から排出された排ガス（以下、アノード排ガスともいう）を再び燃料電池スタック１０に供給する水素供給系と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１０に供給して、燃料電池スタック１０から排出された排気ガス（以下、カソード排ガスともいう）を外部へ排出する空気給排系と、を備える。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。
【００１６】
水素供給系は、水素充填路２２と、水素タンク２０と、水素供給路３０と、アノード排ガス路３４と、水素ポンプ３６と、を中心として構成されている。
【００１７】
図２は、水素タンク２０の構成を概略的に示す説明図である。水素タンク２０は、高圧水素を貯留する貯留容器である。水素タンク２０は、樹脂製のライナーとカーボン製の外殻とを備える。水素タンク２０には、水素ガスの充填、放出を行うための口金が設けられており、口金は、樹脂製のシール部材を介してバルブ２６により閉塞されている。これにより、水素タンク２０は、密閉されている。本実施例において、水素タンク２０は、水素タンクカバー２８に内包されている。水素充填路２２には、レセプタクル２４が設けられている。例えば、水素ステーション（水素供給所）で、レセプタクル２４、水素充填路２２を介して、水素タンク２０内に高圧水素が充填される。
【００１８】
水素供給路３０には、レギュレータ３２が設けられている。水素タンク２０に貯蔵された水素ガスは、水素タンク２０のバルブ２６が開弁されると、レギュレータ３２によって所定の圧力に調整（減圧）され、水素タンク２０に接続する水素供給路３０を介して、燃料電池スタック１０を構成する各単セルのアノードに燃料ガスとして供給される。なお、図示しないが、アノード排ガス中の窒素等を排出するための排出部や、アノード排ガス中の水を除去するための気液分離器が設けられている。
【００１９】
アノード排ガス路３４には、水素ポンプ３６が設けられており、燃料電池スタック１０のアノードから排出されるアノード排ガスを、水素供給路３０に再び流入させる。したがって、アノード排ガス中の残余の水素は、再度電気化学反応に供される。
【００２０】
一方、発電のための電気化学反応に用いられる酸素を燃料電池スタック１０に供給する空気給排系は、エアコンプレッサ５２と、空気供給路５０と、カソード排ガス供給路６０と、水素タンク用カソード排ガス流路４０と、カソード排ガス排出路４２と、を中心として構成されている。
【００２１】
エアコンプレッサ５２は、外部から取り込んだ空気を加圧して、この加圧空気を、空気供給路５０を介して酸化剤ガスとして燃料電池スタック１０のカソードに供給する。
【００２２】
カソード排ガス供給路６０は、燃料電池スタック１０から排出されたカソード排ガスを、水素タンク用カソード排ガス流路４０へ供給する。本実施例において、水素タンクカバー２８と水素タンク２０との間の空間が、水素タンク用カソード排ガス流路４０として機能する（図１，２）。
【００２３】
燃料電池スタック１０の発電中、水素タンク２０内の水素ガスが燃料電池スタック１０に供給されるため、水素タンク２０内の水素ガス温度が低下する。カソード排ガスは、燃料電池スタック１０の温度とほぼ同程度の温度（例えば、７０℃）であるため、カソード排ガス中に含まれる水蒸気は、温度の低い水素タンク２０に接すると、水素タンク２０の表面に結露する。したがって、水素タンク２０の表面に凝縮水Ｗが付着される（図１，２）。
【００２４】
カソード排ガス排出路４２は、水素タンク用カソード排ガス流路４０と接続され、水素タンク用カソード排ガス流路４０内を流通したカソード排ガスを大気中に放出する。すなわち、本実施例の燃料電池システム１００Ａにおいて、カソード排ガスは、カソード排ガス供給路６０、水素タンク用カソード排ガス流路４０、カソード排ガス排出路４２を、順に流通して、大気中に放出される。
【００２５】
Ａ２．実施例の効果：
上記構成を有する本実施例の燃料電池システム１００Ａによれば、燃料電池スタック１０の運転中に水素タンク２０の表面に凝縮水Ｗが付着するため、水素タンク２０の温度上昇を抑制することができる。これは、水素タンク２０の表面に付着した凝縮水Ｗの熱伝達率が空気の熱伝達率よりも高いため、水素タンク２０内の水素ガスの熱を効率的に外部に放出することができるからである。
【００２６】
この点を、燃料電池システム１００Ａを搭載した車両に水素ステーション（水素供給所）で水素を充填する場合を例に挙げて説明する。本実施例の燃料電池システム１００Ａが車両に搭載されている場合、車両の走行中、燃料電池スタック１０が運転しているため、水素タンク２０の表面に凝縮水Ｗが付着される。車両が水素ステーション（水素供給所）に到着して、水素タンク２０内に水素ガスを充填する際には、燃料電池スタック１０の運転を停止する。このとき、燃料電池スタック１０の運転中に、水素タンク２０の表面に凝縮水Ｗが付着されている状態であるため、水素タンク２０に高圧で水素を充填する際の水素タンク２０内の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。その結果、水素タンク２０内への水素ガスの充填時において、水素ガスの温度上昇による充填量の不足を抑制することができる。
【００２７】
また、本実施例の燃料電池システム１００Ａでは、カソード排ガスを利用して、水素タンク２０の表面に水を付着させている。そのため、水素タンク２０の表面に水を付着させるために、水が貯留された貯留タンクを別個に設ける必要がないため、部品点数の増加を抑制することができる。
【００２８】
Ｂ．第２の実施例：
図３は、第２の実施例の燃料電池システム１００Ｂの構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００Ｂが第１の実施例における燃料電池システム１００Ａと異なる主な点は、凝縮水貯留部７０と、凝縮水流路４６と、凝縮水供給路７２と、噴霧ノズル７６と、を備える点である。本実施例において、燃料電池システム１００Ａと同様の構成には、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
凝縮水貯留部７０には、水素タンク２０の表面で凝縮された凝縮水Ｗが凝縮水流路４６を通って回収され、貯留される。凝縮水供給路７２は、凝縮水貯留部７０と噴霧ノズル７６とを接続する。凝縮水供給路７２上には、水ポンプ７４が設けられる。水ポンプ７４が駆動されると、凝縮水貯留部７０に貯留された凝縮水が凝縮水供給路７２を介して噴霧ノズル７６に供給され、水素タンク２０の表面に凝縮水貯留部７０に貯留されている凝縮水が噴霧される。なお、水素タンク２０によって脱水されたカソード排ガスは、カソード排ガス排出路４２を介して大気中に放出される。
【００３０】
本実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、水素タンク２０の表面で凝縮した凝縮水Ｗが、凝縮水貯留部７０内に貯留されており、貯留されている凝縮水を利用して、水素タンク２０の表面に水を付着させることができる。このようにすることによって、さらに、水素タンク２０内の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。
【００３１】
図４は、凝縮水が噴霧される様子を模式的に示す模式図である。本実施例の燃料電池システム１００Ｂにおいて、凝縮水貯留部７０に貯留された凝縮水は、カソード排ガスと共に、水素タンク用カソード排ガス流路４０内に噴霧される。したがって、凝縮水は、分散されて水素タンク２０表面に付着される。
【００３２】
本実施例において、外気温に応じて噴霧ノズル７６から凝縮水を噴霧させる構成にしてもよい。外気温が高い場合には、水素ガスの充填時に、水素タンク２０内の水素ガスの温度が高くなりやすいため、外気温が高い場合に、追加的に噴霧ノズル７６から凝縮水を噴霧させることによって、より良好に水素タンク２０内の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。さらに、外気温と水素ガスの充填量とに基づいて、噴霧ノズル７６から凝縮水を噴霧させる構成にしてもよい。
【００３３】
Ｃ．第３の実施例：
図５は、第３の実施例の燃料電池システム１００Ｃの構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００Ｃが第１の実施例における燃料電池システム１００Ａと異なる主な点は、気液分離器８０と、凝縮水供給路８２と、を備える点である。
【００３４】
気液分離器８０は、アノード排ガス路３４上に設けられ、アノード排ガス中に含まれる水を凝縮して、凝縮水を凝縮水供給路８２へ送出する。凝縮水供給路８２は、気液分離器８０にて凝縮された凝縮水を滴下して、水素タンク２０の表面に付与する。気液分離器８０において、水が分離されたアノード排ガスは、水素供給路３０に合流して、再び燃料電池スタック１０に供給される。
【００３５】
本実施例の燃料電池システム１００Ｃによれば、気液分離器８０によってアノード排ガスから除去された水を利用して水素タンク２０の表面に水を付着させ、水素ガスの充填時における水素タンク２０内の水素ガスの温度上昇を抑制することができると共に、アノード排ガス中の水を除去してアノード排ガスを再利用することができる。
【００３６】
本実施例において、カソード排ガスに代えて、空気をコンプレッサによって水素タンクカバー２８内に流入させる構成にしてもよい。この場合、水素タンク２０内に水素ガスを充填する際に、水素タンクカバー２８内に空気を導入するとともに、凝縮水を供給する。このようにすると、空気の流れにより、さらに冷却効果が上がり、水素ガスの充填時における水素タンク２０内の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。水素タンクカバー２８内に空気を導入するためのコンプレッサとして、例えば、水素ステーションに備えられたコンプレッサを用いてもよい。このようにすると、燃料電池システム１００Ｃが専用のコンプレッサを備える必要がなくなるため、部品点数の増加を抑制することができる。また、燃料電池システムが車両に搭載される場合には、エアコンディショナー用に設けられているエアコンプレッサ等予め設けられているコンプレッサを用いるようにしてもよい。このようにすると、水素ステーションでなくても、どこでも、水素タンク２０を冷却することができる。
【００３７】
本実施例において、さらに、第２の実施例における凝縮水流路４６、凝縮水貯留部７０、凝縮水供給路７２、水ポンプ７４、噴霧ノズル７６を備える構成にしてもよい。このようにしても、水素タンク２０内の水素ガスの温度上昇を良好に抑制することができる。
【００３８】
Ｄ．第４の実施例：
図６は、第４の実施例の燃料電池システム１００Ｄの構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００Ｄが第１の実施例における燃料電池システム１００Ａと異なる主な点は、カソード排ガスに代えて、アノード排ガスを水素タンク２０の周囲に供給する点である。本実施例において、燃料電池システム１００Ａと同様の構成には、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３９】
本実施例において、水素供給系は、さらに、アノード排ガス供給路３３と、水素タンク用アノード排ガス流路４０Ｄと、凝縮水排出路４２Ｄと、を備える。本実施例において、水素タンクカバー２８と水素タンク２０との間の空間が、水素タンク用アノード排ガス流路４０Ｄとして機能する（図６）。すなわち、第１の実施例における燃料電池システム１００Ａでは、水素タンクカバー２８と水素タンク２０との間の空間にカソード排ガスを供給していたのに対し、本実施例の燃料電池システム１００Ｄでは、水素タンクカバー２８と水素タンク２０との間の空間にアノード排ガスを供給している。
【００４０】
本実施例において、アノード排ガス路３４は、凝縮水排出路４２Ｄから分岐して設けられ、水素供給路３０に合流する。すなわち、燃料電池スタック１０から排出されたアノード排ガスは、アノード排ガス供給路３３を介して水素タンク用アノード排ガス流路４０Ｄに供給された後、凝縮水排出路４２Ｄ、アノード排ガス路３４を介して水素供給路３０に戻されて、再び、燃料電池スタック１０に供給される。
【００４１】
燃料電池スタック１０の発電中、水素タンク２０内の水素ガスが燃料電池スタック１０に供給されるため、水素タンク２０内の水素ガス温度が低下する。アノード排ガスは、燃料電池スタック１０の温度とほぼ同程度の温度（例えば、７０℃）であるため、アノード排ガス中に含まれる水蒸気は、温度の低い水素タンク２０に接すると、水素タンク２０の表面に結露する。したがって、水素タンク２０の表面に水が付着される（図６）。アノード排ガス中の水が水素タンク２０上に付着されて溜まると、その一部が自重により落下し、凝縮水排出路４２Ｄを介して排出される。一方、アノード排ガス中の水が水素タンク２０上に結露することにより脱水されたアノード排ガスは、アノード排ガス路３４を介して水素供給路３０に戻されて、再び、燃料電池スタック１０に供給される。
【００４２】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム１００Ｄによれば、アノード排ガス中の水を利用して水素タンク２０の表面に水を付着させて、アノードガスの充填時における水素タンク２０内の水素ガスの温度上昇を抑制すると共に、水素タンク２０表面をアノードガスが流通することによりアノード排ガス中の水を除去することができる。したがって、部品点数を減少させることができ、コスト低減に資することができる。
【００４３】
Ｅ．変形例：
この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４４】
（１）上記実施例では、水素タンク用カソード排ガス流路４０が水素タンク２０の全面を覆う構成を例示したが、一部を覆う構成にしてもよい。水素タンク用カソード排ガス流路４０が、水素タンク２０の一部を覆う構成の場合でも、その一部に水が付着されることにより、水素ガスの充填時における水素タンク２０内の水素ガスの温度上昇を抑制することができる。
【００４５】
（２）上記実施例において、アノード排ガスを燃料電池スタック１０に再供給する構成を例示したが、アノード排ガスを燃料電池スタック１０に再供給せず、大気中に放出する構成にしてもよい。また、水素タンク２０の表面に水を付着させるためにアノード排ガスを利用しない場合には、アノードガスを燃料電池スタック１０における発電において全て消費して、アノード排ガスが排出されない構成（いわゆる、アノードデッドエンド）にしてもよい。
【００４６】
（３）上記実施例において、アノード排ガス、カソード排ガス中の水を利用して、水素タンク２０の表面に水を付着させる構成を例示したが、このような構成に限定されない。例えば、水が貯留された水タンクを備え、水タンクから水を供給して、水素タンク２０の表面に水を付着させる構成にしてもよい。
【００４７】
（４）上記実施例において、水素タンク２０の表面形状を、水が付着しやすい形状にしてもよい。例えば、表面に凸凹を設けてもよい。また、水素タンク用カソード排ガス流路４０を水素タンク２０の表面に螺旋状に設けるようにしてもよい。このようにすると、水素タンク２０の表面に略均一に水を付着させることができる。
【００４８】
（５）上記実施例において、燃料電池スタック１０として固体高分子型燃料電池を用いる例を示したが、燃料電池スタックとして、固体酸化物型燃料電池等他の燃料電池を用いてもよい。高温の排ガスを排出する燃料電池を用いる場合には、水素タンク２０の周囲に排ガスを流す前に温度を低下させることが好ましい。
【符号の説明】
【００４９】
１０…燃料電池スタック
２０…水素タンク
２２…水素充填路
２４…レセプタクル
２６…バルブ
２８…水素タンクカバー
３０…水素供給路
３２…レギュレータ
３３…アノード排ガス供給路
３４…アノード排ガス路
３６…水素ポンプ
４０…水素タンク用カソード排ガス流路
４０Ｄ…水素タンク用アノード排ガス流路
４２…カソード排ガス排出路
４２Ｄ…凝縮水排出路
４６…凝縮水流路
５０…空気供給路
５２…エアコンプレッサ
６０…カソード排ガス供給路
７０…凝縮水貯留部
７２…凝縮水供給路
７４…水ポンプ
７６…噴霧ノズル
８０…気液分離器
８２…凝縮水供給路
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ…燃料電池システム
Ｗ…凝縮水
【図１】
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【図２】
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【図３】
2011100645.tif 000005
【図４】
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【図５】
2011100645.tif 000007
【図６】
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