(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
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配管と、
前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管と、
を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給配管に配置される貯水部と、
前記酸化剤ガス排出配管に配置される気液分離部と、
を備え、
前記貯水部及び前記気液分離部は、同一の筐体内を壁板で仕切ることで形成され、
前記気液分離部から前記貯水部に液水を流通させる配水部として、前記貯水部と前記気液分離部とを連通させる開口部が前記壁板に設けられ、
前記開口部は、該気液分離部の水位下限位置よりも下側に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であって、前記貯水部には、該貯水部内の前記液水を霧化して前記酸化剤ガスを加湿するための超音波振動子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又は２記載の燃料電池システムであって、前記気液分離部の底面の少なくとも一部は、前記貯水部の底面よりも上方に配置され、且つ該貯水部に向かって下方に傾斜する傾斜底面を構成す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、酸化剤ガス供給配管及び酸化剤ガス排出配管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一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。
【０００３】
燃料電池では、アノード電極に燃料ガス（水素ガス）を供給するとともに、カソード電極に酸化剤ガス（空気）を供給することにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応により発電している。その際、電解質膜を適切に加湿するため、例えば、酸化剤ガスは、予め加湿された状態で、燃料電池に供給されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池スタックに並列して加湿モジュール（加湿器）が配置されており、エアコンプレッサから供給される酸化剤ガスを加湿して前記燃料電池スタックに供給している。そして、加湿モジュールを経由せずにエアコンプレッサから燃料電池スタックに、直接、酸化ガスを供給するために、加湿モジュールバイパス流路が設けられている。加湿モジュールバイパス流路には、加湿モジュールバイパス弁（開閉弁）が配設されている。
【０００５】
また、特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池に空気を供給する供給管と前記燃料電池から排ガス（使用済みの空気）を排出する排出管とに、加湿器が配設されている。供給管には、加湿器をバイパスするバイパス供給配管が設けられるとともに、前記バイパス供給配管には、仕切弁（開閉弁）が取り付けられている。さらに、空気排出系には、内部の水を霧化する超音波振動子を有する霧化器が配設されている。霧化器を作動させてエアコンプレッサを駆動すると、燃料電池スタック等内に残留する水は、霧化されて排出されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１５８２７０号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１及び特許文献２では、酸化剤ガス供給配管と酸化剤ガス排出配管との間に加湿器が配設されるとともに、前記加湿器をバイパスするバイパス供給配管が設けられている。さらに、バイパス供給配管には、開閉弁が配置されている。
【０００８】
しかしながら、加湿器は、小型化が困難であり、相当に大きな外形寸法を有している。しかも、開閉弁が配置されたバイパス供給配管を備えており、燃料電池システム全体が大型化するという問題がある。
【０００９】
一方、上記の特許文献２では、霧化器を加湿器（気液分離器）に設け、前記加湿器内の水分を霧化して供給前の空気を加湿することが考えられる。ところが、このような構成では、加湿器に供給される使用前の空気と燃料電池から排出された使用後の空気とが混在し、前記使用前の空気が、前記燃料電池をバイパスして排出されるおそれがある。
【００１０】
本発明は、この種の課題を解決するものであり、簡単且つコンパクトに構成することができ、しかも貯水部を流通する酸化剤ガスが燃料電池をバイパスして排出されることを良好に抑制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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、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配管と、前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管と、を備えている。
【００１２】
この燃料電池システムは、酸化剤ガス供給配管に配置される貯水部と、酸化剤ガス排出配管に配置される気液分離部と、を備えるとともに、前記気液分離部から前記貯水部に液水を流通させる配水部が設けられている。
【００１３】
また、この燃料電池システムでは、貯水部には、前記貯水部内の液水を霧化して酸化剤ガスを加湿するための超音波振動子が設けられることが好ましい。
【００１４】
さらに、この燃料電池システムでは、配水部は、貯水部と気液分離部とを連結する配水配管を有し、前記配水配管には、オリフィスが配置されることが好ましい。
【００１５】
さらにまた、この燃料電池システムでは、気液分離部から配水配管に液水を排出する排水開口部は、前記配水配管から貯水部に前記液水を導入する給水開口部よりも上方に配置されることが好ましい。
【００１６】
また、この燃料電池システムでは、貯水部及び気液分離部は、同一の筐体内を壁板で仕切ることで形成され、前記貯水部と前記気液分離部とを連通させる開口部が前記壁板に設けられ、前記開口部は、該気液分離部の水位下限位置よりも下側に形成される。
【００１７】
さらに、この燃料電池システムでは、気液分離部の底面の少なくとも一部は、貯水部の底面よりも上方に配置され、且つ前記貯水部に向かって下方に傾斜する傾斜底面を構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、酸化剤ガスは、貯水部を流通した後に燃料電池に供給される一方、使用済みの酸化剤ガスは、前記燃料電池から気液分離部に排出されてガス成分と水分とに分離されている。気液分離部には、分離された水分が凝縮して液水が滞留し、前記液水は、配水部を通って貯水部に導入され、使用前の酸化剤ガスを加湿することができる。
【００１９】
従って、貯水部と気液分離部とが個別に構成されるため、簡単且つコンパクトな構成で、前記貯水部を流通する酸化剤ガスが、燃料電池をバイパスして排出されることを良好に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】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説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。
【００２２】
燃料電池システム１０は、複数の発電セル（燃料電池）１２が積層される燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１８とを備える。燃料電池システム１０は、さらに燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置（図示せず）を備える。
【００２３】
発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２２を第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６で挟持する。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
【００２４】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード電極３０及びカソード電極３２とを備える。固体高分子電解質膜２８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
【００２５】
第１セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２との間に、アノード電極３０に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３４を設ける。第２セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２との間に、カソード電極３２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３６を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２４と第２セパレータ２６との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路３８が設けられる。
【００２６】
燃料電池スタック１４を構成する一方のエンドプレート４０ａには、それぞれ発電セル１２の積層方向に個別に連通して、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂが形成される。燃料電池スタック１４を構成する他方のエンドプレート４０ｂには、それぞれ発電セル１２の積層方向に個別に連通して、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂが形成される。なお、図示しないが、エンドプレート４０ａ又はエンドプレート４０ｂには、それぞれ発電セル１２の積層方向に個別に連通して、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とが形成される。
【００２７】
酸化剤ガス入口連通孔４２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂは、酸化剤ガス流路３６に連通し、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を流通させる。燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂは、燃料ガス流路３４に連通し、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を流通させる。
【００２８】
酸化剤ガス供給装置１６は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに連通する酸化剤ガス供給配管４６ａと、前記燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに連通する酸化剤ガス排出配管４６ｂとを有する。酸化剤ガス供給配管４６ａの上流側には、エアコンプレッサ４８が配設されるとともに、前記エアコンプレッサ４８の下流には、貯水部、例えば、貯水タンク５０が配置される。
【００２９】
貯水タンク５０の側面上部には、酸化剤ガス供給配管４６ａから前記貯水タンク５０内の貯水室５０Ｒに空気を導入するための酸化剤ガス導入口５２ａが形成される。貯水タンク５０の上面には、前記貯水タンク５０内の貯水室５０Ｒから酸化剤ガス供給配管４６ａに空気を導出するための酸化剤ガス導出口５２ｂが形成される。
【００３０】
貯水タンク５０の側面下部には、液水供給口（給水開口部）５４ａと液水排出口５４ｂとが形成される。液水排出口５４ｂは、液水供給口５４ａよりも鉛直方向上方（矢印Ａ方向上方）に離間することにより、貯水タンク５０内の水位ｗｓを所定の位置に設定し、前記貯水タンク５０内の貯水量を一定量に維持する。貯水タンク５０は、超音波振動子５６上に配置されるとともに、前記超音波振動子５６は、ゴムマウント５８を介して設置面６０上に載置される。
【００３１】
酸化剤ガス排出配管４６ｂは、気液分離器（気液分離部）６２の上面のオフガス供給口６３に接続される。気液分離器６２は、貯水タンク５０とは別体に且つ前記貯水タンク５０よりも上方に配置される。
【００３２】
気液分離器６２の側面下部には、排水開口部６４が形成される。排水開口部６４と液水供給口５４ａとには、配水配管６６が接続される。気液分離器６２から配水配管６６に液水を排出する排水開口部６４は、前記配水配管６６から貯水タンク５０に前記液水を導入する液水供給口５４ａよりも、上方に距離ｈだけ離間して配置される。
【００３３】
気液分離器６２の側面上部には、排気開口部６８が形成され、前記排気開口部６８には、排気配管７０が接続される。排気配管７０には、圧力調整弁７２が配置される。排気配管７０には、圧力調整弁７２の下流に位置して排水配管７４の一端部が連通するとともに、前記排水配管７４の他端部は、貯水タンク５０の液水排出口５４ｂに連通する。
【００３４】
配水配管６６の液水供給口５４ａの近傍には、オリフィス７６ａが配設される一方、排水配管７４の液水排出口５４ｂの近傍には、オリフィス７６ｂが配設される。空気の逆流を防止するためである。
【００３５】
燃料ガス供給装置１８は、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する燃料ガス供給配管７８ａと、前記燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔４４ｂに連通する燃料ガス排出配管７８ｂとを有する。燃料ガス供給配管７８ａの上流側には、高圧水素を貯留する水素タンク８０が配設されるとともに、前記水素タンク８０の下流には、遮断弁８２及びエゼクタ８４が設けられる。
【００３６】
燃料ガス排出配管７８ｂは、アノード電極３０で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを、燃料電池スタック１４から導出する。燃料ガス排出配管７８ｂの下流から循環流路８６が分岐するとともに、前記循環流路８６は、エゼクタ８４に接続される。燃料ガス排出配管７８ｂには、循環流路８６の下流に位置してパージ弁８８が設けられる。
【００３７】
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。
【００３８】
酸化剤ガス供給装置１６を構成するエアコンプレッサ４８を介して、酸化剤ガス供給配管４６ａに空気が送られる。この空気は、貯水タンク５０内の貯水室５０Ｒに導入された後、酸化剤ガス導出口５２ｂから酸化剤ガス供給配管４６ａを通って燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される。
【００３９】
一方、燃料ガス供給装置１８では、遮断弁８２の開放作用下に、水素タンク８０から燃料ガス供給配管７８ａに水素ガスが供給される。この水素ガスは、エゼクタ８４を通った後、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される。
【００４０】
燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給された空気は、各発電セル１２を構成する酸化剤ガス流路３６に導入され、カソード電極３２に供給される。一方、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給された水素ガスは、各発電セル１２を構成する燃料ガス流路３４に導入され、アノード電極３０に供給される。
【００４１】
従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード電極３２に供給される空気と、アノード電極３０に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４２】
また、図示しない冷却媒体供給装置では、燃料電池スタック１４の冷却媒体入口連通孔に供給された冷却媒体は、各発電セル１２間の冷却媒体流路３８に供給され、各電解質膜・電極構造体２２を冷却する。
【００４３】
次いで、カソード電極３２に供給されて一部が消費された空気である酸化剤排ガスは、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤ガス排出配管４６ｂに排出される。酸化剤排ガスは、気液分離器６２内に排出されることにより、液水部分と気体部分とに分離される。気体部分は、排気開口部６８から排気配管７０に導出され、圧力調整弁７２の設定圧力に昇圧された後、外部に排出される。
【００４４】
液水部分は、気液分離器６２内に貯留されるとともに、一部が排水開口部６４から配水配管６６を通って液水供給口５４ａから貯水タンク５０内の貯水室５０Ｒに供給される。貯水室５０Ｒでは、余剰な液水は、液水排出口５４ｂから排水配管７４に排水され、排気配管７０に合流して気体成分と混合し排出される。
【００４５】
同様に、アノード電極３０に供給されて一部が消費された水素ガスである燃料排ガスは、燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料ガス排出配管７８ｂに排出される。燃料排ガスは、燃料ガス排出配管７８ｂから循環流路８６を介してエゼクタ８４に吸引され、新たな水素ガスに混合して燃料電池スタック１４に供給される。
【００４６】
この場合、第１の実施形態では、酸化剤排ガスは、燃料電池スタック１４から気液分離器６２に導入されることにより、前記酸化剤排ガスから分離された水蒸気が凝縮し、液水が生成されている。この液水は、配水配管６６を通って貯水タンク５０に導入され、超音波振動子５６上に配置された貯水室５０Ｒに貯水されている。
【００４７】
そこで、燃料電池スタック１４に供給される空気を加湿する必要が発生すると、例えば、低負荷発電時、アイドリング時又はインピーダンス測定により湿度低下が検出された時等、超音波振動子５６が駆動される。このため、貯水室５０Ｒに貯水されている液水は、霧化されるため、エアコンプレッサ４８を介して前記貯水室５０Ｒに導入される空気が加湿される。従って、加湿された空気を燃料電池スタック１４に供給することができる。
【００４８】
このように、第１の実施形態では、貯水タンク５０と気液分離器６２とは、個別に構成されている。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、貯水タンク５０を流通する空気が、燃料電池スタック１４をバイパスして酸化剤ガス排出配管４６ｂに排出されることを良好に抑制することが可能になる。
【００４９】
しかも、貯水タンク５０には、前記貯水タンク５０内の液水を霧化して空気を加湿するための超音波振動子５６が設けられている。このため、貯水タンク５０内を通過する空気を、一層確実に加湿することができる。
【００５０】
さらに、貯水タンク５０と気液分離器６２とを連結する配水配管６６を有し、前記配水配管６６には、オリフィス７６ａが配置されている。従って、貯水タンク５０に導入された空気が、気液分離器６２に逆流することを確実に阻止することが可能になる。また、貯水タンク５０の液水排出口５４ｂに接続される排水配管７４には、オリフィス７６ｂが配置されている。これにより、貯水タンク５０に導入された空気が、排水配管７４に排出されることを確実に阻止することができる。
【００５１】
さらにまた、気液分離器６２から配水配管６６に液水を排出する排水開口部６４は、前記配水配管６６から貯水タンク５０に前記液水を導入する液水供給口５４ａよりも上方に距離ｈだけ離間して配置されている。このため、気液分離器６２内の液水は、自重により気液分離器６２に移動することができ、簡便な構成で、前記液水の移動が良好に遂行可能になる。
【００５２】
また、液水排出口５４ｂは、液水供給口５４ａよりも鉛直方向上方に離間することにより、貯水タンク５０内の水位ｗｓを所定の位置に設定し、前記貯水タンク５０内の貯水量を一定量に維持している。従って、貯水タンク５０内の貯水量を必要最小限に維持することができ、超音波振動子５６による霧化の効率化が容易に図られる。
【００５３】
さらに、超音波振動子５６は、ゴムマウント５８を介して設置面６０上に載置されている。これにより、超音波振動子５６による振動が周囲に伝達されることを抑制することが可能になり、騒音による影響を回避することができる。
【００５４】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図である。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。
【００５５】
燃料電池システム１００は、単一の筐体１０２を備え、前記筐体１０２内には、貯水タンク１０４及び気液分離器１０６が形成される。筐体１０２内には、貯水タンク１０４と気液分離器１０６とを仕切る壁板１０８が配設されるとともに、前記壁板１０８の下部には、前記貯水タンク１０４と前記気液分離器１０６とを連通させる開口部（配水部）１１０が形成される。
【００５６】
筐体１０２には、貯水タンク１０４の側面下部に液水排出口５４が形成される。開口部１１０は、液水排出口５４よりも、すなわち、気液分離器１０６の水位下限位置ｗ１よりも下側に形成される。液水排出口５４には、オリフィス７６が配設される。
【００５７】
筐体１０２の底面１０２ｓは、少なくとも気液分離器１０６側の一部が、貯水タンク１０４の底面よりも上方に配置され、且つ前記貯水タンク１０４に向かって下方に傾斜する傾斜底面１１２を構成する。
【００５８】
このように構成される第２の実施形態では、貯水タンク１０４及び気液分離器１０６は、同一の筐体１０２内に形成されている。しかも、貯水タンク１０４と気液分離器１０６とを連通させる開口部１１０は、前記気液分離器１０６の水位下限位置ｗ１よりも下側に形成されている。このため、部品点数を容易に削減させることができ、燃料電池システム１００全体をコンパクトに構成することが可能になる。
【００５９】
さらに、気液分離器１０６の底面１０２ｓの少なくとも一部は、貯水タンク１０４の底面よりも上方に配置され、且つ前記貯水タンク１０４に向かって下方に傾斜する傾斜底面１１２を構成している。従って、気液分離器１０６内の液水は、簡便な構成で、傾斜底面１１２の案内作用下に貯水タンク１０４に円滑に流動することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０、１００…燃料電池システム            １２…発電セル
１４…燃料電池スタック                    １６…酸化剤ガス供給装置
１８…燃料ガス供給装置                    ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…セパレータ                    ２８…固体高分子電解質膜
３０…アノード電極                        ３２…カソード電極
３４…燃料ガス流路                        ３６…酸化剤ガス流路
４０ａ、４０ｂ…エンドプレート            ４２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔              ４４ａ…燃料ガス入口連通孔
４４ｂ…燃料ガス出口連通孔                ４６ａ…酸化剤ガス供給配管
４６ｂ…酸化剤ガス排出配管                ４８…エアコンプレッサ
５０、１０４…貯水タンク                  ５０Ｒ…貯水室
５２ａ…酸化剤ガス導入口                  ５２ｂ…酸化剤ガス導出口
５４、５４ｂ…液水排出口                  ５４ａ…液水供給口
５６…超音波振動子                        ５８…ゴムマウント
６０…設置面                              ６２、１０６…気液分離器
６４…排水開口部                          ６６…配水配管
６８…排気開口部                          ７２…圧力調整弁
７６、７６ａ、７６ｂ…オリフィス          ７８ａ…燃料ガス供給配管
７８ｂ…燃料ガス排出配管                  ８０…水素タンク
１０２…筐体                              １０２ｓ…底面
１０８…壁板                              １１０…開口部
１１２…傾斜底面
【図１】
0006480857.tif 000002
【図２】
0006480857.tif 000003