(57)【要約】【課題】燃料オフガスを循環させる際に、運転モードに応じて最適な水分除去を行うこと。【解決手段】燃料電池２０から排気された燃料オフガスの水分を除去する燃料電池システムであって、循環流路５１に、遮断弁５２と気液分離器５３とを結ぶ配管５４を設けるとともに配管５４の両端にバイパス経路５６を接続し、配管５４に三方弁５５を設け、バイパス経路５６には熱交換器５７を設け、通常の発電モードのときには三方弁５５が配管５４を選択し、燃料電池２０からの燃料オフガスをそのまま気液分離器５３に送給し、掃気運転モードのときには三方弁５５がバイパス経路５６を選択し、燃料電池２０から排気される燃料オフガスを熱交換器５７で冷却系統からの冷却水で冷却し、冷却された燃料オフガスを気液分離器５３に送給し、掃気運転モードにおける湿度除去能力を高める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排気された燃料オフガスの水分を除去する燃料電池システムであって、
該燃料電池が掃気運転モードである場合に、該燃料電池が該掃気運転モード以外の運転モードである場合よりも湿度除去能力を高めることが可能に構成されたこと
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排気された燃料オフガスを流通させる配管と、
両端が該配管に接続されたバイパス経路と、
該バイパス経路に設けられた冷却装置と、
該配管と該バイパス経路との２つの接続部のうち上流側の接続部に設けられた経路切換器と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記経路切換器は、前記燃料電池が掃気運転モードである場合に前記燃料オフガスを前記バイパス経路に流通させるように切換えら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に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却装置は、前記燃料電池の冷却液が循環する熱交換器であり、前記冷却装置の駆動時には、該冷却液が強制循環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に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却装置は、急速冷却器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、燃料電池システムに関し、特に、燃料オフガスの排気処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池のアノード側から排気される燃料オフガスをポンプなどの加圧手段で加圧して、新規の燃料ガスと合流させ、再び燃料電池に供給するに際して、燃料オフガスの循環経路のうち燃料電池の燃料オフガス出口に熱交換器を設け、この熱交換器で燃料電池の冷却系統の冷却液（冷却水）と熱交換を行って、燃料オフガスの温度を低下させ、燃料オフガスに含まれる水分を凝縮した後、燃料オフガスに含まれる水分を気液分離器で回収して除去するようにした燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池システムによれば、燃料オフガスを循環させる際に、冷却系統の冷媒との熱交換により燃料オフガスの温度を低下させることで、加圧手段に対して、温度の低下により充填効率の上がった燃料オフガスが供給されるため、加圧手段は、高温のまま加圧する場合に比べて少ない動力で必要な燃料を循環させることが可能になる。
その他、特開２００２−３１３３８３号公報（特許文献２）や特開平１１−１１１３１５号公報（特許文献３）にも、排気ガス中の水分除去に関する発明が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２３５４６２号公報
【特許文献２】特開２００２−３１３３８３号公報
【特許文献３】特開平１１−１１１３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムにおける通常の発電モードでは、燃料オフガス（排気ガス）の循環経路には飽和水蒸気が循環しており、燃料電池の電解質膜、アノード極側の湿度管理としては、気液分離器で液体成分を取り除く程度で十分であり、それ以上液体成分を取り除くと乾燥しすぎることになる。一方、掃気運転モードでは、気液分離器で液体成分を取り除くだけでは飽和水蒸気を乾燥させるには十分ではなく、燃料オフガスの循環経路における湿度を更に下げる必要がある。
【０００５】
ところが、特許文献１等に記載されている燃料電池システムでは、冷却液ポンプが動作すると常に水蒸気の凝結が始まるが、冷却ポンプを駆動して、燃料電池を冷却したいタイミングと、燃料オフガスの循環経路を除湿したいタイミングとを合わせることについては配慮されていない。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料オフガスを循環させる際に、運転モードに応じて最適な水分除去を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から排気された燃料オフガスの水分を除去する燃料電池システムであって、該燃料電池が掃気運転モードである場合に、該燃料電池が該掃気運転モード以外の運転モードである場合よりも湿度除去能力を高めることが可能に構成されている。
【０００８】
すなわち、燃料電池から排気された燃料オフガスの水分を、例えば、気液分離器で除去するに際して、燃料電池が掃気運転モード以外の運転モードである場合には、燃料オフガスの循環経路には飽和水蒸気が循環しており、燃料オフガスに含まれる水分を気液分離器で除去するだけで、燃料電池の電解質膜、アノード極側の湿度管理としては十分である。ところが、燃料電池が掃気運転モードである場合には、燃料オフガスに含まれる水分を気液分離器で除去するだけでは飽和水蒸気が乾燥しにくく、湿度を下げるには十分ではない。
【０００９】
そこで、燃料オフガスに含まれる水分を除去するための能力を運転モードに応じて切換えることとし、掃気運転モードの場合、燃料オフガスの循環経路における湿度除去能力を他の運転モードのときよりも高めることで、最適な水分除去が可能になる。
【００１０】
燃料電池が掃気運転モードである場合に、燃料電池が掃気運転モード以外の運転モードである場合よりも湿度除去能力を高めるに際しては、燃料オフガスの循環経路に以下の要素を設けることが望ましい。
【００１１】
好適には、前記燃料電池から排気された燃料オフガスを流通させる配管と、両端が該配管に接続されたバイパス経路と、該バイパス経路に設けられた冷却装置と、該配管と該バイパス経路との２つの接続部のうち上流側の接続部に設けられた経路切換器と、を備えている。
【００１２】
係る構成によれば、経路切換器を配管側に切換えたときには、燃料電池から排気された燃料オフガスを、配管を介して流通させることができ、経路切換器によってバイパス経路側に切換えたときには、燃料電池から排気された燃料オフガスをバイパス経路に導入し、バイパス経路に設けられた冷却装置によって燃料オフガスを冷却し、燃料オフガスに含まれる水分を除去し、湿度除去能力を高めることができる。
【００１３】
好適には、前記経路切換器は、前記燃料電池が掃気運転モードである場合に前記燃料オフガスを前記バイパス経路に流通させるように切換えられる。
【００１４】
係る構成によれば、燃料電池が掃気運転モード以外の運転モードである場合には、経路切換器を配管側に切換え、燃料電池から排気された燃料オフガスを、配管を介して流通させ、燃料電池が掃気運転モードになったときには、経路切換器によってバイパス経路側に切換え、燃料電池から排気された燃料オフガスをバイパス経路に導入し、バイパス経路に設けられた冷却装置によって燃料オフガスを冷却し、燃料オフガスに含まれる水分を除去することで、掃気運転モードにおける湿度除去能力を高めることができる。
【００１５】
好適には、前記冷却装置は、前記燃料電池の冷却液が循環する熱交換器であり、前記冷却装置の駆動時には、該冷却液が強制循環される。
【００１６】
係る構成によれば、冷却装置の駆動時には冷却液が強制循環されるため、燃料電池が掃気運転モードである場合、燃料オフガスと冷却液とを強制的に熱交換させることで、燃料オフガスの循環経路における湿度除去能力を高めることができる。
【００１７】
好適には、冷却装置は急速冷却器である。
係る構成によれば、燃料電池が掃気運転モードである場合には、燃料電池から排気された燃料オフガスが急速冷却器によって急速に冷却されるため、燃料オフガスの循環経路における湿度除去能力を迅速に高めることができる。
【００１８】
前記経路切換器や冷却装置を駆動するに際しては、例えば、マイクロコンピュータで構成された制御部によって、燃料電池が掃気運転モードであるか、あるいはそれ以外の運転モードであるかを判定し、この判定結果にしたがって経路切換器や冷却装置の駆動を制御部が制御することで、経路切換器や冷却装置を運転モードに応じて自動的に制御することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料オフガスを循環させるに際に、燃料オフガスの循環経路における水分除去能力を運転モードに応じて最適な状態にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
まず、実施例に先立って、燃料電池電気自動車に搭載される燃料電池システムの概略構成を図３にしたがって説明する。
【００２１】
燃料電池システム１０は、主に、燃料ガス供給装置４０、酸化ガス供給装置７３、燃料電池２０、制御部８０を備えて構成されている。燃料ガスは、例えば水素ガスであり、酸化ガスは、例えば空気である。制御部８０は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成されており、アクセルセンサ８４によって検出されたアクセル開度から燃料電池２０の要求発電量を求め、所望の発電量が得られるように、燃料ガス供給装置４０と酸化ガス供給装置７３を制御し、燃料電池２０に供給される燃料ガスの流量と酸化ガスの流量を調整する。ＰＣＵ８２は、インバータとＤＣ／ＤＣコンバータを含む電力制御装置であり、燃料電池２０が発電した直流電力を交流電力に変換して車両走行用のモータ８３に供給する他、余剰電力を二次電池８１に供給して蓄電させる。二次電池８１はブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速または減速に伴う負荷変動時のエネルギーバックアップとしての役割を担うようになっている。
【００２２】
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池システムの配管系統を中心とするシステム構成を示している。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給装置４０と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給装置７３と、燃料電池２０を冷却するための冷却３０とを備えて構成されている。
【００２３】
燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。２次電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-・・・（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ・・・（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ・・・（３）
なお、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。
【００２４】
燃料電池システム１０の冷却装置３０には、冷却水を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ３２、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却水の水量を調整するバルブ３４、冷却水を加圧して循環させる冷却水ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。
【００２５】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給装置４０は、燃料ガス源４２、アノードガスチャンネル２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４１に循環させるための循環流路（循環経路）５１を備えており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。
【００２６】
燃料ガス流路４１には、燃料ガス源４２からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ４５、燃料電池の燃料ガス供給口（入口）を開閉する遮断弁４６などが設置されている。燃料ガス源４２は、例えば高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。
【００２７】
循環流路５１には、燃料電池２０からの燃料オフガスを排出する遮断弁５２、燃料オフガスから水分を回収する気液分離器５３、遮断弁５２と気液分離器５３とを結ぶ流路を形成し、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを流通させる配管５４、配管５４の管路途中に設けられた三方弁５５、配管５４の両端に接続されたバイパス経路５６、バイパス経路５６の途中に設けられた熱交換器５７、気液分離器５３によって回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁５８、モータによって駆動される循環ポンプ（加圧手段）５９、燃料ガス流路４１の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁６０などが設置されている。
【００２８】
三方弁５５は、循環流路５１中の配管５４とバイパス経路５６との接続部のうち上流側の接続部に設けられ、制御部８０からの制御信号にしたがって、経路を切換える経路切換器として構成されており、燃料電池２０が掃気運転モード以外の運転モード、例えば、通常の発電運転モードの場合には、配管５４を経路として選択し、燃料電池２０が掃気運転モードである場合には、バイパス経路５６を選択する。なお、三方弁５５の代わりにロータリー弁を用いることもできる。
【００２９】
冷却装置としての熱交換器５７には、配管３７を介して冷却装置３０からの冷却水（冷却液）が導入されている。この熱交換器５７は、バイパス経路５６に導入された燃料オフガスと冷却装置３０からの冷却水（冷却液）との熱交換を行い、この熱交換によって温度の低下した燃料オフガスを気液分離器５３に送給する。気液分離器５３は、通常の発電運転モードの場合には、熱交換器５７で熱交換されない燃料オフガスを配管５４から導入して、その水分を回収し、掃気運転モードの場合には、熱交換器５７で熱交換されて温度の低下した燃料オフガスを導入して、その水分を回収し、水分を回収した燃料オフガスを循環ポンプ５９に送給する。
【００３０】
循環ポンプ５９は、制御部８０の制御に基づき、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス流路４１に還流させる。この燃料オフガスは、燃料ガス流路４１で燃料ガス源４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００３１】
さらに、循環流路５１には、燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１には排気弁（排気手段）６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。排気弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。
【００３２】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給装置７３には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気から取り込んだエアに含まれる粉塵などを除去するエアフィルタ７４、モータによって駆動されるエアコンプレッサ７５などから構成されている。
【００３３】
また、酸化ガス供給装置７３の下流に配置された加湿器７６では、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードガスチャンネル２６の背圧はカソードオフガス流路７２に設置された圧力調整弁７７によってほぼ一定圧に調圧される。カソードオフガス流路７２を流れるカソードオフガスは、設計に応じて気液分離器７８やマフラ７９などを経由して車外に排気され、またその一部は希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。
【００３４】
制御部８０は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成されており、燃料電池２０の状態を監視して、燃料電池２０が掃気運転モードであるか否かを判定し、この判定結果にしたがって三方弁５５に対する経路の切換を制御する。さらに制御部８０は、各流路に設置された温度センサＴ、圧力センサＰからのセンサ信号を受け取り、電池運転の状態、例えば電力負荷に応じて、各モータを駆動して循環ポンプ５９とエアコンプレッサ７４の回転数を調整し、さらに、各種の弁の開閉制御または弁開度の調整などを行う。
【００３５】
（動作の説明）
次に、本実施例における作用を図２のフローチャートにしたがって説明する。
まず、制御部８０は、定期的に実施する処理として、掃気処理時か否かを判定する（Ｓ１）。すなわち、制御部８０は、燃料電池２０の運転状態を監視し、燃料電池２０が掃気運転モードであるか否かを判定し、燃料電池２０が掃気運転モード以外の運転モード、例えば通常の発電運転モードのときには、三方弁５５に対して、バイパス経路５６を閉鎖するとともに、配管５４を経路に選択するための制御信号を出力する（Ｓ２）。配管５４が経路に選択されたときには、通常の発電モードとして、遮断弁５２から排出される燃料オフガスは、三方弁５５、配管５４を介して気液分離器５３に送給されて、その水分が回収される。この通常の発明モードでは、特に燃料オフガスを冷却しないので、過剰な水分として液滴化している水分は気液分離器５８を介して排出されるが、蒸気化している水分は除去されることなく、循環流路５１を流通する。このため、燃料電池２０のアノードガスチャンネル２５における電解質膜を過剰に乾燥させることがない。
【００３６】
一方、燃料電池２０が掃気運転モードであるときには、制御部８０は、配管５４の代わりに、バイパス経路５６を選択するための制御信号を三方弁５５に出力する（Ｓ３）。このとき制御部８０は冷却水ポンプ３５を駆動するための制御を行う（Ｓ４）。このとき、遮断弁５２から排出される燃料オフガスは、三方弁５５からバイパス経路５６を介して熱交換器５７に導入される。そして、冷却水ポンプ３５の駆動によって冷却水が熱交換器５７に循環し、バイパス経路５６を流通する燃料オフガスから熱を奪う結果、水分が凝集して、気液分離器５８を介して排出されることになる。
【００３７】
上記実施形態１によれば、熱交換によって温度の低下した燃料オフガスからは通常運転モードに比べて多くの水分が回収されるので、掃気運転モードのときには、循環流路５１における湿度除去能力を通常の発電モードのときよりも高めることができる。
【００３８】
（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例を図４にしたがって説明する。
本実施例は、熱交換器５７の代わりに急速冷却器６４を設けたものであり、動力源（図示せず）を用いて急速冷却器６４を駆動するようにした他は、第１実施例のものと同様である。
【００３９】
次に、第２実施例における作用を図５のフローチャートにしたがって説明する。
まず、制御部８０は、定期的に実施する処理として、掃気処理時か否かを判定する（Ｓ１１）。すなわち、制御部８０は、燃料電池２０の運転状態を監視し、燃料電池２０が掃気運転モードであるか否かを判定し、燃料電池２０が掃気運転モード以外の運転モード、例えば通常の発電運転モードのときには、三方弁５５に対して、バイパス経路５６を閉鎖するとともに、配管５４を経路に選択するための制御信号を出力する（Ｓ１２）。配管５４が経路に選択されたときには、通常の発電モードとして、遮断弁５２から排出される燃料オフガスは、三方弁５５、配管５４を介して気液分離器５３に送給されて、その水分が回収される。
【００４０】
一方、燃料電池２０が掃気運転モードであるときには、制御部８０は、配管５４の代わりに、バイパス経路５６を選択するための制御信号を三方弁５５に出力する（Ｓ１３）。このとき制御部８０は急速冷却器６４を駆動するための制御を行う（Ｓ１４）。このとき、遮断弁５２から排出される燃料オフガスは、三方弁５５からバイパス経路５６を介して急速冷却器６４に導入され、急速冷却器６４によって急速に冷却される。この急速冷却器６４による急速冷却によって温度の低下した燃料オフガスは気液分離器５３に送給されて、その水分が回収される。
【００４１】
上記実施形態２によれば、実施形態１の熱交換器の代わりに、急速冷却器６４が用いられる。急速冷却器６４は、熱交換器に比べても高い冷却能力を有しているので、掃気運転モードのときには、循環流路５１における湿度除去能力を通常の発電モードのときよりも遙かに高めることができる。
【００４２】
（変形例）
本発明は上記実施例に限定されることなく、例えば、第１実施例および第２実施例の構成を組み合わせるなど、種々に変形して適応することが可能である。
【００４３】
例えば、第１実施例では、熱交換器５７をバイパス経路５６中に設けているが、バイパス経路５６を取り除くとともに、三方弁５５の部位に熱交換器５７を挿入し、配管３７中に開閉弁を設け、通常の発電モードでは、配管３７中の開閉弁を閉じ、遮断弁５２から排出される燃料オフガスをそのまま気液分離器５３に送給し、掃気運転モードでは、配管３７中の開閉弁を開いて熱交換器５７に冷却水を導入し、遮断弁５２から排出される燃料オフガスを熱交換器５７によって冷却し、冷却された燃料オフガスを気液分離器５３に送給する構成を採用することもできる。
【００４４】
また、第２実施例では、急速冷却器６４をバイパス経路５６中に設けているが、バイパス経路５６を取り除き、急速冷却器６４を三方弁５４の部位に挿入し、通常の発電モードでは急速冷却器６４の運転を停止し、遮断弁５２から排出される燃料オフガスをそのまま気液分離器５３に送給し、一方、掃気運転モードのときには急速冷却器６４を駆動し、遮断弁５２から排出される燃料オフガスを急速冷却器６４によって冷却し、冷却された燃料オフガスを気液分離器５３に送給する構成を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施形態の第１実施例における燃料電池システムの配管系統を中心とする構成図である。
【図２】第１実施例における燃料電池システムの作用を説明するためのフローチャートである。
【図３】本実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。
【図４】本実施形態の第２実施例における燃料電池システムの配管系統を中心とする構成図である。
【図５】第２実施例の作用を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池、３１  冷却炉、３５  冷却水ポンプ、４１  燃料ガス流路、５１  循環流路、５３  気液分離器、５４  配管、５６  バイパス経路、５７  熱交換器、５９  循環ポンプ、６４  急速冷却器、５５  三方弁、８０  制御部
【図１】
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【図２】
2008234991.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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