(57)【要約】【課題】燃料電池からの排出ガスに含まれる水を凝縮回収し、回収された水を燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、小型で搭載性のよい水回収システムの提供を目的とする。【解決手段】酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池１と、燃料電池１から排出される酸化剤ガスの排出経路２１と、排出経路２１に設けられた気液分離器２６と、燃料電池１内部における酸化剤ガスの圧力より気液分離器２６に供給される酸化剤ガスの圧力を高くする加圧手段とを備える燃料電池システムにおいて、加圧手段により酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮するため、凝縮手段として体格の大きな凝縮器を用いることなく小型の水回収システムを提供することができる。【選択図】図１
2008130236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）から排出される前記酸化剤ガスの排出経路（２１）と、
前記排出経路（２１）に設けられた気液分離器（２６）と、
前記燃料電池（１）内部における前記酸化剤ガスの圧力より前記気液分離器（２６）に供給される前記酸化剤ガスの圧力を高くする加圧手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加圧手段は、前記排出経路（２１）に設けられた前記酸化剤ガスを圧送する圧縮機（２５）を含んでいる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】
前記燃料電池（１）に供給される前記酸化剤ガスの供給経路（２０）と、
前記燃料電池（１）に前記酸化剤ガスを供給するために前記供給経路（２０）に設けられた圧縮機（２２）と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池（１）をバイパスさせるバイパス経路（４０）と、
前記供給経路（２０）におけるバイパス経路（４０）の下流側の圧力を減圧する減圧手段（４１）とを備え、
前記バイパス経路（４０）は、前記供給経路（２０）における前記供給装置（２２）の下流側であって前記減圧手段の上流側と前記排出経路（２１）における前記気液分離器（２６）の上流側に接続され、
前記加圧手段は、前記バイパス経路（４０）を含んでいる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４】
前記気液分離器（２６）により分離される前記酸化剤ガスを減圧膨張させる膨張手段（２７）と、
前記燃料電池（１）から排出され、前記加圧手段で加圧される前の前記酸化剤ガスと、前記膨張手段（２７）により減圧膨張された前記酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換器（２４）と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つ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、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池システムでは、発電に伴い水が発生する。そこで、燃料電池からの排出空気に含まれる水を凝縮回収し、回収された水を燃料電池に供給して潜熱冷却を行う燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−３１７２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池からの排出空気に含まれる水を凝縮させるための凝縮器は、気体間での熱交換を行うため、広い放熱面積を確保する必要がある。また、凝縮器は、外気を利用して熱交換させるため、外気を利用できるように凝縮器の搭載配置を考慮する必要もある。このため、凝縮器の体格が大きくなり、また凝縮器の搭載配置の制約等があるため車両に搭載することが困難である。
【０００４】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池からの排出ガスに含まれる水を凝縮回収し、回収された水を燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、小型で搭載性のよい水回収システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、燃料電池（１）から排出される酸化剤ガスの排出経路（２１）と、排出経路（２１）に設けられた気液分離器（２６）と、燃料電池（１）内部における酸化剤ガスの圧力より気液分離器（２６）に供給される酸化剤ガスの圧力を高くする加圧手段とを備えることを第１の特徴とする。
【０００６】
これにより、加圧手段によって酸化剤ガスの排出経路（２１）における気液分離器（２６）に供給される酸化剤ガスの圧力を、燃料電池（１）内部の酸化剤ガスの圧力よりも上昇させることができ、燃料電池（１）から排出される酸化剤ガスの体積を圧縮させることができる。酸化剤ガスの体積の圧縮により、酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮することができ、体格が小さく、搭載性のよい構成で酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮することができる。
【０００７】
また、加圧手段は、排出経路（２１）に設けられた酸化剤ガスを圧送する圧縮機（２５）を含んでいる場合、体格の大きな凝縮器を用いることなく、体格が小さく、搭載性のよい圧縮機（２５）を含む構成で酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮することができる。
【０００８】
また、燃料電池（１）に供給される酸化剤ガスの供給経路（２０）と、燃料電池（１）に酸化剤ガスを供給するために供給経路（２０）に設けられた圧縮機（２２）と、酸化剤ガスを燃料電池（１）をバイパスさせるバイパス経路（４０）と、供給経路（２０）におけるバイパス経路（４０）の下流側の圧力を減圧する減圧手段（４１）とを備え、バイパス経路（４０）は、供給経路（２０）における供給装置（２２）の下流側であって減圧手段の上流側と排出経路（２１）における気液分離器（２６）の上流側に接続され、加圧手段は、バイパス経路（４０）を含んでいる構成とすることができる。このような構成とした場合、加圧手段として別途圧縮機（２５）を設ける必要がなく、加圧手段としての圧縮機（２５）は燃料電池（１）に空気の供給装置とを兼ねるため、より体格が小さい構成で酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮回収することができる。
【０００９】
本発明は、気液分離器（２６）により分離される酸化剤ガスを減圧膨張させる膨張手段（２７）と、燃料電池（１）から排出され、加圧手段で加圧される前の酸化剤ガスと、膨張手段（２７）により減圧膨張された酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換器（２４）とを備えることを第２の特徴とする。
【００１０】
これにより、膨張手段（２７）により気液分離器（２６）から分離された酸化剤ガスを減圧膨張することで低温状態にして、その低温状態の酸化剤ガスと加圧手段で加圧される前の酸化剤ガスとの温度差を利用して熱交換をすることができる。したがって、熱交換器（２４）により燃料電池（１）から排出される加圧前の酸化剤ガスを冷却することができるため、圧縮機（２５）で行う酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮を補助することができる。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて図１に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池１を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１３】
図１は、本第１実施形態に係る燃料電池システムの主要構成図である。図１に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。燃料電池１は、二次電池、走行用モータ、補機等の電力機器２に電力を供給するように構成されている。ここで、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素を含んだ空気が本発明の酸化剤ガスに相当する。
【００１４】
本第１実施形態では、燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、電解質膜の両側面に電極が接合されたＭＥＡと、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータから構成されるセルが複数個積層され、かつ電気的に直列接続されている。燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。
【００１５】
（水素極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１の水素極に供給される水素が通過する水素供給経路１０と、燃料電池１の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路１１が設けられている。水素供給経路１０の最上流部には、燃料電池１の水素極に水素を供給するための水素供給装置１２が設けられている。本実施形態では、水素供給装置１２として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。また、水素供給経路１０には、図示を省略しているが、水素供給装置１２を開閉する開閉弁、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整するレギュレータ等が設けられている。
【００１６】
水素排出経路１１は、燃料電池１から排出される未反応水素を含む水素極側排出ガスを燃料電池１に再循環させるための水素循環経路となっている。水素循環経路には、水素極側排出ガスを循環させるための水素循環ポンプ１３が設けられている。
【００１７】
燃料電池システムには、燃料電池１の空気極（酸素極）に供給される空気が通過する空気供給経路２０と、燃料電池１の空気極から排出される空気極側排出ガスが通過する空気排出経路２１が設けられている。空気供給経路２０には、空気を供給するための空気供給装置２２が設けられている。
【００１８】
本実施形態では、空気供給装置２２として空気圧縮機を用いている。空気供給装置２２は圧縮機用モータと機械的に接続されている。空気排出経路２１には、所望の圧力になるよう空気の排出圧力を調整する背圧調圧装置２３が設けられている。
【００１９】
燃料電池１は発電の際、上記電気化学反応により熱が発生する発熱体である。燃料電池１は発電効率確保のために運転中一定温度に維持する必要がある。また、燃料電池１内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されるため、燃料電池１の温度を許容温度以下に保持する必要がある。
【００２０】
そのため、燃料電池システムは、空気排出経路２１に燃料電池１から排出される空気（空気極側排出ガス）に含まれる水分を回収する水回収システムが設けられ、水回収システムにより回収された水を燃料電池１に供給し潜熱冷却を行う。
【００２１】
水回収システムは、燃料電池１の排出空気に含まれる水分を圧縮して凝縮させる圧縮機２５、圧縮機２５により凝縮された水を空気と分離する気液分離器２６、気液分離器２６により分離された水を貯蔵する水回収タンク２８、気液分離器２６により分離された空気を減圧膨張させる膨張弁２７、膨張により低温状態の空気（冷媒）と圧縮機２５で加圧される前の排出空気とを熱交換させる熱交換器２４を備えている。ここで、本実施形態の圧縮機２５と膨張弁２７の構成は、本発明の加圧手段に該当する。
【００２２】
気液分離器２６は、空気排出経路２１における圧縮機２５の下流側に設けられている。膨張弁２７は、空気排出経路２１における気液分離器２６の下流側に設けられている。圧縮機２５で加圧された空気は、膨張弁で減圧膨張され、低温状態の空気となる。ここで、膨張弁２７は、圧縮機２５で加圧された空気が所望の圧力（例えば、２００ｋＰａ・ａｂｓ）となるよう空気の排出圧力を調整する調圧手段としての機能を兼ねている。
【００２３】
熱交換器２４は、空気排出経路２１における圧縮機２５の上流側の高温空気と気液分離器２６の下流側の低温空気とを熱交換するように配置されている。ここで、熱交換器２４は、フィンチューブ式等の熱交換器を用いることができる。
【００２４】
また、水回収システムの水回収タンク２８には、貯蔵された水を燃料電池１に供給するための水供給配管３０が接続され、水供給配管３０には通過する水を供給させる水供給ポンプ３１が設けられている。ここで、水供給ポンプ３１は、図示しない水供給ポンプ用モータを回転させることにより水供給ポンプ３１を回転させて水供給配管３０を介して燃料電池１に水回収タンク２８内の水を供給する。
【００２５】
燃料電池システムには、各種制御を行う制御手段としての制御部（ＥＣＵ）が設けられている。制御部は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。
【００２６】
上記構成の燃料電池システムでは、空気供給経路２０および水素供給経路１０から燃料電池１に空気および水素が供給されることで、燃料電池１では発電が行われる。燃料電池１の発電に伴い燃料電池１の空気極側では生成水が発生し、この生成水は、空気（空気極側排出ガス）に含まれる状態で燃料電池１から排出される。
【００２７】
燃料電池１から排出される空気は、熱交換器２４を介して冷却され、降温（例えば、９０℃から８０℃に降温）されるため、排出空気に含まれる水分は凝縮しやすくなる。その後、排出空気に含まれる水分は、空気排出経路２１に設けられた圧縮機２５で燃料電池１の空気極側の圧力（例えば、１４０ｋＰａ・ａｂｓ）よりも高い圧力（例えば、２００ｋＰａ・ａｂｓ）まで加圧される。圧縮機２５の加圧による排出空気に含まれる水分の体積が減少することにより、排出空気に含まれる水分は凝縮し液滴となる。
【００２８】
圧縮機２５によって凝縮された液滴は、気液分離器２６で空気から分離される。気液分離器２６により分離された水は水回収タンク２８に貯蔵される。水回収タンク２８に貯蔵される水は、水供給ポンプ３１により水供給配管３０を介して燃料電池１に供給される。
【００２９】
気液分離器２６で分離された排出空気は、圧縮機２５により圧縮され凝縮するため、凝縮の際に発生する凝縮熱により昇温される（例えば、８０℃から８５℃に昇温）。気液分離器２６で分離された空気は、気液分離器２６下流の空気排出経路２１に設けられた膨張弁２７により、減圧膨張される。膨張弁２７により減圧膨張された空気は降温される（例えば、８５℃から６０℃に降温）。
【００３０】
低温状態となった空気は、空気排出経路２１における気液分離器２６の下流側の熱交換器２４により、燃料電池１から排出される空気であって圧縮機２５による加圧前の空気と熱交換される。熱交換器２４を通過した空気は、空気排出経路２１を介して外部に排出される。
【００３１】
以上のように、空気排出経路２１に設けられた圧縮機２５により燃料電池１からの排出空気の体積を圧縮することで、排出空気に含まれる水分を凝縮することができ、広い放熱面積が必要とされる凝縮器（気体間で熱交換を行う熱交換器）を用いることなく、体格が小さい構成で酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮回収することができる。
【００３２】
また、空気排出経路２１に設けられた膨張弁２７により、気液分離器２６から分離された排出空気を減圧膨張することで低温状態にすることができる。さらに、空気排出経路２１に設けられた熱交換器２４により、その低温状態の空気と圧縮機２５で加圧される前の空気との温度差を利用して熱交換をすることができる。これにより、圧縮機２５で排出空気に含まれる水分の凝縮を補助することができ、燃料電池システムのエネルギ効率を高めることができる。
【００３３】
また、燃料電池１に供給する水の回収状況にあわせて圧縮機２２の駆動を制御することができる。
【００３４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３５】
図２は、本第２実施形態に係る燃料電池システムの主要構成図である。図２に示すように、燃料電池システムには、燃料電池１の空気極（酸素極）に供給される空気が通過する空気供給経路２０と、燃料電池１の空気極から排出される空気極側排出ガスが通過する空気排出経路２１が設けられている。
【００３６】
空気供給経路２０には、空気を供給しするための空気供給装置２２、空気供給装置２２の下流側にバイパス経路４０が分岐して設けられている。ここで、空気供給装置２２は、空気の供給のみならず空気を圧縮し高圧状態にする圧縮機として作動する。バイパス経路４０は、空気供給経路２０における空気供給装置２２の下流側であって減圧手段４１の上流側と、空気排出経路２１における熱交換器２４の下流側であって気液分離器２６の上流側とを接続している。
【００３７】
これにより、空気供給経路２０に設けられた空気供給装置２２で圧縮され高圧状態の空気が、バイパス経路４０を介して空気排出経路２１における熱交換器２４の下流側に導入される。本実施形態における空気供給装置２２、バイパス経路４０、膨張弁２７の構成は、本発明の加圧手段に該当する。
【００３８】
空気供給経路２０には、バイパス経路４０との接続部の下流側に減圧手段４１である減圧弁４１が設けられている。ここで、減圧弁４１は、燃料電池１に供給される空気の圧力を所定圧力（例えば、１４０ｋＰａ・ａｂｓ）まで減圧する。
【００３９】
上記構成の燃料電池システムでは、空気供給経路２０および水素供給経路１０から燃料電池１に空気および水素が供給されることで、燃料電池１では発電が行われる。ここで、本実施形態では、空気供給経路２０に設けられた空気供給装置２２により、高圧状態となった空気は、減圧手段４１を介して所定圧力まで減圧され燃料電池１に供給される。
【００４０】
また、高圧状態となった空気は、空気供給経路２０における空気供給装置２２の下流側に設けられたバイパス経路４０を介して、空気排出経路２１に供給される。燃料電池１の発電に伴い燃料電池１の空気極側では生成水が発生し、この生成水は、空気極側排出ガスに含まれる状態で燃料電池１から排出される。
【００４１】
燃料電池１から排出される空気（空気極側排出ガス）に含まれる水分は、熱交換器２４による冷却により、降温（例えば、９０℃から８０℃に降温）され凝縮しやすくなる。その後、空気に含まれる水分は、空気排出経路２１に設けられたバイパス経路４０から、高圧状態となった空気が導入されることにより加圧され、燃料電池１から排出される空気に含まれる水分の体積が減少することにより、水分は凝縮し液滴となる。
【００４２】
以上のように、空気供給経路２０に設けられた空気供給装置２２から圧力を導入する加圧手段により、体格の大きな凝縮器および第１実施形態のように別途圧縮機２５を設ける必要がないため、酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮をさらに小型な構成で実現することができる。
【００４３】
また、燃料電池１に供給する水の回収状況にあわせて、供給される空気を圧送する圧縮機である空気供給装置２２の駆動を制御することができる。
【００４４】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、気液分離器２６により分離された水を燃料電池１に供給し潜熱冷却を行ったが、これに限らず、気液分離器２６により分離された水を燃料電池１の電解質膜を加湿するために利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】上記第１実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。
【図２】上記第２実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…燃料電池、１０…水素供給経路、１１…水素排出経路、１２…水素供給装置、１３…水素循環ポンプ、２０…空気供給経路、２１…空気排出経路、２２…空気供給装置、２３…背圧調整装置、２４…熱交換器、２５…圧縮機、２６…気液分離器、２７…膨張弁、２８…水回収タンク、３０…水供給配管、３１…水供給ポンプ、４０…バイパス経路、４１…減圧弁。
【図１】
2008130236.tif 000003
【図２】
2008130236.tif 000004