(57)【要約】【課題】燃料ガス分離装置を備えた燃料電池システムにおいて、燃料ガス分離効率を向上させる。【解決手段】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池２を備えた燃料電池システム１において、燃料電池２から排出された燃料オフガスを冷却するラジエータ（水分除去装置）２９と、該ラジエータ２９において冷却された燃料オフガスから燃料ガスを分離する水素分離器（燃料ガス分離装置）３５とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスから水分を除去する水分除去装置と、
前記水分除去装置によって水分を除去された燃料オフガスから燃料ガスを分離する燃料ガス分離装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記水分除去装置は、燃料オフガスを冷却することにより、該燃料オフガスに含まれる水分を結露させて除去する、請求項１に記載の水分除去装置。
【請求項３】
前記水分除去装置は、前記燃料電池に供給される燃料ガスと熱交換させることにより、燃料オフガスを冷却する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池に供給される燃料ガスを減圧するとともに冷却するエジェクタをさらに備え、
前記エジェクタを通過することにより冷却された燃料ガスが前記水分除去装置に導かれる、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記エジェクタが、前記燃料ガス分離装置によって分離された燃料ガスを吸引する、請求項４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、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、燃料電池から排出された燃料オフガスから燃料ガスを分離する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（燃料電池）は、アノードに対して燃料ガス（例えば水素ガス）の供給を受け、カソードに対して酸化ガス（例えば酸素を含む空気）の供給を受けることにより電力を発生する。燃料電池で使用されたガスは、燃料オフガスとして燃料電池の外部に排出され、燃料電池で使用されたガスは、酸化オフガスとして燃料電池の外部に排出される。しかし、燃料オフガスには、燃料電池で消費されずに余った燃料ガスが残留しているため、これを燃料電池の燃料ガス供給側に還流させることによって燃費の改善を図ることが可能となる。
【０００３】
燃料オフガスが燃料電池を循環する構成とした場合、燃料電池の運転を継続している間に、カソード側から透過してきた窒素（Ｎ2）がアノード側に蓄積し、電気化学反応を阻害して燃料電池セルの出力を低下させてしまう。そのため、現状では、窒素濃度が高くなった燃料オフガスを定期的に外部に放出（排出）することにより、燃料電池の出力の低下を防止している。
【０００４】
ところが、この外部に放出されるガスにも燃料ガス（水素ガス）が含まれているため、燃費改善のため、燃料オフガス循環系に水素分離膜を設け、燃料オフガスから燃料ガスを分離して回収し、再利用することが提案されている。
【特許文献１】特開２００５−３２２４２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このようなシステムを実用化するためには、燃費向上のために燃料ガス分離効率を上げることが重要な課題となっており、さらなる技術開発が望まれている。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガス分離装置を備えた燃料電池システムにおいて、燃料ガス分離効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明者は、水素分離膜を備えた燃料電池システムにおいて、水素分離効率を低下させる要因について鋭意検討を重ねた。その結果、循環ガス中の水分が大きな阻害要因となり、分離効率が著しく低下することがわかった。その原因は、水素ガスを選択的に透過させることにより分離する高分子水素分離膜の微細孔が、水分によって塞がれるためと考えられる。そこで、本願発明者は、水分を除去した燃料オフガス（乾燥オフガス）、及び、水分を含んだままの燃料オフガス（加湿オフガス）から、高分子中空糸分離膜を用いて水素ガスを分離する実験を行った。その結果を図７に示す。図７において、曲線（１）は乾燥オフガスから分離された水素ガス（Ｈ2）の量を示しており、曲線（２）は加湿オフガスから分離された水素ガスの量を示している。この結果より、加湿オフガスからはあまり水素ガスを分離できないのに対して、乾燥オフガスからは、加湿オフガスの約８倍（圧力が１００ｋＰａの場合）〜約１１倍（同３００ｋＰａの場合）もの水素ガスを分離できることが明らかになった。また、乾燥オフガスの場合でも、圧力を高くするほど、より効率良く水素ガスを分離できることが明らかになった。
【０００８】
そこで、上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出された燃料オフガスから水分を除去する水分除去装置と、該水分除去装置によって水分を除去された前記燃料オフガスから燃料ガスを分離する燃料ガス分離装置とを備える。
【０００９】
本構成によれば、燃料オフガス中に含まれる水分が水分除去装置にて除去されるため、水分による燃料ガス分離装置の燃料ガス分離効果の低減が抑制される。燃料ガス分離装置としては、中空糸等の分離膜が使用される。
【００１０】
水分除去装置にて水分を除去する手段としては、燃料オフガスを冷却することにより、該燃料オフガスに含まれる水分を結露させて除去してもよい。その際には、前記燃料電池に供給される燃料ガスと熱交換させることにより、燃料オフガスを冷却してもよい。
【００１１】
本構成は、燃料電池に供給される燃料ガスを用いることにより、水分除去装置において燃料オフガスを冷却するので、冷却装置の追加等、大幅な構成変更を行なうことなく、水分除去装置の水分除去効率を向上させることができる。
【００１２】
前記燃料電池に供給される燃料ガスを減圧するとともに冷却するエジェクタをさらに備え、該エジェクタを通過することにより冷却された燃料ガスを前記水分除去装置に導いてもよい。
【００１３】
本構成は、エジェクタを使用することにより、燃料ガスの温度を低下させるので、水分除去装置の水分除去効率がさらに向上する。
【００１４】
さらに、前記エジェクタが、前記燃料ガス分離装置によって分離された燃料ガスを吸引するようにしてもよい。
【００１５】
本構成によれば、燃料ガスがエジェクタを通過する際に発生した負圧により、燃料ガス分離装置により分離された燃料ガスがエジェクタに吸引される。その際に、燃料ガス分離装置の分離燃料ガス側が減圧されるため、燃料ガス分離装置の分離効率が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本構成によれば、燃料オフガス中に含まれる水分が水分除去装置にて除去されるため、水分に起因する燃料ガス分離装置の燃料ガス分離効果の低減を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができるが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１８】
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１を示しており、図２は燃料電池システム１の一部を拡大して示している。燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスを燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、燃料電池システム１の電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７とを備えている。以下においては、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化ガスとして空気を用いる場合について説明する。
【００１９】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。
【００２０】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２とを有している。供給路１１の下流端は酸化ガス流路２ａの上流端に連通し、排出路１２の上流端は酸化ガス流路２ａの下流端に連通している。また、酸化オフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００２１】
供給路１１には、エアクリーナ１３を介して酸化ガス（外気）を取り込むコンプレッサ１４（圧縮機）と、コンプレッサ１４によって燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５とが設けられている。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。
【００２２】
燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された調圧弁１６によって調圧される。調圧弁１６は、例えばステップモータで駆動する弁であり、制御部７に電気的に接続されている。調圧弁１６の弁開度は、制御部７によって、全開、半開及び全閉を含む任意の範囲で調整可能に構成されている。酸化オフガスは、調圧弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００２３】
燃料ガス配管系４は、燃料ガス供給源（高圧ガスタンク）２１と、燃料ガス供給源２１から燃料電池２に供給される燃料ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された燃料オフガスを供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３を通る燃料オフガスを冷却して水分を除去するラジエータ（水分除去装置）２９と、循環路２３内の燃料オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、ポンプ２４下流側で循環路２３から分岐すると共に、供給路１１に再び合流する水素分離流路３４と、水素分離流路３４に設けられ、燃料オフガスから水素ガスを分離する水素分離器（燃料ガス分離装置）３５と、水素分離流路３４を供給路２２に合流させるエジェクタ３６と、水素分離流路３４からオフガス（主に窒素ガス）を排出するパージ路２５とを有している。パージ路２５には、オフガスを外部に排出するためのパージ弁３３が設けられている。
【００２４】
図３（ａ）に水素分離器３５の詳細を示す。水素分離器３５は、高分子水素分離膜として中空糸フィルタ３８を備えており、ケーシングの一端に設けられた導入口３７から導入された燃料オフガス（主に水素ガスと窒素ガスの混合気）から水素ガスを分離し、循環ガス吐出口３９から水素ガスを吐出する。図３（ｂ）に示すように、水素ガスは、中空糸フィルタ３８を構成する中空糸３８ａを透過し、その内側を通って循環ガス吐出口３９に導かれる。一方、窒素ガスは中空糸３８ａを透過しないで、中空糸フィルタ３８の上流側に設けられた窒素吐出口４０から吐出される。この窒素吐出口４０は、パージ路２５に接続している。
【００２５】
図２に示すように、水素分離器３５の導入口３７の上流側には、圧力緩衝用の循環ガスリザーブタンク４９が設けられている。一方、水素分離器３５の循環ガス吐出口３９の下流側には、圧力緩衝用の分離水素リザーブタンク４８が設けられている。
エジェクタ３６は、燃料ガス供給源２１から供給される燃料ガスの負圧により、水素分離器３５で分離された水素ガス（燃料ガス）を吸引する装置である。
【００２６】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５とを有している。冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００２７】
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１と、バッテリ６２と、トラクションインバータ６３と、トラクションモータ６４と、各種の補機インバータ６５，６６，６７とを備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能とを有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００２８】
トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４（動力発生装置）は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の車輪１０１Ｌ及び１０１Ｒに連結されており、車両１００の主動力源を構成している。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータ１４ａ、２４ａ、４２ａの駆動を制御する。
【００２９】
制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００３０】
制御部７は、ガス配管系３及び４や冷媒配管系５に用いられる圧力センサ及び温度センサ、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ等の各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素（コンプレッサ１４、調圧弁１６等）に制御信号を出力する。
【００３１】
このように構成された燃料電池システムにおける水素循環経路は以下のようになる。
元弁２６を開くことで燃料ガス供給源２１から供給路２２に流出した燃料ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された燃料ガスは、燃料電池２にて電気化学反応に用いられ、燃料オフガスとして循環路２３に排出される。
【００３２】
燃料オフガスには、電気化学反応により生成された水分や、窒素ガスや、燃料電池２において消費されなかった水素ガスが混在している。燃料オフガスはポンプ２４により循環路２３を循環し、その過程においてラジエータ２９を通過する。その際に、燃料オフガスが冷却され、水分が結露する。結露した水分は、ドレイン２９ａから外部に排出される。
【００３３】
水分が除去された後、燃料オフガスの一部が水素分離流路３４に流入する。ここで水素分離器３５によって燃料オフガスから水素ガスが分離され、分離水素リザーブタンク４８に溜められる。なお、ポンプ２４によって燃料オフガスの圧力が高められることにより、水素分離器３５における水素分離効果が向上する。分離水素リザーブタンク４８内の水素ガスは、エジェクタ３６により供給路２２側に吸引され、燃料ガスとして再利用される。一方、残りの燃料オフガス（主に窒素ガス）は、循環ガスリザーブタンク４９に留まり、パージ弁３３を開弁することによりパージ路２５から外部に排出される。
【００３４】
このように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料オフガス中に含まれる水分がラジエータ２９にて除去されるため、水素分離器３５が有する中空糸フィルタ３８の水素分離効果が水分によって阻害されるのを抑制できる。したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、高い水素分離効果を得ることができる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、エジェクタ３６を設けることにより、水素分離器３５側が減圧されるので、それにより水素分離効果を高めることができる。さらに、水素分離器３５は、循環路２３及び供給路２２と並列に設けられているので、圧力損失の低下を抑えることができ、発電性能を低下させることはない。
【００３６】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの要部である燃料ガス配管系を示している。なお、その他の構成は図１と同様であるため、以下においては本実施形態に特徴的な構成のみについて示す。また、同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
【００３７】
本実施形態における燃料ガス配管系４Ｂは、燃料ガス供給源２１と、燃料ガス供給源２１から燃料電池２に供給される燃料ガスが流れる供給路７０と、燃料電池２から排出された燃料オフガスを供給路７０の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３を通る燃料オフガスを冷却して水分を除去するラジエータ（水分除去装置）７２と、循環路２３内の燃料オフガスを供給路７０に圧送するポンプ２４と、ポンプ２４下流側で循環路２３から分岐すると共に、供給路７０に再び合流する水素分離流路３４と、水素分離流路３４に設けられ、燃料オフガスから水素ガスを分離する水素分離器３５と、水素分離流路３４を供給路２２に合流させるエジェクタ７１と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５とを有している。パージ路２５には、オフガスを外部に排出するためのパージ弁３３が設けられている。
【００３８】
供給路７０は、合流点Ａよりも上流側においてラジエータ７２を通過する経路を有し、ラジエータ７２の内部にて供給路７０内の燃料ガスと循環路２３内の燃料オフガスとの間で熱交換が行なわれる構成となっている。例えば、ラジエータ７２を通過する循環路２３に対して供給路７０内の燃料ガスが吹き付けられるような構成とする。
【００３９】
水素分離器３５の導入口３７（図３参照）の上流側には、圧力緩衝用の循環ガスリザーブタンク４９が設けられており、水素分離器３５の循環ガス吐出口３９（図３参照）の下流側には、圧力緩衝用の分離水素リザーブタンク４８が設けられている。
【００４０】
エジェクタ７１は、燃料ガス供給源２１から供給される燃料ガスの負圧により、水素分離器３５で分離された水素ガスを吸引する装置である。図５の概略図に示すように、燃料ガスがエジェクタ７１を通過する際に、減圧効果と共に燃料ガスが冷却される。この際の負圧により、水素分離器３５から水素ガスが吸引される。
【００４１】
このように構成された燃料電池システムにおける水素循環経路は以下のようになる。
元弁２６を開くことで燃料ガス供給源２１から供給路７０に流出した燃料ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、エジェクタ７１を通過し、その際に、減圧及び冷却される。そして、冷却された燃料ガスは、ラジエータ７２内に流入し、循環路２３を通過する燃料オフガスを熱交換により冷却する。さらに、燃料ガスは、燃料電池２にて電気化学反応に用いられ、燃料オフガスとして循環路２３に排出される。
【００４２】
燃料オフガスには、電気化学反応により生成された水分や、窒素ガスや、燃料電池２において消費されなかった水素ガスが混在している。燃料オフガスはポンプ２４により循環路２３を循環し、その過程においてラジエータ７２を通過する。その際に、燃料オフガスは、供給路７０を通過する燃料ガスによって冷却され、そこに含まれる水分が結露する。結露した水分はドレイン７２ａから外部に排出される。
【００４３】
水分が除去された後、燃料オフガスの一部が水素分離流路３４に流入する。ここで水素分離器３５によって燃料オフガスから水素ガスが分離され、分離水素リザーブタンク４８に溜められる。なお、ポンプ２４により燃料オフガスの圧力が高められることにより、水素分離器３５における水素分離効果が向上する。分離水素リザーブタンク４８内の水素ガスは、エジェクタ７１より供給路７０側に吸引され、燃料ガスとして再利用される。一方、残りの燃料オフガス（主に窒素ガス）は、循環ガスリザーブタンク４９に留まり、パージ弁３３を開弁することによりパージ路２５から外部に排出される。
【００４４】
このように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料オフガス中に含まれる水分がラジエータ７２にて除去されるため、水素分離器３５が有する中空糸フィルタ３８の水素分離効果が水分によって阻害されるのを抑制できる。したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、高い水素分離効果を得ることができる。
【００４５】
また、エジェクタ７１を設け、その水素分離器３５側を減圧して水素ガスを吸引することにより、水素分離効果を高めることができる。さらに、エジェクタ７１において燃料ガスを冷却し、その燃料ガスを用いて燃料オフガスを冷却するので、冷却装置の追加等、大幅な構成変更を行なうことなく、ラジエータ７２による冷却効率を向上させ、燃料オフガスから水分を効率的に除去することができる。加えて、水素分離器３５は循環路２３及び供給路７０と並列に設けられているので、圧力損失の低下を抑えることができ、発電性能を低下させることはない。
【００４６】
図６は、本実施形態に係る燃料電池システムの変形例の要部である燃料ガス配管系を示している。図６に示すように、ラジエータ７２の上流側に、スワールを利用した気液分離器８０を併設してもよい。それにより、水分の分離性能をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】同燃料電池システムの一部を拡大して示す図である。
【図３】同燃料電池システムにおいて用いられる水素分離器の構造を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す図である。
【図５】同燃料電池システムにおいて用いられるエジェクタを示す概略図である。
【図６】同燃料電池システムの変形例を示す図である。
【図７】高分子中空糸分離膜による水素ガス分離実験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
２…燃料電池、２９、７２…ラジエータ（水分除去装置）、３５…水素分離器（燃料ガス分離装置）、３６、７１…エジェクタ
【図１】
2008235132.tif 000003
【図２】
2008235132.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008235132.tif 000007
【図６】
2008235132.tif 000008
【図７】
2008235132.tif 000009