(57)【要約】【課題】シール性、対防爆性等を回避できる水素循環装置を提供する。また、気液分離器を省略可能な水素循環装置を提供する。さらに、水が凍結することによる機能不全を解決できる水素循環装置を提供する。【解決手段】液体を貯蔵するとともに、上部に水素を排出する水素排出口５０が設けられた容器４１と、容器４１に液体を循環させるための循環経路４２と、循環経路４２に液体を循環させる循環ポンプ４３と、液体を駆動源として水素を吸引する水素吸引ポンプ４４とを設け、水素を液体とともに容器４１内に引き込んだ後、水素排出口５０から排出することで水素を循環させる。水素が水を含んでいる場合には、水素と水とオイルはそれぞれの比重により容器４１内で分離される。液体は、水に溶解しないものであって、０℃以下において流動性を有しているものを用いる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を貯蔵するとともに、上部に水素を排出する水素排出口（５０）が設けられた容器（４１）と、
前記容器に前記液体を循環させるための循環経路（４２）と、
前記循環経路に設けられ、前記循環経路に前記液体を循環させる循環ポンプ（４３）と、
前記循環経路における前記循環ポンプの下流側に設けられ、前記液体を駆動源として水素を吸引する水素吸引ポンプ（４４）とを備え、
水素を前記液体とともに前記容器内に引き込んだ後、前記水素排出口から排出することで水素を循環させることを特徴とする水素循環装置。
【請求項２】
前記容器に引き込まれる水素は水を含んでおり、水素と水と前記液体はそれぞれの比重により前記容器内で分離されることを特徴とする請求項１に記載の水素循環装置。
【請求項３】
前記液体は水に溶解しないものであることを特徴とする請求項１または２に記載の水素循環装置。
【請求項４】
前記液体は０℃以下において流動性を有しているものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の水素循環装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスを循環させる水素循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池システムの水素供給系は水素を効率的に利用するために、燃料電池より排出される未反応水素を含むオフガスを水素ポンプにより燃料電池に再循環させる水素循環系を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２４６０５９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら燃料電池の水素出口からは、水素以外に空気側から拡散してきた水が排出される。このため、水素循環系には気液分離器を別途設ける必要があった。ところが気液分離器を設けても、水の一部は水素ポンプ内部に侵入する。そして、燃料電池システムが停止中に外気温が０℃以下となると水素ポンプ内に残留している水が凍結し、水素ポンプが作動できなくなるいう問題があった。
【０００５】
また、水素ポンプ内を水素が流通するためにポンプのシール性や対防爆性等を考慮する必要がある。このため、大型で重く、高価な水素ポンプが使用されていた。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、水素のシール性、対防爆性等の問題を回避できる水素循環装置を提供することを目的とする。また、気液分離器を省略可能な水素循環装置を提供することを他の目的とする。さらに、水が凍結することによる機能不全を解決できる水素循環装置を提供することを他の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、液体を貯蔵するとともに、上部に水素を排出する水素排出口（５０）が設けられた容器（４１）と、容器に液体を循環させるための循環経路（４２）と、循環経路に設けられ、循環経路に液体を循環させる循環ポンプ（４３）と、循環経路における循環ポンプの下流側に設けられ、液体を駆動源として水素を吸引する水素吸引ポンプ（４４）とを備え、水素を液体とともに容器内に引き込んだ後、水素排出口から排出することで水素を循環させることを特徴としている。
【０００８】
これにより、液体を循環させる循環ポンプ（４３）と液体を流すことで水素を吸引する水素吸引ポンプ（４４）を組み合わせることで循環ポンプ（４３）が水素に直接触れることがないため、水素のシール性や対防爆性の問題を回避できる。さらに、循環ポンプ（４３）が水素に直接触れないので、水素脆化することも防止できる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、容器に引き込まれる水素は水を含んでおり、水素と水と液体はそれぞれの比重により容器内で分離されることを特徴としている。これにより、液体を貯蔵する容器（４１）を気液分路器として用いることができるので、水素から水を分離する気液分離器を別途設ける必要がない。この液体は水と比重が異なるものである必要があるが、水より比重が重いものでもよく、水より比重が軽いものでもよい。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、液体は水に溶解しないものであることを特徴としている。これにより、液体と水を容易に分離することができる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明では、液体は０℃以下において流動性を有しているものであることを特徴としている。これにより、低温環境下でも水素を循環させることができ、水の凍結による機能不全を防止することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の水素循環装置を燃料電池システムに適用した第１実施形態について図１に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、本第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。図１に示すように、燃料電池システムは燃料電池１０を備えている。燃料電池（ＦＣスタック）１０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ものである。本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、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】
燃料電池１０には、図示しない空気供給装置より空気供給経路２０を介して酸素を含んだ空気が供給される。空気供給装置としては、例えば断熱圧縮機であるエアコンプレッサを用いることができる。電気化学反応に用いられなかった未反応酸素を含む空気排ガスは空気排出経路２１より排出される。
【００１６】
燃料電池１０には、図示しない水素供給装置より水素供給経路３０を介して水素が供給される。水素供給装置１２としては、例えば改質装置あるいは水素貯蔵タンクを用いることができる。電気化学反応に用いられなかった未反応水素を含む水素排ガスは水素循環経路３１、３２を介して水素供給経路３０に戻され、燃料電池１０に再循環される。水素循環経路３１からは、水素以外に空気側から拡散してきた水が排出される。
【００１７】
水素循環経路３１、３２の経路中には、水素排ガスを循環させるための水素循環装置４０が設けられている。本第１実施形態の水素循環装置４０は、液体を流すことにより気体を吸引し循環させるものである。水素循環装置４０は、水素循環用のオイルが蓄えられたオイル容器４１を備えている。水素循環用オイルとしては、燃料電池１０の汚染物質とならないこと、燃料電池１０の低温起動のために流動点が充分に低温（例えば−４０℃）であること、オイル容器４１から拡散しないように蒸気圧が低いこと、水と分離する必要性から水に溶解しないものが望ましい。本第１実施形態では、水素循環用オイルとしてフッ素化合物オイルを用いている。本第１実施形態では水より比重の重いオイルを使用している。
【００１８】
オイル容器４１には、オイル循環経路４２を介してオイルが循環するように構成されている。オイル循環経路４２の両端部は、オイル容器４２内のオイルまで到達するように配置されている。オイル循環経路４２には、オイルを循環させためのオイル循環ポンプ４３が設けられている。さらに、オイル循環経路４２におけるオイル循環ポンプ４３の下流側には、液体を駆動源として水素を吸引する水素吸引ポンプ４４が設けられている。本第１実施形態では、水素吸引ポンプ４４としてベンチュリーポンプが用いられている。水素吸引ポンプ４４には第１水素循環経路３１が接続されており、オイルの流体エネルギにより負圧を発生させ、水を含んで燃料電池１０から排出される水素排ガスを吸引するように構成されている。
【００１９】
水を含む水素排ガスは、オイルとともにオイル容器４１内に引き込まれ、オイル容器４１内でそれぞれの比重により下からオイル４１ａ、水４１ｂ、水素４１ｃの順に分離される。水４１ｂはオイル容器４１内に蓄えられる。オイル容器４１には水４１ｂを排出するためのドレインバルブ４５が設けられている。オイル容器４１には、水面の高さを検出するためのレベルセンサ４６、４７と、ドレインバルブ４５を開閉制御するための制御回路４８が設けられている。水面が上側レベルセンサ４６の位置に達した場合にはドレインバルブ４５を開いて水４１ｂを排出し、水面が下側レベルセンサ４７の位置に達した場合にはドレインバルブ４５を閉じる。オイル容器４１には、低温時にオイル４１ａを加熱するための電気ヒータ４９が設けられている。
【００２０】
オイル容器４１の上部には、オイル容器４１内で分離された水素を排出する水素排出口５０が設けられており、水素排出口５０には第２水素循環経路３２が接続されている。オイル容器４１内で分離された水素は、水素排出口５０から排出され、第２水素循環経路３２を介して水素供給経路３０に流れ込む。上述のようにオイルは低蒸気圧のものを使用するが、飛沫や表面拡散により水素供給系の配管３０に徐々に侵入していく可能性がある。このため、オイル容器４１の下流側の第２水素循環経路３２にオイルを捕捉するためのオイルトラップ５１が設けられている。
【００２１】
以下、上記構成の燃料電池システムの作動について説明する。
【００２２】
まず、定常運転について説明する。図示しない空気供給装置および水素供給装置から燃料電池１０に空気および水素が供給される。これにより、燃料電池１０では発電が行われる。未反応酸素を含む空気排ガスは空気排出通路２１より外部に排出され、未反応水素および水を含む水素排ガスは、第１水素循環経路３１より排出される。
【００２３】
水素循環装置４０では、オイル循環ポンプ４３によりオイルがオイル循環経路４２を循環しており、水素排ガスは水素吸引ポンプ４４にてオイル容器４１内に吸引される。水を含む水素排ガスは、オイル容器４１内でオイル４１ａ、水４１ｂ、水素４１ｃに分離される。オイル容器４１に蓄えられた水４１ｂが所定量を超えるとドレインバルブ４５が開放され、水４１ｂがオイル容器４１外に排出される。
【００２４】
オイル容器４１内で分離された水素４１ｃは、オイルトラップ５１を介して水素供給経路３０に送り込まれ、水素供給装置より供給される水素とともに燃料電池１０に供給される。
【００２５】
次に、低温起動時について説明する。０℃以下の低温起動時には、オイル容器４１内でオイル４１ａ上部に蓄えられた水４１ｂが凍結するが、流動点の低いオイル４１ａを使用しているため、オイル４１ａ自身は凍結しない。このため、起動直後から水素を燃料電池１０に循環させることが可能となる。また、低温時には、オイル容器４１内に吸引された水が再凍結し、氷の粒子として蓄えられる。従って、必要に応じて電気ヒータ４９でオイル４１ａを加熱し、水が凍結しないようにする。
【００２６】
以上のように、液体を循環させる循環ポンプ４３と液体を流すことで水素を吸引する水素吸引ポンプ４４を組み合わせることで循環ポンプ４３が水素に直接触れることがないため、循環ポンプ４３のシール性や対防爆性を従来のポンプ並に簡略化もしくは省略することができる。さらに、循環ポンプ４３が水素脆化することも防止できる。
【００２７】
また、循環させるオイルとして充分に流動点の低いものを用いることで、低温環境下でも水素を循環させることができ、水の凍結による機能不全を防止することができる。さらに、オイル容器４１内にて水素、水、オイルをそれぞれの比重を利用して分離することで、水素から水分を分離するための気液分離器を別途設ける必要がない。
【００２８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２、図３に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較してオイル容器４１の構成が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【００２９】
図２は、本第２実施形態の水素循環装置４０の構成を示す概略図である。図２に示すように、水素循環装置４０のオイル容器４１には、水４１ｂが蓄えられる位置に仕切板５２が設けられている。仕切板５２は水面に対して傾斜して配置されている。オイル容器４１における水４１ｂが蓄えられる位置の内壁には、撥水処理が施されている。
【００３０】
本第２実施形態では、オイル容器４１内における仕切板４１と水面とが鋭角をなす側（図２中の右側）にオイル循環経路４２を介してオイルが流入する。図２に示すように、オイル容器４１内にオイルを流入させるためのオイル循環経路４２のオイル排出口は、先端が水４１ｂの方に向かって曲げられている。これにより、オイル容器４１に流入するオイルは水４１ｂに向かって流れる。
【００３１】
図３は、オイル容器４１内における水面とオイル面の拡大断面図である。図３に示すように、水４１ｂが凍結して氷の膜が形成されている場合でも、オイル循環経路４２から流れ出るオイル４１ａの圧力により氷４１ｂが持ち上がり、仕切板５２との接触部分が開く。これにより、水素がオイル容器４１内の上部に移動することができる。また、オイル容器４１の内壁に施された撥水処理が氷４１ｂが移動するのを助けるため、氷４１ｂと仕切板５２との接触部分が開きやすくなっている。以上の構成により、低温環境下で水４１ｂが凍結しても水素を循環させることができる。
【００３２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に比較してオイル容器４１の構成が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図４は、本第３実施形態のオイル容器４１の構成を示す概略図である。図４に示すように、本第３実施形態のオイル容器４１には、水４１ｂが蓄えられる位置の外部にサイフォン５３が設けられている。オイル容器４１内に蓄えられた水４１ｂが所定高さを超えた場合は、サイフォン５３を介して外部に排出される。排出された水は排水容器５４に一旦に貯蔵され、バルブ５５にて適宜排水される。このとき、常に排水容器５４に一定量の水を貯蔵しておけば、サイフォン５３、排水容器５４を介して水素が外部に流出することを防止できる。
【００３４】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、水素循環用オイルとして比重が水より重いオイルを用いたが、これに限らず、比重が水より軽いオイルを用いてもよい。この場合は、分離された水はオイル容器４１内の下方に蓄えられるので、ドレインバルブ４５をオイル容器４１の下方に設ければよい。
【００３５】
また、オイル容器４１内で水とオイルの微粒混合を抑制し、水とオイルの分離を促進するために、必要に応じて水とオイルとの界面に分離用シートを設けてもよい。分離用シートとしては、比重がオイルと水の中間であって、親水性もしくは親オイル性の多孔質もしくは繊維状の材質が好ましく、例えば炭素繊維シートを用いることができる。
【００３６】
また、上記第３実施形態では、オイル容器４１から排出された水を一旦貯蔵しておくために排水容器５４を設けたが、図１で示した上記第１実施形態におけるドレインバルブ４５の先に同様の排水容器５４を設けてもよい。
【００３７】
さらには、オイル循環ポンプ４３の停止時にオイルの逆流による水素吸引ポンプ４４からの水素の流入を防止するために逆止弁を、オイル循環ポンプ４３と水素吸引ポンプ４４の中間、もしくはオイル循環ポンプ４３の入口部に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図２】第２実施形態のオイル容器の概念図である。
【図３】図２のオイル容器内における水面とオイル面の拡大断面図である。
【図４】第３実施形態のオイル容器の概念図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、３０…水素供給経路、３１、３２…水素循環経路、４０…水素循環装置、４１…オイル容器、４２…オイル循環経路、４３…オイル循環ポンプ、４４…水素吸引ポンプ、４５…ドレインバルブ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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