(57)【要約】【課題】  オフガスから分離した水を蓄える回収タンクの、効率的な水の回収が可能な、燃料電池システムの提供。【解決手段】（１）燃料電池のオフガスから分離した水を蓄える回収タンク１を備えた燃料電池システムにおいて、回収タンク１内に水滴除去部２を設けた燃料電池システム。（２）回収タンクに設けた空気抜き部３の断面積を、回収タンクに設けた水供給部４の断面積よりも大きくした。（３）回収タンク１を複数設け、該複数の回収タンクを連通部８にて互いに連通させた。（４）各回収タンク１に、連通部８を複数設け、該複数の連通部の高さ位置を互いに異ならせた。（５）回収タンク１は、開閉が制御可能な弁を備えた、ドレン用のポートを有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のオフガスから分離した水を蓄える回収タンクを備えた燃料電池システムにおいて、前記回収タンクに、オフガスから分離した水とオフガスの混合体を前記回収タンクに供給する水供給部と前記回収タンクからオフガスを抜く空気抜き部を設け、前記回収タンク内に、前記回収タンクに供給された水とオフガスの混合体から水滴を除去する水滴除去部を設けた燃料電池システム。
【請求項２】
前記水滴除去部を、互いに並列にかつ互いに隔てて設けられた、複数の孔あき板部材から構成した請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記回収タンクに設けた空気抜き部の断面積を、前記回収タンクに設けた水供給部の断面積よりも大きくした請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記回収タンクを複数設け、該複数の回収タンクを連通部にて互いに連通させた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記複数の回収タンクの各回収タンクに、前記連通部を複数設け、該複数の連通部の水位に対する高さ位置を互いに異ならせた請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記回収タンクは、開閉が制御可能な弁を備えた、ドレン用のポートを有する請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池のガス排出システム（装置）に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねた単セルを１層以上重ねてモジュールとし、モジュールを積層して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【０００３】
カソード側で生成された水は一部は膜を通して燃料ガス側に移行するが、残部は酸化ガスのオフガスとともに燃料電池から流出する。膜を通して燃料ガス側に移行した水分は燃料ガスのオフガスとともに燃料電池から流出する。
通常、オフガス中の水はオフガスから分離・回収せずに大気放出される。しかし、車両搭載燃料電池では、車両走行中に排出した水が、後続車両に飛水、付着したり、タイヤに飛水してスリップの原因になったり、冬季には路面凍結の原因になったりするので、気液分離器で水をオフガスから分離して回収タンクに一時蓄え、問題が生じない場所（たとえば、燃料ガス充填ステーション）、問題が生じないタイミングで、ドレンさせたり、あるいは、回収水を供給ガス加湿に再利用することが望まれる。
特開２００２−１４１０８８号公報は、オフガスから分離した水を回収タンクに蓄え、供給ガス加湿に再利用する燃料電池システムを開示している。
【０００４】
しかし、特開２００２−１４１０８８号公報は、オフガスシステムに単に回収タンクを設けることしか開示しておらず、単に回収タンクを設けた場合は、オフガスから分離した水を蓄える回収タンクの効率的な水の回収が困難であり、その結果、回収タンクが大型化し、車両搭載用回収タンクとしては適さなくなる。
気液分離器から回収タンクに回収された水の中にはガス成分が混在しているため、回収タンクに水だけでなく、ガス成分が混入することによって、水の貯蔵体積が減少する可能性がある。したがって、有効な水貯留体積が減少する意味で回収タンクによる水回収が効率的でない。
【特許文献１】特開２００２−１４１０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする問題点は、従来の燃料電池システムでは、オフガスから分離した水を蓄える回収タンクの効率的な水の回収が困難という問題である。
本発明の目的は、オフガスから分離した水を蓄える回収タンクの、効率的な水の回収が可能な、燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）  燃料電池のオフガスから分離した水を蓄える回収タンクを備えた燃料電池システムにおいて、前記回収タンクに、オフガスから分離した水とオフガスの混合体を前記回収タンクに供給する水供給部と前記回収タンクからオフガスを抜く空気抜き部を設け、前記回収タンク内に、前記回収タンクに供給された水とオフガスの混合体から水滴を除去する水滴除去部を設けた燃料電池システム。
（２）  前記水滴除去部を、互いに並列にかつ互いに隔てて設けられた、複数の孔あき板部材から構成した（１）記載の燃料電池システム。
（３）  前記回収タンクに設けた空気抜き部の断面積を、前記回収タンクに設けた水供給部の断面積よりも大きくした（１）記載の燃料電池システム。
（４）  前記回収タンクを複数設け、該複数の回収タンクを連通部にて互いに連通させた（１）記載の燃料電池システム。
（５）  前記複数の回収タンクの各回収タンクに、前記連通部を複数設け、該複数の連通部の（水位に対する）高さ位置を互いに異ならせた（４）記載の燃料電池システム。
（６）  前記回収タンクは、開閉が制御可能な弁を備えた、ドレン用のポートを有する（１）記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）の燃料電池システムによれば、回収タンク内に水滴除去部を設けたので、回収タンクに供給された水とオフガスの混合体から効果的に水滴を除去することができ、回収タンクに水を効果的に回収することができる。
上記（２）の燃料電池システムによれば、水滴除去部を、互いに並列にかつ互いに隔てて設けられた、複数の孔あき板部材（パンチングメタル）から構成したので、パンチングメタルの孔を通過する時の水滴と気体の流速差による気液分離作用と、１枚のパンチングメタルの孔を通過した気液混合体がつぎのパンチングメタルの壁に当たって液体が壁に付着することによる気液分離作用とが、両方得られ、効果的な気液分離と水回収が確保される。
上記（３）の燃料電池システムによれば、空気抜き部の断面積を、回収タンクへの水供給部の断面積よりも大きくしたので、空気抜き部での空気速度が低速となる。その結果、空気抜き部を通って抜ける空気による水の持ち去りが少なくなり、回収タンクでの水の回収がより一層効率的となる。
上記（４）の燃料電池システムによれば、回収タンクを複数設け、該複数の回収タンクを連通部にて互いに連通させたので、回収タンクの壁面積が大となり壁に付着して気液が分離し回収される水分が多くなること、および連通部を通過する時の水滴と気体の流速差により気液が分離し回収される水分が多くなること、によって、水の分離・回収がより一層効率的となる。
上記（５）の燃料電池システムによれば、各回収タンクに、連通部を複数設け該複数の連通部の高さ位置を互いに異ならせたので、回収タンク内の水位が上昇して一部の連通部が水で閉塞しても、それより上にある連通部が連通状態を維持でき、分離した気体の排出に支障がでず、良好な水分離・回収作用が維持される。
上記（６）の燃料電池システムによれば、回収タンクが、開閉が制御可能な弁を備えた、ドレン用のポートを有するので、回収タンクに回収し蓄えた水を、水を排出しても問題が生じない場所（たとえば、燃料ガス充填ステーション）で、問題が生じないタイミングにて、ドレンさせることができ、走行中の垂れ流しを回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池システム、および燃料電池システムのオフガス中の水分の回収タンクを、図１〜図８を参照して説明する。
本発明の燃料電池システムが適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００９】
図６〜図８に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側に、それぞれ、ガスを拡散する拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。
【００１１】
スタック２３には、セル積層方向に延びる、入側の燃料ガスマニホールド３０、出側の燃料ガスマニホールド３３、入側の酸化ガスマニホールド３１、出側の酸化ガスマニホールド３４、入側の冷媒マニホールド２９、出側の冷媒マニホールド３２が形成される。
燃料ガスは入側の燃料ガスマニホールド３０からセルの燃料ガス流路２７に流れて一部消費され、消費されなかった燃料ガスは燃料ガス流路２７から出側の燃料ガスマニホールド３３へと流れる。
酸化ガスは入側の酸化ガスマニホールド３１からセルの酸化ガス流路２８に流れて一部消費され、消費されなかった酸化ガスは酸化ガス流路２８から出側の酸化ガスマニホールド３４へと流れる。
冷媒（冷却水）は入側の冷媒マニホールド２９からセルの冷媒流路２６に流れ、冷媒流路２６から出側の冷媒マニホールド３２へと流れる。
【００１２】
図５は燃料電池のガス系（燃料ガス、酸化ガスの、ガス供給系、ガス排出系、ガス循環系を含む）および冷媒系の概略を示す。
燃料ガスは、燃料ガス源４２（たとえば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金タンク、等）から入側の燃料ガス配管３６を通して入側の燃料ガスマニホールド３０に供給され、出側の燃料ガスマニホールド３３から出側の燃料ガス配管３９に流れ、大部分が燃料ガス循環配管４１、循環ポンプ４３を介して入側の燃料ガス配管３６に循環され、残りは出側の燃料ガス配管３９から希釈器（コンバスタ）４７を通して大気に排出される。
酸化ガスは、コンプレッサ４４により大気から取り入れられ、エアクリーナ４５、加湿器４６等が設けられた、入側の酸化ガス配管３７を通して入側の燃料ガスマニホールド３１に供給され、出側の燃料ガスマニホールド３４から出側の酸化ガス配管４０に流れ、大気に排出される。燃料ガスの一部が希釈器（コンバスタ）４７を通して流れる時には酸化ガスの一部は希釈器（コンバスタ）４７を通して流れ、大気に排出される。
冷媒（冷却水）は、冷媒ポンプ５３から入側の冷媒配管３５を通して入側の冷媒マニホールド２９に供給され、出側の冷媒マニホールド３２から出側の冷媒配管３８に流れ、ラジエータ５４で冷却された後冷媒ポンプ５３へと循環する。
【００１３】
出側の燃料ガス配管３９は燃料ガスのオフガス系を構成し、出側の酸化ガス配管４０は酸化ガスのオフガス系を構成する。
出側の燃料ガス配管３９には希釈器４７の上流側に燃料ガス側気液分離器４８が設けられ、燃料オフガス（水素）中の水分が燃料オフガスから分離される。
出側の酸化ガス配管４０には希釈器４７の上流側に酸化ガス側気液分離器４９が設けられて、酸化オフガス中の水分が酸化オフガスから分離される。
【００１４】
図１〜図４に示すように、燃料電池のオフガス系には、燃料電池のオフガス（燃料オフガス、酸化オフガスを含む）から分離した水を蓄える回収タンク１が設けられる。
回収タンク１には、オフガスから分離した水とオフガスの混合体を回収タンク１に供給する水供給部４と、回収タンク１から空気（水滴を除去した酸化オフガス）を抜く空気抜き部３が設けられる。空気抜き部３は回収タンク１の上部に設けられる。
燃料ガス側気液分離器４８で分離された水は、燃料ガス側気液分離器４８の水排出側に設けられた弁５２が開の時に、水供給部４を通して回収タンク１に供給される。燃料ガスの場合は、水だけが回収タンク１に供給される。
酸化ガス側気液分離器４９で分離された水（水と酸化オフガスの混合体）は、水供給部４を通して回収タンク１に供給される。酸化ガスの場合は、水と酸化オフガスが回収タンク１に供給される。
また、回収タンク１内には、回収タンク１に供給された、水と気体（主に酸化オフガス）の混合体から水滴を除去する水滴除去部２が設けられる。水滴除去部２は、水供給部４部位かそれより下流に、かつ、空気抜き部３かそれより上流に配置される。
水滴除去部２は、回収タンク１内における気液分離器としての機能を有するとも解釈できる。
【００１５】
水滴除去部２は、１枚以上の、望ましくは複数の、パンチングメタル（孔あき板）６から構成されている。孔あき板６には複数の孔７があいている。孔あき板６が複数枚設けられる場合は、孔あき板６は、互いに並列にかつ互いに隔てて設けられる。そして、複数の孔あき板６の孔７は、互いに位置を孔あき板６の面内方向にずらしてあり、ひとつの孔あき板６の孔７を通過したガスがつぎの孔あき板６の孔７以外の壁に当たってガスに含まれる水滴がその壁面に付着するようにしてある。
水滴除去部２は、回収タンク１の壁、または回収タンク１内に設けられた仕切板５によって、支持されている。仕切板５を設ける場合は、回収タンク１からの水、オフガスの排出が仕切板５によって閉塞されないように、仕切板５の一端または両端と回収タンク１の壁との間にはスペース（タンク内連通部）９が設けられている。
【００１６】
空気抜き部３の断面積（通路断面積）は、回収タンク１への水供給部４の断面積（通路断面積）よりも十分に（たとえば、断面積にして２倍以上）大きくしてある。そのため、空気抜き部３を通過する時の酸化オフガスの速度は、水供給部４を通過する時の酸化オフガスと水の混合体の速度より低下している。空気抜き部３での流速を落とすのは、空気抜き部３から大気に排出されるエアが回収タンク１内の水滴を巻き込んで排出するのを防止するためである。
【００１７】
回収タンク１は複数設けられてもよい。回収タンク１が複数設けられる場合は、複数の回収タンク１は連通部８で互いに連通される。「複数設ける」の中には、単一のタンク内部を仕切って複数のチャンバとし、その仕切りにチャンバ間を連通する通路を設ける構成を含む。
回収タンク１が複数設けられる場合は、複数の回収タンク１は互いに直列接続されてもよいし、あるいは並列に接続さてもよし、直列と並列接続を組み合わせた接続としてもよい。
回収タンク１が複数設けられて互いに連通される場合は、水滴除去部２は、望ましくは、全ての回収タンク１内に設けられる。
【００１８】
回収タンク１が複数設けられて連通部８で互いに連通される場合は、複数の回収タンク１の各回収タンク１に、連通部８を複数設ける。各回収タンク１に設けた複数の連通部８の高さ位置は互いに異なっており、一つの連通部８が水面下になって閉塞しても、残りの連通部８は連通していて、回収タンク１間のオフガスの連通が確保されるようになっている。
【００１９】
回収タンク１は、開閉が制御可能な弁５１を備えた、ドレン用のポート５０を有する。車両走行中は弁５１が閉で水は排出されず水は回収タンク１には溜まっていくが、燃料ガス充填ステーションなど水を排出してもよい所に車両がある場合には弁５１が開となって回収タンク１内にある水を排出する。弁５１の開閉は運転者の判断で手動で行ってもよいし、あるいは、燃料ガス充填ポートにサービスステーションの燃料ガス供給ノズルを差し込んだ時に自動的に弁５１が開となるようにして、自動で行ってもよい。
【００２０】
つぎに、本発明の燃料電池システムの作用・効果を説明する。
燃料電池の運転中、カソード側で生成された水は一部は膜１１を通して燃料ガス側に移行するが、大部分である残部は、酸化ガスのオフガスとともに燃料電池から流出する。膜１１を通して燃料ガス側に移行した水分は燃料ガスのオフガスとともに燃料電池から流出する。
酸化オフガス中の水は気液分離器４９で酸化オフガスから分離され、酸化オフガスとともに水供給部４を通して回収タンク１に供給される。燃料ガス中の水は気液分離器４８で燃料オフガスから分離・回収され、水のみが水供給部４を通して回収タンク１に供給される。
酸化オフガス、酸化オフガスから分離された水、燃料オフガスから分離された水は、回収タンク１で、水滴除去部２で水滴が除去され、酸化オフガス（空気）は空気抜き部３から大気に放出される。水滴除去部２で回収されて回収タンク１内に溜まった水は、サービスステーション等、排出してよい場所とタイミングで、排出される。
【００２１】
本発明の燃料電池システムでは、回収タンク１内に水滴除去部２が設けられているので、回収タンク１に供給された水とオフガスの混合体から効果的に水滴を除去することができ、回収タンク１に水を効果的に回収することができる。水滴除去部２がなければ水がオフガスとともに空気抜き部３から出ていく量が増え、水の回収効率が低下する。
【００２２】
水滴除去部２が、互いに並列にかつ互いに隔てて設けられた、複数のパンチングメタル（孔あき板）６から構成されているので、パンチングメタルの孔８を通過する時の水滴と気体の流速差による気液分離作用と、１枚のパンチングメタルの孔を通過した気液混合体がつぎのパンチングメタルの壁に当たって液体が壁に付着することによる気液分離作用とが、両方得られ、回収タンク１内での効果的な気液分離と水回収が確保される。
【００２３】
空気抜き部３の断面積が回収タンク１への水供給部４の断面積よりも十分に大きくしてあるので、空気抜き部３での空気速度が低速となる。その結果、空気抜き部３を通って抜ける空気による水の持ち去りが少なくなり、回収タンク１での水の回収がより一層効率的となる。
【００２４】
回収タンク１が複数設けられる場合は、複数の回収タンク１を連通部８にて互いに連通させるので、回収タンク１が一つ設けられる場合に比べて、回収タンク１の壁面積が大となり、壁に付着して気液が分離し回収される水分が多くなること、および連通部８を通過する時の水滴と気体の流速差により気液が分離し回収される水分が多くなること、によって、回収タンク１での水の分離・回収がより一層効率的となる。
【００２５】
各回収タンク１に、連通部８を複数設け該複数の連通部８の高さ位置を互いに異ならせたので、回収タンク１内の水位が上昇して一部の連通部８が水で閉塞しても、それより上にある連通部８が水位より上にあって連通状態を維持でき、水分を除去した気体の排出に支障が出ず、良好な水分離・回収作用が維持される。
【００２６】
また、回収タンク１が、開閉が制御可能な弁５１を備えた、ドレン用のポート５０を有するので、回収タンク１に回収し蓄えた水を、水を排出しても問題が生じない場所（たとえば、燃料ガス充填ステーション）で、問題が生じないタイミングにて、ドレンさせることができ、車両走行中での水の垂れ流し排出を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の燃料電池システムの、回収タンクの概略断面図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの、回収タンクの水滴除去部の斜視図である。
【図３】本発明の燃料電池システムの、回収タンクが３個以上ある場合の概略断面図である。
【図４】本発明の燃料電池システムの、回収タンクの水滴除去部の断面図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの全体系統図である。
【図６】本発明の燃料電池システムが適用される燃料電池の側面図である。
【図７】本発明の燃料電池システムが適用される燃料電池の一部分の拡大断面図である。
【図８】本発明の燃料電池システムが適用される燃料電池のセルの概略正面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  回収タンク
２  水滴除去部
３  空気抜き部
４  水供給部
５  仕切板
６  孔あき板（部材）
７  孔
８  連通部
９  タンク内連通部
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  入側の冷媒マニホールド
３０  入側の燃料ガスマニホールド
３１  入側の酸化ガスマニホールド
３２  出側の冷媒マニホールド
３３  出側の燃料ガスマニホールド
３４  出側の酸化ガスマニホールド
３５  入側の冷媒配管
３６  入側の燃料ガス配管
３７  入側の酸化ガス配管
３８  出側の冷媒配管
３９  出側の燃料ガス配管
４０  出側の酸化ガス配管
４１  燃料ガスの循環配管
４２  燃料ガスの供給源
４３  燃料ガスの循環ポンプ
４４  酸化ガス（エア）コンプレッサ                                              ４５  エアクリーナ
４６  加湿器
４７  希釈器
４８  燃料ガス側気液分離器
４９  酸化ガス側気液分離器
５０  ドレン用のポート
５１  開閉弁（ポート５０に設けられたもの）
５２  弁（燃料ガス側気液分離器４８に設けられたもの）
５３  冷媒ポンプ
５４  ラジエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005267888.tif 000009
【図８】
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