(57)【要約】【課題】供給路内で結露が生じた場合に、結露をガス供給管路から系外に排除できるようにして、燃料電池本体側に発生した結露の影響を及ぼさないようにした燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路２０と酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路３０とを備える燃料電池システムにおいて、前記供給路に、供給路内で発生した結露を補足する結露捕捉体４０を配置する。そして、結露捕捉体４０の下方には捕捉した結露を滞留させ、かつ系外に排出するための排出路２２，３２を取り付ける。好ましくは、排出路２２，３２には、開閉手段としての電磁弁２３，３３を設ける。排出路２２，３２には補助ガス供給路２４，２３を取り付け、そこに、供給路２０，３０内を流れるガスと同じガスでありが、圧力のみが高くされた加湿ガスを供給して、開閉手段（電磁弁）２３，３３が開いたときの、供給路２０，３０内の圧力変動に備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、燃料電池本体に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、燃料電池本体に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路とを少なくとも備える燃料電池システムにおいて、
燃料ガス供給路および酸化剤ガス供給路の少なくとも一方に結露捕捉体と捕捉した結露を供給路外に排出する排出路を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記結露捕捉体は、線状部材を複数束ねてブラシ状に形成したものであ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】
前記捕捉体は前記供給路内部に取り付けられており、前記排出路は前記捕捉体より下方における前記供給路内に開口して構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排出路には排出路を開閉する開閉手段が取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記排出路には、当該排出路を備えた供給路を流れるガスと同じガスであって、圧力が供給路を流れるガス圧よりも高い圧力のガスを排出路に供給することのできる補助ガス供給路が開閉手段を介して接続していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムを含む燃料電池の試験装置。
【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およびそれを含む燃料電池の試験装置に関し、特に、燃料電池の運転中に、燃料電池本体に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路およびまたは酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路に発生しがちな結露を燃料電池本体内に入り込む前に除去できるようにした燃料電池システム、および該燃料電池システムを含む燃料電池の試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、主に水素である燃料ガスが燃料極側に供給され、主に空気である酸化剤ガスが空気極側に供給される。燃料電池、特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の良好な運転には、燃料電池を構成する電解質膜、触媒層およびガス拡散層の水分管理が重要であり、そのための一つの手法として、燃料ガスや酸化剤ガスを適度に加湿した状態で燃料電池本体に供給することが行われ、そのための手法が種々提案されている（例えば、特許文献１など参照）。このことは、燃料電池の実運転時はもとより、燃料電池をベンチテストするような場合においても、性能を客観的に性能評価するために必要となる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０７０２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、燃料電池システムあるいはそのような燃料電池システムを含む燃料電池の試験装置において、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを適切に加湿することについては、多くの提案および研究が行われている。しかし、そのように加湿調整されたガスが燃料電池本体に達するまでの状態変化については、十分な研究が行われていない。例えば、燃料電池の試験装置においては、どうしても、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを適度な加湿状態に加湿する場所と燃料電池本体との間の距離が長くなりがちであり、長い供給路内を加湿ガスが通過する過程で、加湿ガスの温度維持が困難となり、結露が生じることが起こる。燃料電池の実運転でも程度の差はあるとしても、同様なことは起こり得る。
【０００５】
結露が生じると、燃料電池本体のガス拡散層や触媒層などの一部が結露水によって覆われた状態となり、その部分からの燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入り込みが不十分となって、発電効率は低下する。また、試験装置の場合には、燃料電池の適正な評価ができなくなる。
【０００６】
解決手段として、供給路に十分な保温設備を施して結露を生じさせないようにする、あるいは、結露が燃料電池本体内に入り込む前の段階で、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを再加熱して結露を無くす、等が考えられるが、コストの点およびスペースの点から実用的な解決策とはならない。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、上記のような理由で前記燃料ガス供給路およびまたは酸化剤ガス供給路に存在しがちな結露を、燃料電池本体内に入り込む前に除去できるようにした燃料電池システム、および該燃料電池システムを含む燃料電池の試験装置提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による燃料電池システムは、燃料電池本体と、燃料電池本体に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、燃料電池本体に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路とを少なくとも備える燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給路および酸化剤ガス供給路の少なくとも一方に結露捕捉体と、捕捉した結露を供給路外に排出する排出路とを備えたことを特徴とする。なお、本発明において、燃料ガスとは、燃料電池の運転に用いられる水素を含むガスのすべてを意味しており、酸化剤ガスとは、燃料電池の運転に用いられる酸素を含むガスのすべてを意味している。
【０００９】
上記の燃料電池システムでは、燃料ガス供給路およびまたは酸化剤ガス供給路に存在する結露は、燃料電池本体内に侵入する前に結露捕捉体によって捕捉され、捕捉された結露は結露を供給路外に排出する排出路に移動する。それにより、結露が燃料電池本体内に侵入するのを確実に阻止することができる。
【００１０】
結露捕捉体は、加湿ガス中に存在する結露を補足することのできる従来知られた手段を適宜用いることができる。中でも、線状部材を複数束ねてブラシ状に形成したものは好適であり、表面積を大きくするために表面に毛羽立ち加工を施した線状部材ブラシ状体を複数束ねてブラシ状に形成したものはさらに好ましい。本発明者らの実験では、この形態とすることにより、供給路内での圧損が少ない状態でより多くの結露を補足できることが確認できた。素材としては、金属材料あるいは例えばポリカーボネートのような樹脂材料は耐熱性と耐腐食性の双方の観点から好ましい。線状部材の直径は１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度が好ましい。
【００１１】
好ましい形態として、前記捕捉体は前記供給路内部に取り付けられ、前記排出路は前記捕捉体より下方における前記供給路内に開口して構成される。この形態では、捕捉された結露は重力によって前記開口部から排出路内に移動し、そこに滞留する。また、供給路の内壁面に生じた結露も重力により供給路内壁の下部領域に落下し、落下した結露水は供給路内を流れるガスによって排出路が設けてある箇所まで流されて、やはり開口部から排出路内に落下して、そこに滞留する。
【００１２】
上記のようにして捕捉された結露は移動するので、前記排出路の開口部は、捕捉体からみて鉛直下方真下に位置していることがより好ましいが、捕捉部で捕捉された結露が、供給路内を通過せずに排出路に移動できる位置であれば、特にそれらの位置関係は限定されるものではない。
【００１３】
本発明による燃料電池システムにおいて、好ましくは、前記排出路には排出路を開閉する開閉手段が取り付けられる。この態様の燃料電池システムでは、通常の運転時には、排出路に備えた開閉手段は閉じた状態とされ、供給路を流れる加湿されたガスはそのまま燃料電池本体に流入する。結露が生じて結露捕捉体によって結露が捕捉され、捕捉された結露が前記のようにして排出路内に適量だけ滞留した時点で、あるいは一定のインターバルで、開閉手段を開く。操作は手動によってもよく、適宜の制御機構によってもよい。それにより、排出炉内に滞留した結露は系外に排出される。排出後は、排出路を閉じる。
【００１４】
本発明において、開閉手段は、排出路内を系外雰囲気から遮断した状態で閉じることができ、また必要なときに系外に排出路を開放することのできる手段であればよく、特に制限はないが、操作のしやすさ反応速度が速さから電磁開閉弁は好ましい。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、排出路内が系外に開放状態となったときに、ガス供給路内の圧力が変化する。ごく短い時間の開放であれば、この変化を無視することもできる。しかし、供給路内で圧力変動が起こらないことが好ましい。そのために、本発明による燃料電池システムの好ましい態様では、排出路を備えた供給路を流れるガスと同じガスであって、圧力が供給路を流れるガス圧よりも高い圧力のガスを排出路に供給することのできる補助ガス供給路を、開閉手段を介して接続させる。より好ましい形態では、排出路における前記開閉手段の位置よりも上流側に補助ガス供給路を分岐させ、その補助ガス供給路を適宜の照圧手段を介してガス供給元に接続する。
【００１６】
操作に当たっては、前記排出路内を系外に開放する開閉手段を開状態とする直前に、前記開閉手段を開状態とする。それにより、排出路内には排出路内の圧力よりも圧力の高いガスが流入するので、排出路内を系外に開放する開閉手段を開状態としても、排出路内を供給路内とほぼ同じ圧力雰囲気に維持することができる。それにより、供給路内を流れるガス流はその温度、湿度、圧力をほとんど変化させることなく、すなわち、開弁前の雰囲気をほぼそのまま維持した状態で、燃料電池本体内に送り込まれる。所定時間経過後に、排出路内を系外に開放する開閉手段を閉状態とし、少し時間をおいて、第２の開閉手段を閉状態とする。それにより、供給路内の雰囲気を乱すことなく、燃料電池システムの運転を継続することができる。上記の形態において、補助ガス供給路に供給するガスの圧力を供給路を流れるガスの圧力よりどの程度高くするかは、前記開閉手段が開状態となっている間に系外に流出するガス量および補助ガス供給路から排出路に供給されるガス量等を算出基礎として、適宜決定することができる。供給炉内に圧力センサを備えておき、開閉手段が開状態となっても圧力変動が生じないように、補助ガス供給路からの高圧ガスの供給量を制御するようにしてもよい。
【００１７】
上記した本発明による燃料電池システムは、燃料電池の実運転においても効果的に機能する。しかし、燃料電池の実運転装置では、供給路内に運転に影響を与えるような結露が発生しないように、当初から、燃料電池本体に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路や酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路を設計することができる。しかし、燃料電池の性能を試験する試験装置においては、供給路長が長くなるのを避けることができないために、供給路での結露が生じやすい。従って、燃料電池の試験装置において、本発明による燃料電池システムを含むようにすることは、特に有効である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による燃料電池システムでは、燃料電池の運転中に、燃料電池本体に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路あるいは酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路内に存在しがちな結露を、積極的に系外に排出し燃料電池本体内に流入しないようにすることができるので、高効率の運転が可能となり、また、燃料電池の試験装置の場合には、反応中の燃料電池内現象を忠実に再現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明を好ましい実施の形態に基づき説明する。図１は本発明による燃料電池システムの全体構成を示す概念図であり、図２はその要部を説明するための図である。図３は燃料電池システムに設けた開閉手段の一例である電磁弁の開閉タイミングを説明している。
【００２０】
図１において、１０は燃料電池であり、電解質膜１と、その両側に積層した燃料極側電極触媒層２ａおよび酸化剤極（空気極）側電極触媒層２ｂとからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）３、および、膜電極接合体３を挟持する２つのセパレータ４ａ，４ｂとで構成される。一方のセパレータ４ａの燃料極側電極触媒層２ａに面した流路には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路２０が接続しており、他方のセパレータ４ｂの空気極側電極触媒層２ｂに面した流路には、酸化剤である空気を供給するための酸化剤ガス供給路３０が接続している。
【００２１】
燃料ガス供給路２０には水素（Ｈ２）を含むガスが供給され、途中で加湿のために水蒸気が供給される。混合器２１で混合された水素ガスと水蒸気は加湿水素ガスとなって、燃料電池１０内に供給される。
【００２２】
酸化剤ガス供給路３０には酸素（Ｏ２）を含むガス（通常、空気）が供給され、途中で加湿のために水蒸気が供給される。混合器３１で混合された空気と水蒸気は加湿空気となって、燃料電池１０内に供給される。
【００２３】
燃料ガス供給路２０の燃料電池１０に近接した部位において、燃料ガス供給路２０の内部には、図２に示すように、結露捕捉体４０が配置され、結露捕捉体４０からみて鉛直方向真下には、供給路２０内に開口するようにして、排出路２２が取り付けられている。さらに、排出路２２には開閉手段の一例としての電磁弁２３が取り付けてある。
【００２４】
必須のものではないが、排出路２２の電磁弁２３よりも上流位置には補助ガス供給路２４が設けてあり、補助ガス供給路２４にも開閉手段の一例としての電磁弁２５が取り付けてある。補助ガス供給路２４には、燃料ガス供給路２０を流れる加湿水素ガスと同じ加湿水素ガスが、圧力のみを高くした状態で供給される。
【００２５】
酸化剤ガス供給路３０の燃料電池１０に近接した部位においても、燃料ガス供給路２０と同様に、その内部に結露捕捉体４０が配置され、結露捕捉体４０からみて鉛直方向真下には、酸化剤ガス供給路３０内に開口するようにして、排出路３２が取り付けられている。排出路３２にも、開閉手段の一例としての電磁弁３３が取り付けてある。
【００２６】
なお、２つの排出路２２，３２は、後記するように結露捕捉体４０で捕捉された結露が重力によって排出路内に入り込むことのできる位置に設けられればよく、結露捕捉体４０からみて鉛直方向真下に位置することは、好ましい一つの例示である。
【００２７】
必須のものではないが、排出路３２の電磁弁３３よりも上流位置には、やはり補助ガス供給路３４が設けてあり、補助ガス供給路３４にも開閉手段の一例としての電磁弁３５が取り付けてある。補助ガス供給路３４には、酸化剤ガス供給路３０を流れる加湿空気と同じ加湿空気が、圧力のみを高くした状態で供給される。
【００２８】
この例において、前記結露捕捉体４０は、図２に示すように、線状をなす例えばポリカーボネートのような樹脂材料あるいは金属材料の表面に毛羽立ち加工を施したものを、ブラシ状に束ねて形成されている。単に直線上の線状部材を束ねたものであってもよい。各線状材の直径は１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。前記開口部の近傍に支持台４１が置かれ、そこに、所要本数（図示のものでは５本）の線状部材が立設されている。なお、この態様は、酸化剤ガス供給路３０における排出路３２との開口部においても同様であり、図示は省略するが、前記開口部には、同じようにして支持台４１が置かれ、そこに、同じ結露捕捉体４０が立設されている。
【００２９】
以下、上記燃料電池システムの作用を説明する。なお、説明は燃料ガス供給路２０側についてのみ行い、酸化剤ガス供給路３０側については、実質的に同じ作用が進行するので、説明を省略する。
【００３０】
燃料電池１０の運転開始時には、双方の電磁弁２３，２５は閉じた状態にある。混合器２１で生成された加湿水素ガスは、燃料ガス供給路２０を流通してセパレータ４ａに流入する。燃料ガス供給路２０を流通する過程で、管路からの放熱等による環境変化によって加湿水素ガスに結露が生じる場合がある。結露を含んだ加湿水素ガスが前記したブラシ状の結露捕捉体４０を通過する過程で、結露は結露捕捉体４０に捕捉される。捕捉された結露は重力により落下して排出路２２内に落下する。結露が燃料ガス供給路２０の内面に生じる場合もある。管内面に生じた結露は館内を流れる加湿水素ガスの作用によって排出路２２の接続部にまで移動し、やはり排出路２２内に落下する。そのために、排出路２２との接続部より下流の燃料ガス供給路２０には、結露をほとんど含まない状態の加湿水素ガスが流入することとなり、燃料電池１０側に結露水による不都合を生じさせない。
【００３１】
一定の間隔で、あるいは排出路２２内に所要量の結露水が滞留した時点で、電磁弁２３を開く。それにより、結露水は速やかに系外に排出される。排出後、直ちに電磁弁２３を閉じ、運転を継続する。電磁弁２３の開閉により、燃料ガス供給路２０内の雰囲気に一時的に変化が生じる。このような状態変化は僅かでありかつ短時間であるので、実際の燃料電池の運転環境では放置しても差し支えない場合もある。しかし、燃料電池の性能を試験する試験装置等においては、正確なデータを得るために、回避することが望まれる。
【００３２】
補助ガス供給路２４はそのために設けられる。前記のように補助ガス供給路２４には、燃料ガス供給路２０を流れる加湿水素ガスと同じ加湿水素ガスが、圧力のみを高くした状態で常時供給されており、電磁弁２５が閉じられていることにより、通常の運転時には高圧の加湿水素ガスが排出路２２内に流通することはない。
【００３３】
電磁弁２３と電磁弁２５との開閉タイミングを図３に基づき説明する。図３において、Ａは燃料ガス供給路２０内の圧力を示し、Ｂ（＞Ａ）は補助ガス供給路２２内の圧力を示す。２つの電磁弁２３，２５を閉じた状態では、電磁弁２３、２５よりも燃料ガス供給路２０側の排出路２２および補助ガス供給路３２内の圧力は、燃料ガス供給路２０内の圧力Ａに等しい。
【００３４】
排出路２２内の結露水を排出するときは、最初に補助ガス供給路２４に設けた電磁弁２５を開く（タイミングｔ１）。それにより、補助ガス供給路２４内の圧力は幾分低下するが圧力Ａよりは高い圧力に維持される。電磁弁２５を開いたすぐ後に、排出路２２に設けた電磁弁２３を開く（タイミングＴ１）。それにより、結露水の排出が始まるが、補助ガス供給路２４に供給される高い圧力の加湿水素ガスの影響で、燃料ガス供給路２０内の圧力は解放前とほぼ同じ圧力Ａに維持される。時間Ｓ２だけ電磁弁２３を開放した後、電磁弁２３を閉じる（タイミングＴ２）。その直後に、電磁弁２５も閉じる（タイミングｔ２）。電磁弁２５の開放時間Ｓ１は電磁弁２３の開放時間Ｓ２よりも長い時間となる。
【００３５】
このように、２つの電磁弁２３と電磁弁２５の開閉タイミングを上記のように選択することにより、燃料ガス供給路２０内の圧力Ａをほぼ一定に維持した状態で、結露水の系外への排出を反復して行うことができる。前記したように、同じ作用は酸化剤ガス供給路３０側についても進行する。
【００３６】
なお、上記では結露を除去するための機構を燃料ガス供給路２０と酸化剤ガス供給路３０と双方に設けるとしたが、燃料電池の形態や運転環境などに応じて、いずれか一方にのみ設けるようにしてもよい。また、図示の結露捕捉体４０は、供給路内で発生した結露を補足するための一例であり、機能的にガス中の結露を捕捉できる手段であれば、任意の形態のものを用いることができる。また、配置状態も、図２に示すように、一例に限ることなく、燃料ガス供給路２０内での許容される圧力損失を配慮しながら、複数列に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による燃料電池システムの全体構成を示す概念図。
【図２】図１に示した燃料電池システムにおける要部を説明するための図。
【図３】図１に示した燃料電池システムに設けた２つの電磁弁の開閉タイミングを説明するための図。
【符号の説明】
【００３８】
１…電解質膜、２ａ，２ｂ…電極触媒層、３…膜電極接合体（ＭＥＡ）、４ａ，４ｂ…セパレータ、１０…燃料電池、２０…燃料ガス供給路、２１…混合器、２２…排出路、２３…電磁弁、２４…補助ガス供給路、２５…電磁弁、３０…酸化剤ガス供給路、３１…混合器、３２…排出路、３３…電磁弁、３５…電磁弁、４０…ブラシ状体（結露捕捉体）
【図１】
2007172993.tif 000003
【図２】
2007172993.tif 000004
【図３】
2007172993.tif 000005