(57)【要約】【課題】燃料電池から排出される燃料ガスに含まれる水分の影響を抑制しつつ、燃料ガスを循環させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】酸化ガス供給ファンと、燃料ガスととを高温電解質膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料ガスを循環させる燃料ガス循環路と、前記燃料電池の酸化ガス出口に設けられ、前記酸化ガス出口から排出される酸化ガスを受けて回転するタービンと、前記燃料ガス循環路に設けられ、前記回転伝達手段からタービンの回転を受けて作動する、前記燃料ガス循環路中の燃料ガスを循環させる燃料ガス循環手段とを備えており、循環手段と燃料ガス出口との間に燃料ガスに含まれる水分を回収する水回収手段を設けた。【選択図】図１
2007200733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガス供給ファンと、
燃料ガスが流入される燃料室と前記酸化ガス供給ファンにより供給される酸化ガスが流入される酸化ガス室とを電解質を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料ガスを前記燃料電池の燃料ガス入口に供給して循環させるための燃料ガス循環路と、
前記燃料電池の酸化ガス出口に設けられ、前記酸化ガス出口から排出される酸化ガスを受けて回転するタービンと、
前記タービンの回転を伝達する回転伝達手段と、
前記燃料ガス循環路に設けられ、前記回転伝達手段からタービンの回転を受けてこのタービンの回転を駆動源として作動することにより前記燃料ガス循環路中の燃料ガスを循環させる燃料ガス循環手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電解質は高温膜であり、
前記燃料電池の燃料ガス出口と燃料ガス循環手段との間に、前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料ガスに含まれる水分を回収する水回収手段を備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記回転伝達手段は、断熱材料からなる請求項２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、燃料電池システムに係り、詳しくは燃料電池から排出される燃料ガスを循環させる流路を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスは燃料極を介しイオン化し、電解質膜中を通過して酸素極において酸素と結合し、水を生成する。このとき、電力は、燃料極と酸素極における反応のエネルギーにより得られる。このように水素を燃料とする燃料電池においては、燃料極における不純物排出等の目的で燃料ガス循環路が設けられており、燃料電池から排出された未反応の燃料ガスがこの燃料ガス循環路を介して再び燃料電池に供給されるようになっている。 
一般的に、燃料ガスは燃料ガス循環路に設けたポンプにより循環させられるが、他の手段として、例えば、酸化ガス供給ラインに酸化ガスを受けて回転するタービンを設けるとともに、このタービンを駆動源として作動する圧縮機等を燃料ガス循環路に設け、これにより燃料ガスを循環させることが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１０９６３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料電池に用いられる電解質膜について、加湿水を必要としない種類のものが存在するが、このような電解質膜では生成水による電解質成分の溶出が起こりやすいため、水が水蒸気化する摂氏１００度以上で発電する必要がある。このような温度では、ガスの温度が高くなるため、循環ポンプ自体の温度も上昇し、循環ポンプの電気回路等に悪影響があるといった問題がある。 
このため、循環ポンプを設けずに循環流を発生される構成として、特許文献１に記載のターボチャージャーが用いられる。特許文献１に記載の構成は、酸化剤ガスラインに設けられたタービンによって回転力を発生させ、この回転力により圧縮機を駆動させて循環流を発生させるものである。しかし、特許文献１に記載の発明は、この構成においても、燃料電池から排気される燃料ガスは水分を含んでいるため、圧縮機により燃料ガスを循環させる燃料電池システムにおいて、その水分を含んだ燃料ガスが燃料ガス循環路内を循環することになり、その水分が圧縮機内部で結露し、循環効率が低下するという問題がある。
【０００４】
本発明は、燃料電池から排出される燃料ガスに含まれる水分の影響を抑制しつつ、高温の燃料ガスを循環させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。 
（１） 酸化ガス供給ファンと、
燃料ガスが流入される燃料室と前記酸化ガス供給ファンにより供給される酸化ガスが流入される酸化ガス室とを電解質を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料ガスを前記燃料電池の燃料ガス入口に供給して循環させるための燃料ガス循環路と、
前記燃料電池の酸化ガス出口に設けられ、前記酸化ガス出口から排出される酸化ガスを受けて回転するタービンと、
前記タービンの回転を伝達する回転伝達手段と、
前記燃料ガス循環路に設けられ、前記回転伝達手段からタービンの回転を受けてこのタービンの回転を駆動源として作動することにより前記燃料ガス循環路中の燃料ガスを循環させる燃料ガス循環手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【０００６】
(２)  前記電解質は高温膜であり、
前記燃料電池の燃料ガス出口と燃料ガス循環手段との間に、前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料ガスに含まれる水分を回収する水回収手段を備えた上記(１)に記載の燃料電池システム。
【０００７】
（３）  前記回転伝達手段は、断熱材料からなる上記(２)記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池の燃料ガス出口から排気される燃料ガスは、前記酸化ガス出口から排出される酸化ガスを受けて回転するタービンによって、循環手段を駆動させるので、消費エネルギーを抑制できる。また、燃料電池への酸化ガスの供給を妨げることなく、ポンプの耐熱温度以上の温度においても燃料ガスを循環させることができる。
【０００９】
請求項２記載の発明によれば、排出ガス中の水を回収することで、燃料ガス循環路内での水の凝縮が抑制され、電解質濃度の低下によるプロトン伝導度の低下を抑制できる。 
請求項３記載の発明によれば、タービンが排出ガスにより冷却されても燃料ガス循環手段が冷却されないので、排出燃料ガスと燃料ガス循環手段との接触による水の凝縮を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００と、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０と、空気供給系１２と、負荷系（図示せず）とに大略構成される。 
図２は、燃料電池スタック１００の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。 
燃料電池スタック１００は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、空気極である酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。 
固体高分子電解質膜２３は、高温域でプロトン伝導度が十分に得られる高温膜が用いられる。すなわち、この高温膜は、雰囲気が高温・低湿度である場合において、プロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜である。具体的に高温膜として用いられる材料としては、含フッ素系膜、炭化水素系膜、またはそれらの合成膜などのカチオン交換膜であり、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性の構造を持つもので構成される。低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性とは、例えば、一般的な固体高分子電解質よりも水が十分に保水される材料か、又は水が無くてもプロトン伝導可能な物質が添加された材料であり、含フッ素系膜のパーフルオロ系膜ではスルホン酸基の濃度が高い（ＥＷ値が低い）ものであれば良く、炭化水素系膜のスルホン酸化ポリイミド膜では分子構造上に水を保持する物質であれば良い。 
具体的なプロトン伝導度の一例を挙げると、温度が摂氏50〜140℃の範囲内で、湿度が0〜50％の雰囲気下において、一般的な固体高分子（摂氏50度以下、湿度50％以上の雰囲気下でプロトン伝導度が0.1S/cm以上）よりもプロトン伝導性が良好なものであり、例えば、摂氏120℃、湿度20％の雰囲気下において、プロトン伝導性が0.1S/cm以上であるものが好ましい。
【００１１】
以上のような高温膜を用いることによって、摂氏１００度以上であっても、加湿が必要でなくなるので、加湿装置を排除できる。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。固体高分子電解質膜２３において、燃料として供給された水素と酸化剤として供給された酸素が反応し、電力が得られるとともに、生成水が発生する。この電解質膜２３の反応効率が良好な温度領域は、１００度以上であるため、この温度領域で発電反応を行うことで、生成水は水蒸気となり、燃料ガスや空気とともに、燃料電池スタック１００の外部に排出される。発電反応が可能となる温度領域が、水の沸点以上である電解室膜を用いることによって、生成水を気化させて排出させることが可能となる。
【００１２】
集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
【００１３】
集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、燃料ガスとしての水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。
【００１４】
凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部３０が構成される。
【００１５】
燃料ガス保持部３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料ガス保持部３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料ガス保持部３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。
【００１６】
各燃料ガス保持部３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１００内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１００内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部３０に分配する燃料ガスマニホールド３４が構成される。一対の燃料ガス排出通路３１９ａ、３１９ｂの一方は、燃料ガス供給流路２０１Ａに接続され、他方は、ガス循環流路２０２に接続される。
【００１７】
集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、酸化ガスとしての空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１００の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。 
このように構成された燃料電池スタック１００の鉛直上側には、空気マニホールド５４が設けられている。
【００１８】
次に、図１に示されている燃料電池システムの空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である排気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の空気流入部３２６に空気を分割して流入させる。 
排気ダクト１２４は、燃料電池スタック１００の空気流出部３２７に接続され、空気流出部３２７から流出した空気を合流させ、外部環境へ放出する。
【００１９】
燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａを介して燃料電池スタック１００のガス取入口２０１ＡＩＮに接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素タンク元弁Ｖ０、水素タンク圧力センサＳ０、調圧弁Ｖ１、水素供給電磁弁Ｖ２、水素供給圧力センサＳ１、パージ弁（安全弁）Ｖ３が順に設けられている。
【００２０】
燃料電池スタック１００のガス排出口２０２ＯＵＴには、燃料ガス循環路としてのガス循環流路２０２の一端が接続され、その他端は、循環電磁弁Ｖ４を介して水素供給圧力センサＳ１とガス取入口２０１Ａとの間に接続されている。 
また、ガス循環流路２０２には、本発明の燃料ガス循環手段に相当する圧縮機８１が設けられ、ガス排出口２０２ＯＵＴから循環電磁弁Ｖ４へ向けて、水素ガスが流れるように作用する。このガス循環流路２０２と、燃料ガス供給流路２０１Ａとによって、水素ガスの循環路が構成される。
【００２１】
ガス循環流路２０２において、圧縮機８１とガス排出口２０２ＯＵＴの間には、本発明の水回収手段に相当する水回収トラップ２６が設けられており、この水回収トラップ２６にはガス排出路２０３の一端が接続されている。ガス排出路２０３の他端は、例えば排気ダクト１２４に接続され、さらにガス排出路２０３は、水素排気電磁弁Ｖ５を備えている。
【００２２】
燃料電池スタック１００には、負荷系（図示せず）が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線を介してインバータに接続され、インバータを介してモータ等の負荷に接続されている。また、インバータには、出力制御装置を介して補助電源である蓄電池が接続されている（いずれも図示せず）。
【００２３】
燃料電池システム１の制御装置には、各センサＳ０、Ｓ１、ＬＧの検出値が入力され、かつ、各電磁弁Ｖ１〜Ｖ５、ファン１２２、インバータ、出力制御装置等を制御する。この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、モータの駆動や停止の指示信号が入力される。
【００２４】
次に、燃料電池スタック１００から排出される水素ガスを循環させる燃料ガス循環システムについて説明する。 
燃料電池スタック１００の燃料ガス出口である空気流出部３２７にはタービン８０が設けられている。燃料電池スタック１００おいては、空気供給ファン１２２から酸化ガスが供給され、この酸化ガスは、空気流入部３２６、空気流路３２５を経て、空気流出部３２７から排出される。従って、空気流出部３２７に設けられているタービン８０は、この空気流出部３２７から排出される酸化ガスを受けて回転する。
【００２５】
タービン８０には、回転伝達手段としての回転軸８２の一端が接続されており、この回転軸８２の他端には、燃料ガス循環流路２０２に設けられた圧縮機８１が接続されている。このため、タービン８０が回転すると、この回転が回転軸８２を介して圧縮機８１に伝達され、この回転を駆動源として圧縮機８１が作動する。すなわち、圧縮機８１は、従来のポンプと同様に、燃料ガス循環流路２０２中の燃料ガスを循環させる。なお、タービン８０と圧縮機８１はそれぞれ、回転軸８２を回転可能に支持する耐熱ベアリングが設けられた開口を有する容器（いずれも図示せず）に収納されている。回転軸８２と耐熱ベアリングとの間はシール材等でシールされており、回転軸８２が耐熱ベアリングに支持された状態で、回転軸８２と耐熱ベアリングとの間から燃料ガスや空気が漏れないように構成されている。なお、圧縮機としては、ターボ型、ラジアル型、ルーツ型等、各種の圧縮機を利用することが可能である。あるいは、ターボチャージャーの機能を付加することも考えられる。
【００２６】
以上のように、燃料ガス循環システムは、タービン８０、圧縮機８１、及び回転軸８２により構成されており、タービン８０が燃料電池スタック１００の空気流出部３２７から排出される酸化ガスを受けて回転し、このタービン８０の回転（回転力）が回転軸８２を介して圧縮機８１に伝達され、圧縮機８１はこの回転を駆動源として作動する。すなわち、圧縮機８１は、従来のポンプと同様に、燃料ガス循環流路２０２中の燃料ガスを循環させる。
【００２７】
なお、従来、燃料電池スタック１００が１００℃以上の温度に達する環境下でポンプにより燃料ガスを循環させると、ポンプ駆動用の電子部品（ＩＣ（ＬＳＩ）、コンデンサー等）の耐熱温度を超え、適切に燃料ガスを循環させることができなかった。しかしながら、本実施形態の燃料電池システム１においては、ポンプを用いずにタービン８０等により燃料ガスを循環させているため、燃料電池スタック１００が１００℃以上の温度に達する環境下であっても、適切に燃料ガスを循環させることが可能となっている。また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料ガスが燃料ガス循環流路２０２中を循環するように構成されているため、燃料極内の不純物を排出することが可能となっている。
【００２８】
次に、燃料電池スタック１００から排出される水素ガスから水分を回収する水分回収システムについて説明する。 
ガス循環流路２０２において、圧縮機８１とガス排出口２０２ＯＵＴの間には、水回収トラップ２６が設けられており、この水回収トラップ２６が、燃料電池スタック１００から排出される水素ガスから水分を回収するようになっている。
【００２９】
水回収トラップ２６としては、例えば、ガス流入口とガス流出口を備え、両者間に冷却用フィン、その下方に水溜め空間を有する容器（図示せず）をガス循環流路２０２に設けることが考えられる。
【００３０】
このようにすれば、ガス循環流路２０２中を循環する燃料ガスは、ガス流入口から容器内部に流入し、冷却用フィンにより冷却されて燃料ガスに含まれる水分が水滴化し、下方の水溜め空間に収容（すなわち回収）されることになる。従って、ガス流出口からは、水分回収後の燃料ガスが流出し、ガス循環流路２０２内を循環することになる。すなわち、圧縮機８１に向かう燃料ガスからは水分が回収されているので、圧縮機８１においては、燃料ガスに含まれる水分の影響を受けることがなくなる。あるいは水分の影響を最小限に抑えることが可能となる。
【００３１】
なお、図１に示すように、水溜め空間に水位センサＬＧを設け、さらに水溜め空間に水素排気電磁弁Ｖ５（あるいは別の電磁弁）を接続し、水位センサＬＧにより水溜め空間の水量が予め定められた水量に達したことが検知されたときに、その電磁弁を制御して水溜め空間内に溜まった水を外部環境等へ放出するように構成することが考えられる。
【００３２】
次に、変形例について説明する。 
上記実施形態の燃料電池システムにおいては、タービン８０と圧縮機８１とは回転軸８２によって接続されているように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、タービン８０と圧縮機８１とは他の手段、例えば、歯車、チェーン、プーリー、Ｖベルト等によって接続することも可能である。あるいは、タービン８０と圧縮機８１との間に変速機を設け、この変速機により、燃料電池スタックの稼働状況に応じた燃料ガスが循環するように制御するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図３】燃料電池スタックの部分斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  燃料電池システム
１１  水素貯蔵タンク
２６  水回収トラップ
１００  燃料電池スタック
２０１Ａ  燃料ガス供給流路
２０２ 循環流路
８０    タービン
８１    圧縮機
８２    回転軸
【図１】
2007200733.tif 000003
【図２】
2007200733.tif 000004
【図３】
2007200733.tif 000005