(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの電解質膜の加湿回路を簡単にし、コンパクトな燃料電池システムおよびその加湿方法を提供する。【解決手段】本発明の加湿方法を実施する燃料電池システムは、燃料電池スタック２の冷却部１０を通過して延び、純水の冷却水を循環させる冷却ライン１２と、冷却ライン１２に介挿されたヒータ１６と、燃料電池スタック２の空気極６に酸化剤を供給する酸化剤ライン１８と、酸化剤ライン１８に介挿された水蒸気交換型の加湿器２４と、前記冷却ライン１２内の冷却水を加湿器２４に流入させる接続ライン３０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、酸化剤極およびこれら燃料極と酸化剤極との間に挟まれた電解質膜を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを通じて延び、純水の冷却水を循環させる冷却ラインと、
前記冷却ラインに介挿され、前記冷却水を昇温可能なヒータと、
前記酸化剤極および前記燃料極から選択された一方の選択極および前記選択極に前記燃料電池スタックを発電させるためのガスを供給するガスラインを含むガス供給装置と、
前記冷却ラインと前記ガス供給装置とを接続する接続ラインと、
前記接続ラインに介挿され、開弁されたときに前記冷却ラインから前記接続ラインを通じて前記冷却水を前記ガス供給装置に供給する電磁弁と、
前記冷却ラインに純水を補給可能な純水補給手段と、
前記ガスラインに介挿され、前記選択極に向かう投入ガスと前記酸化剤極を通過した排ガスとの間にて水蒸気交換を行う加湿器と
を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記選択極は酸化剤極であり、前記ガスラインは前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤ライン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】
前記選択極は燃料極であり、前記ガスラインは前記燃料極に還元剤を供給する還元剤ライン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４】
前記接続ラインは、前記加湿器に前記冷却水を供給すべく接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記接続ラインは、前記加湿器に向かう前記ガスラインの部位および前記酸化剤極から前記加湿器に排ガスを導くラインの何れかに前記冷却水を供給すべく接続されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記接続ラインは、前記選択極に前記冷却水を供給すべく接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料極、酸化剤極およびこれら燃料極と酸化剤極との間に挟まれた電解質膜を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを通じて延び、純水の冷却水を循環させる冷却ラインとを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの発電に先立ち、前記冷却ラインの冷却水を所定温度まで昇温させる一方、前記酸化剤極および前記燃料極から選択された一方の選択極に対して冷却水を供給して前記選択極を加湿し、
この後、前記燃料電池スタックの発電中には、発電のために前記選択極に向けて供給される投入ガスと前記酸化剤極を通過した排ガスとの間にて水蒸気交換を行って前記投入ガスを加湿する、
ことを特徴とする燃料電池システムの加湿方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムおよび燃料電池スタックの加湿を行う加湿方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの燃料電池スタックは、燃料極と酸化剤極との間に挟み込まれた電解質膜を有し、この電解質膜は燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが互いに隔離する一方、燃料極にて生成される水素イオンを酸化剤極まで移送する重要な役割を有する。
この種の電解質膜には一般的に、パーフルオロスルホン酸イオン交換膜が使用されているが、燃料電池スタックの安定した発電を確保するには電解質膜の加湿は必要不可欠である。
【０００３】
それゆえ、燃料電池システムにあっては、燃料ガスおよび酸化剤ガスとしての空気を加湿器にて加湿した後に燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給し、これら加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスにより電解質膜を間接的に加湿している（例えば、特許文献1の図１参照）。
【特許文献１】特開2004-214085号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の燃料電池システムは、加湿器に水タンクから純水を供給することで、燃料ガスおよび空気の加湿を行うため、加湿器と水タンクとを接続する水供給経路や、この水供給経路に介挿される給水ポンプおよびイオン交換フィルタを必要とし、また、水タンクが開放型であるため、加湿器に供給される純水の導電率を監視する導電率計などをも必要としている。
【０００５】
このため、特許文献１の燃料電池システムにあっては、燃料ガスおよび空気の加湿に要求される装置全体が大掛かりになり、燃料電池システムの小形化にとって大きな制約となっている。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは加湿に要する機構を簡略にでき、コンパクトな燃料電池システムおよびその加湿方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料極、酸化剤極およびこれら燃料極と酸化剤極との間に挟まれた電解質膜を有する燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを通じて延び、純水の冷却水を循環させる冷却ラインと、この冷却ラインに介挿され、冷却水を昇温可能なヒータと、酸化剤極および燃料極から選択された一方の選択極およびこの選択極に燃料電池スタックを発電させるためのガスを供給するガスラインを含むガス供給装置と、冷却ラインとガス供給装置とを接続する接続ラインと、接続ラインに介挿され、開弁されたときに冷却ラインから接続ラインを通じて冷却水をガス供給装置に供給する電磁弁と、冷却ラインに純水を補給可能な純水補給手段と、ガスラインに介挿され、選択極に向かう投入ガスと酸化剤極を通過した排ガスとの間にて水蒸気交換を行う加湿器とを備える（請求項１）。
【０００７】
請求項１の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの発電に先立ち、冷却ライン内を循環する冷却水がヒータにより所定温度まで昇温される。ここでの冷却水の昇温は燃料電池スタックをその発電に適した温度に昇温させる。
一方、電磁弁が一時的に開かれ、冷却ラインからガス供給装置内に冷却水が所定量だけ供給される。このようにして供給された冷却水は既に昇温されているか、または、昇温された燃料電池スタックの熱を受けて昇温されるので、ガス供給装置により供給されるガスとの水蒸気交換によって、このガスを加湿し、これにより、選択極（電解質膜）の初期加湿が行われる。
【０００８】
なお、冷却ラインからガス供給装置に冷却水が供給された分だけ、純水補給手段は冷却ラインに純水を補給する。
一方、燃料電池スタックの発電中にあっては、加湿器は、選択極に供給される投入ガスと酸化剤極を通過した排ガスとの間にて水蒸気交換を行うことで投入ガスを加湿し、選択極極を通じて電解質膜を加湿する。
【０００９】
具体的には、選択極は酸化剤極であって、そして、ガスラインは酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤ラインである（請求項２）。または、選択極は燃料極であって、そして、ガスラインは燃料極に還元剤を供給する還元剤ラインである（請求項３）。
一方、接続ラインは加湿器に冷却水を供給すべく接続され（請求項４）、具体的には、接続ラインは、加湿器に向かうガスラインの部位および酸化剤極から加湿器に排ガスを導くラインの何れかに冷却水を供給すべく接続されるか（請求項５）、または、選択剤極に冷却水を供給すべく接続されている（請求項６）。何れの場合にも、冷却水は選択極の加湿に利用され、結果的に電解質膜の初期加湿が実施される。
【００１０】
なお、加湿器に冷却水を供給する場合、接続ラインは加湿器に投入ガスを導く内部流路または加湿器に酸化剤極からの排ガスを導く内部流路の何れか接続される。
本発明は、燃料電池システムの加湿方法をも提供する。
本発明の加湿方法が適用される燃料電池システムは、燃料極、酸化剤極およびこれら燃料極と酸化剤極との間に挟まれた電解質膜を有する燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを通じて延び、純水の冷却水を循環させる冷却ラインとを備え、そして、本発明の加湿方法は、燃料電池スタックの発電に先立ち、冷却ラインの冷却水を所定温度まで昇温させる一方、酸化剤極および燃料極から選択された一方の選択極に対して冷却水を供給して選択極を加湿し、この後、燃料電池スタックの発電中には、選択極に供給される投入ガスと酸化剤極を通過した排ガスとの間にて水蒸気交換を行って投入ガスを加湿する（請求項７）。
【００１１】
上述の請求項５の加湿方法もまた、請求項１の燃料電池システムと同様な加湿作用を発揮することは明らかである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１〜７の燃料電池システムおよびその加湿方法は、水蒸気交換型の加湿器を含むガス供給装置に冷却ラインから昇温した冷却水を供給することで、燃料電池スタックの発電前から発電中に亘って燃料電池スタックの電解質膜を良好に加湿できる。それゆえ、電解質膜の加湿に大掛かりな機構を必要とせず、コンパクトな燃料電池システムの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、第１実施例の燃料電池システムを概略的に示す。
燃料電池システムは燃料電池スタック２を備え、この燃料電池スタック２は、燃料極４、空気極（酸化剤極）６、これら燃料極４と空気極６との間に挟み込まれた電解質膜８、そして、冷却部１０からなるセルを直列に積層した構造を有する。電解質膜８は前述したような固体高分子型のイオン交換膜から形成されている。なお、図１の燃料電池スタック２は単一のセルのみで表されている。
【００１４】
燃料極４には還元剤ライン５を通じて還元剤が供給され、還元剤は水素またはその組成内に水素を含んだ混合ガスである。一方、空気極６には酸化剤が供給され、この酸化剤は空気またはその組成内に酸素を含んだ混合ガスである。
燃料極４および空気極６にガス状の還元剤および酸化剤がそれぞれ供給されたとき、燃料極４にて、還元剤中の水素は下式（１）の電気化学反応により水素イオン及び電子を生成する。
【００１５】
Ｈ２  → ２Ｈ＋＋２ｅ−    ……（１）
水素イオンは電解質膜８内を通じて空気極６に移動し、電子は外部の電気回路を経て空気極６に移動する。
それゆえ、空気極６には酸化剤に含まれる酸素、水素イオンおよび電子が供給され、これらは空気極６にて、下式（２）の電気化学反応により水を生成する。
【００１６】
２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ    ……（２）
上述の電気化学反応により、燃料極４からは未反応の水素を含む燃料極オフガス（排ガス）が排出され、そして、空気極６からは水（水蒸気）を含んだ空気極オフガスが排出される。
燃料電池スタック２は上述の電気化学反応を継続することで発電し、この発電エネルギは外部の電気回路を通じて所望の負荷に供給される。
【００１７】
燃料電池スタック２の発電は発熱を伴うため、燃料電池スタック２を発電に適した温度に保持するため、その冷却部１０を通じて冷却ライン１１が延びている。この冷却ライン１１は純水からなる冷却水で満たされ、冷却ライン１１には冷却ポンプ１４およびヒータ１６がそれぞれ介挿されている。冷却ポンプ１４が駆動されると、冷却ライン１１内の冷却水は冷却部１０を通じて循環して冷却部１０を冷却し、発電中における燃料電池スタック２の温度を所望の温度に維持する。
【００１８】
なお、図１には示されていないが、冷却ライン１１の冷却水は熱回収ラインの熱回収水との間での熱交換によりその昇温が抑制され、燃料電池スタック２の冷却媒体として有効に働く。また、冷却水との熱交換により昇温した熱回収水は、給湯タンク内の水との間で熱交換することで、給湯タンク内の水を昇温させ、これにより、燃料電池スタック２の熱エネルギが効果的に回収される。
【００１９】
一方、燃料電池スタック２の発電前、ヒータ１６は通電されて冷却ライン１１内の冷却水を昇温させ、この冷却水の循環により燃料電池スタック２を発電に好適した温度まで昇温させる。
前述した空気極６への酸化剤の供給はガス供給装置によってなされ、このガス供給装置は酸化剤ライン１８を備える。この酸化剤ライン１８は空気極６を通過して延び、空気極６に向けて酸化剤を導く投入ライン部２０と、空気極６から前述した空気極オフガスを排出する排出ライン部２２とを有する。
【００２０】
投入ライン部２０および排出ライン部２２には加湿器２４が介挿されている。この加湿器２４は例えば中空糸型の水蒸気交換膜から形成され、投入ライン部２０に連なる内部流路２６と、排出ライン部２２に連なる内部流路２８とを有し、空気極６に向かう酸化剤の投入ガスと空気器躯６からの空気極オフガス中の水蒸気との間で水蒸気交換を行い、投入ガスを加湿する。
【００２１】
前述した冷却ライン１２からは接続ライン３０が分岐され、この接続ライン３０は加湿器２４の直上流にて投入ライン部２０に接続されている。接続ライン３０には電磁弁３２が介挿され、この電磁弁３２は接続ライン３０を開閉することができる。
一方、冷却ライン１２には補給ライン３４が接続され、この補給ライン３４は純水の供給源に接続されている。また、補給ライン３４にも電磁弁３６が介挿されている。なお、純水の供給源は上水道から供給された水をイオン交換膜フィルタにより純水化し、この純水を冷却ライン１２に向けて送出することができる。
【００２２】
次に、上述した燃料電池システムの加湿方法について以下に説明する。
燃料電池スタック２を発電させる前に、冷却ポンプ１４を駆動し、冷却ライン１２内にて純水の冷却水を循環させ、そして、ヒータ１６に通電し、冷却水をヒータ１６により昇温させる。このようにして昇温した冷却水が燃料電池スタック２の冷却部１０を通じて循環すると、燃料電池スタック２は発電に適した温度まで昇温する。このとき、冷却ライン１２内の冷却水もまたその全体が燃料電池スタック２の温度と同一の温度に昇温されていることに留意すべきである。
【００２３】
上述した昇温が完了すると、接続ライン３０の電磁弁３２が一時的に開かれ、冷却ライン１２内の昇温した冷却水は接続ライン３０を通じ、酸化剤ライン１８の投入ライン部２０、つまり、加湿器２４の内部流路２６内に所定量だけ流入する。
加湿器２４への冷却水の流入と同時か、または、これに先立に補給ライン３４の電磁弁３６もまた一時的に開かれ、冷却ライン１２内に冷却水となる純水が純水供給源から補給ライン３４を通じて補給される。ここでの純水の補給量は、冷却ライン１２から加湿器２４に流入した冷却水量に等しい。なお、電磁弁３６の閉弁は電磁弁３２の閉弁後に実施される。
【００２４】
この後、酸化剤ライン１８の投入ライン部２０を通じ、燃料電池スタック２の空気極６に向けて酸化剤が供給される。酸化剤の供給に伴い、加湿器２４に流入した冷却水は内部流路２６から投入ライン部２０を通じて空気極６に向けて供給され、この際、前述したように冷却水は昇温された状態にあるから、冷却水と酸化剤との間にて水蒸気交換が行われことで、酸化剤は加湿される。それゆえ、空気極６には加湿された酸化剤が供給され、この結果、燃料電池スタック２に供給される酸化剤の初期加湿、すなわち、燃料電池スタック２における電解質膜８の初期加湿が実施される。
【００２５】
上述した初期加湿が完了した後、燃料電池スタック２の燃料極４に還元剤ライン５を通じて還元剤が供給され、燃料電池スタック２はその発電を開始する。この発電に伴い、前述したように空気極６には水（水蒸気）が生成されるから、この後は、加湿器２４内にて、空気極オフガス（排ガス）中の水蒸気と酸化剤との間での水蒸気交換により、発電中での酸化剤の加湿が行われる。
【００２６】
この後、燃料電池スタック２の自己発熱により、燃料電池スタック２の温度がその運転に適した温度に維持可能になったとき、ヒータ１６への通電は停止される。
上述した燃料電池システムは、冷却ライン１２とガス供給装置との間、つまり、冷却ライン１２と加湿器２４との間を接続ライン３０で接続するだけで簡単な構成で、酸化剤の初期加湿から発電中での加湿を行うことができる。この結果、第１実施例では前述したように水タンク、給水ポンプ、イオン交換フィルタなどからなる大掛かりな加湿回路が不要となり、コンパクトな燃料電池システムの提供が可能となる。
【００２７】
本発明は上述した第１実施例に制約されるものではなく、種々の変更が可能である。
図２〜図４は第２〜第４実施例の燃料電池システムを示す。これら第２〜第４実施例の燃料電池システムを説明するあたり、第１実施例と同様な機能を発揮する部位には同一の参照符号を付してそれらの説明は省略する。
図２の燃料電池システムの場合、接続ライン３０は空気極６と加湿器２４の内部流路２８とを接続する酸化剤ライン１８の排出ライン部２２に接続されている。この場合、冷却水は加湿器２４の内部流路２８に流入することで、酸化剤の初期加湿を同様に行うことができる。
【００２８】
図３は、第３実施例の燃料電池システムを示す。
第３実施例の場合、接続ライン３０は加湿器２４ではなく空気極６、すなわち、酸化剤ライン１８における投入ライン部２０の下流端近傍に接続されている。
第２実施例での初期加湿は、冷却水による燃料電池スタック２の昇温に先立ち、空気極６に冷却ライン１２から冷却水が所定量だけ供給され、そして、冷却ライン１２への純水の補給がなされる。
【００２９】
この後、燃料電池スタック２は、昇温された冷却水より発電に適した温度まで昇温される。ここでの昇温は空気極６に供給された冷却水を昇温させる。この後、空気極６に酸化剤が供給されると、空気極６にて酸化剤と昇温した冷却液との間にて水蒸気交換が行われ、これにより、酸化剤、すなわち、電解質膜８の初期加湿を同様に行うことができる。
図４は、第４実施例の燃料電池システムを示す。
【００３０】
第４実施例の場合、加湿器２４は還元剤ライン５と酸化剤ライン１８の排出ライン部２２との間に介挿されており、そして、接続ライン３０は還元剤ライン５にて、加湿器２４の上流側、下流側、または、酸化剤ライン１８の排出ライン部２２に接続されている。それゆえ、第４実施例の燃料電池システムは、加湿器２４または燃料極４の何れかに接続ライン３０を通じて冷却ライン１２から昇温された冷却水を供給し、これにより、還元剤の加湿を介して電解質膜８の初期加湿を行うことができる。また、発電中における電解質膜８の加湿は、加湿器２４内にて空気極オフガス（排ガス）中の水蒸気と還元剤との間での水蒸気交換により還元剤の加湿を介して、電解質膜８の加湿が行われる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施例の燃料電池システムを示した概略図である。
【図２】第２実施例の燃料電池システムを示した概略図である。
【図３】第３実施例の燃料電池システムを示した概略図である。
【図４】第４実施例の燃料電池システムを示した概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
２                燃料電池スタック
４                燃料極
５                還元剤ライン
６                空気極（酸化剤極）
８                電解質膜
１０              冷却部
１２              冷却ライン
１６              ヒータ
１８              酸化剤ライン
２０              投入ライン部
２２              排出ライン部
２４              加湿器
３０              接続ライン
３２              電磁弁
３４              補給ライン
３６              電磁弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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