(57)【要約】【課題】コスト上昇を抑制しつつ燃料オフガスをより確実に希釈して排出する。【解決手段】  燃料電池２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスに含まれる水分を用いて燃料電池２に供給される供給酸化ガスを加湿する加湿器１５と、前記燃料電池２から排出された燃料オフガスを加湿器１５に導く排出路（燃料オフガス排気管）２５とを備え、前記燃料オフガスが前記加湿器１５によって加湿源として用いられる。【選択図】図１
2007311138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された酸化オフガス中に含まれる水分を用いて前記燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記加湿器よりも前記酸化オフガスの流路の上流側に導入する燃料オフガス導入流路が設けられている燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿器は、前記酸化ガスが給排される供給ガス室と、前記酸化オフガスと前記燃料オフガスとの混合ガスが給排されるオフガス室とが、水分を選択的に通過させる膜を介して仕切られている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記オフガス室におけるガス流れ方向と直交する流路断面積は、当該オフガス室よりも上流および下流における前記酸化オフガスの流路断面積よりも大とされている請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された酸化オフガス中に含まれる水分を用いて前記燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおける燃料オフガス排出方法において、
前記燃料オフガスを前記加湿器よりも上流側で前記酸化オフガスと混合させて排出する燃料電池システムにおける燃料オフガス排出方法。
【請求項５】
前記酸化オフガスと前記燃料オフガスとの混合ガスを、前記加湿器内で膨張させた後さらに収縮させる請求項４に記載の燃料電池システムにおける燃料オフガス排出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と加湿器を備えた燃料電池システムおよび燃料電池システムにおける燃料オフガス排出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードガスとして例えば水素ガスを用い、カソードガスとして例えば酸化ガス（空気）を用いて水素ガスと電気化学反応を行うことで発電を行う。従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出された排気水素（水素オフガス）は、水素希釈器にてカソードオフガス分流エアと混合希釈させ、その後、カソードオフガス主流に合流させてテールパイプより排出している。
【特許文献１】特開２００５−１７４７５７号公報
【特許文献２】特開２００５−２０９４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、図３に示すように、テールパイプ１００中に排出されるオフガス中の水素濃度はテールパイプ１００の径方向位置によって異なる。同図の場合には、合流側のＡ部では水素濃度が高く、Ｂ部では水素濃度が低い。このように、テールパイプ１００で合流させた後の水素希釈が不安定であると、水素希釈を確実に行うためには、水素希釈器の容量、能力アップが必要となり、必要以上のコスト高を招くという問題を有する。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コスト上昇を抑制しつつ燃料オフガスをより確実に希釈して排出することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムにおける燃料オフガス排出方法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】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された酸化オフガス中に含まれる水分を用いて前記燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記加湿器よりも前記酸化オフガスの流路の上流側に導入する燃料オフガス導入流路が設けられているものである。
【０００６】
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料オフガス排出方法は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された酸化オフガス中に含まれる水分を用いて前記燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおける燃料オフガス排出方法において、前記燃料オフガスを前記加湿器よりも上流側で前記酸化オフガスと混合させて排出するものである。
【０００７】
以上の構成によれば、燃料オフガスと酸化オフガスとの混合ガスが加湿器に導入されると、加湿器内で燃料オフガスと酸化オフガスとの混合が促進されるので、従来のようにテールパイプにて合流させる場合と比較して、より均一に混合させることができるので、燃料オフガス中の燃料ガスを効率的に希釈することができる。
【０００８】
また、加湿器が消音器としても機能するので、燃料オフガスの流路にパージ弁を設けた場合におけるパージ弁の開弁時に生ずる騒音を低減させることができる。
【０００９】
さらに、酸化オフガス中の水分（カソード排水）だけではなく、燃料オフガス中の水分（アノード排水）も酸化ガス加湿用の水分として利用することが可能になり、加湿器の加湿性能を向上させることができる。
【００１０】
なお、前記加湿器は、前記酸化ガスが給排される供給ガス室と、前記酸化オフガスと前記燃料オフガスとの混合ガスが給排されるオフガス室とが、水分を選択的に通過させる膜を介して仕切られていてもよい。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記オフガス室におけるガス流れ方向と直交する流路断面積は、当該オフガス室よりも上流および下流における前記酸化オフガスの流路断面積よりも大とされていてもよく、また、本発明の燃料電池システムにおける燃料オフガス排出方法においては、前記酸化オフガスと前記燃料オフガスとの混合ガスを、前記加湿器内で膨張させた後さらに収縮させるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料オフガスを経済的かつ効率的に希釈して排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法について説明する。なお、本実施形態は燃料電池システムが搭載された燃料電池車両を例に説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１４】
図１は、燃料電池システムの構成図である。この燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００１５】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。
【００１６】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。供給路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通過した後、後述のように水素オフガスと合流し、加湿器１５で水分交換に供され、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
【００１７】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路（燃料オフガス導入流路）２５と、を有している。
【００１８】
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。
【００１９】
供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、モータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。
【００２０】
排出路２５は、加湿器１５よりも上流側であって背圧調整弁１６の下流側の位置（以下、導入部Ｂ）で排出路１２に合流している。排出路２５には、遮断弁であるパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、不純物を含む水素オフガスが排出され、加湿器１５に導入される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
【００２１】
図２は、加湿器１５の概略構造図である。加湿器１５は例えばナフィオン等の加湿膜１５ａにより供給ガス室１５ｂとオフガス室１５ｃとに区分けされ、供給ガス室１５ｂとオフガス室１５ｃの内部のガスは互いに混合することなく、加湿膜１５ａを通して水蒸気のみがオフガス室１５ｃから供給ガス室１５ｂに流入する。すなわち、供給ガス室１５ｂとオフガス室１５ｃとは、水分を選択的に通過させる膜を介して仕切られている
【００２２】
また、本実施形態の加湿器１５では、そのオフガス室１５ｃにおけるガス流れ方向と直交する流路断面積は、当該オフガス室１５ｃすなわち加湿器１５よりも上流および下流における酸化オフガスの排出路１２の流路断面積よりも大とされている
【００２３】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００２４】
制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、パージ弁３３の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統３，４や冷媒系統５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
【００２５】
以上の構成からなる燃料電池システム１では、燃料電池２において酸化ガスと燃料ガスとにより発電反応が行われ、それぞれ酸化オフガス及び水素オフガスとして排出路１２と循環路２３とに排出される。そして、燃料電池２から排出された水素オフガスは、パージ弁３３が開くことにより循環路２３から排出路２５に流入する。
【００２６】
水素オフガスは加湿器１５よりも上流の導入部Ｂにて排出路１２に合流し、酸化オフガスと混合して加湿器１５に流入する。加湿器１５のオフガス室１５ｃでは酸化オフガスと水素オフガスの混合ガスが、流路断面積の拡大・縮小に伴い、拡散・収縮されることによって均一に混合する。混合ガスに含まれる水蒸気は加湿膜１５ａを通過し、供給ガス室１５ｂに流入し、供給酸化ガスの加湿が行われる。
【００２７】
このように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、水素オフガスと酸化オフガスとを従来のテールパイプにて合流させる場合と比較して、水素オフガスを酸化オフガスとより均一に混合させることができるので、水素オフガスの希釈をより確実に行うことができる。したがって、容積・能力が必要以上に高い水素希釈器を設ける必要がなく、経済性を向上することができる。
【００２８】
また、加湿器１５内の容積が消音器として機能し、パージ弁３３の開弁時に生ずる騒音を低減することができる。さらにまた、酸化オフガス中に含まれる水分（カソード排水）だけではなく、燃料オフガス中に含まれる水分（アノード排水）も加湿用の水として利用することができるため、加湿器１５の加湿性能を向上させることができる。
【００２９】
なお、加湿器１５の内部は水蒸気のみを通す加湿膜１５ａにより仕切られているため、オフガス室１５ｃに導入された水素オフガスが供給側に流入することはない。また、供給ガス室１５ｂはオフガス室１５ｃよりもガス流れ方向の上流側であるため、オフガス室１５ｃよりも圧力が高く、加湿膜１５ａに万が一穴が開いてもオフガス室１５ｃ側から供給ガス室１５ｂ側へガスが流入することは抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示すシステム構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムに用いられる加湿器の概略構成を示す断面図である。
【図３】従来の水素希釈状態を模式的に示すテールパイプの断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…燃料ガス配管系、１５…加湿器、１５ａ…加湿膜（膜）、１５ｂ…供給ガス室、１５ｃ…オフガス室、２５…排出路（燃料オフガス導入流路）
【図１】
2007311138.tif 000003
【図２】
2007311138.tif 000004
【図３】
2007311138.tif 000005