(57)【要約】【課題】燃料電池から排出されたアノードオフガスを循環させてもアノードオフガスの流路に水詰まりが発生しないようにした燃料電池のアノードガス供給装置を提供する。【解決手段】アノードガスを燃料電池（１０）に供給するアノードガス供給路（２２）と、燃料電池（１０）から排出されたアノードオフガスをアノードガス供給路（２２）に還流させるアノードオフガス還流路（２４）と、アノードガス供給路（２２）とアノードオフガス還流路（２４）の接続部に配置され、燃料電池（１０）に供給されるアノードガスにアノードオフガスを混合させるエジェクタ（３０）とを備えると共に、アノードオフガス還流路（２４）のエジェクタ（３０）よりも上流側に、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器（３２，３４）を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池にアノードガスを供給する燃料電池のアノードガス供給装置において、前記アノードガスを前記燃料電池に供給するアノードガス供給路と、前記アノードガス供給路に接続され、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記アノードガス供給路に還流させるアノードオフガス還流路と、前記アノードガス供給路と前記アノードオフガス還流路の接続部に配置され、前記燃料電池に供給されるアノードガスに前記アノードオフガスを混合させるエジェクタと、および前記アノードオフガス還流路の前記エジェクタよりも前記アノードオフガスの流れにおいて上流側に配置され、前記アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器とを備えることを特徴とする燃料電池のアノードガス供給装置。
【請求項２】
さらに、前記アノードオフガス還流路に接続され、前記アノードオフガスをパージさせるパージ流路を備えると共に、前記気水分離器は、前記アノードオフガス還流路において前記パージ流路が接続される部位よりも上流側と下流側の少なくともいずれかに配置されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池のアノードガス供給装置。
【請求項３】
さらに、前記アノードオフガス還流路において前記パージ流路が接続される部位よりも下流側と前記パージ流路の少なくともいずれかに開閉弁を配置したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池のアノードガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池のアノードガス供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池から排出されたアノードオフガスには、未使用のガス（燃料）が含まれる。そのため、アノードオフガスをアノードガスの供給路に還流させて燃料電池に再度供給する、即ち、アノードオフガスを循環させるのが一般的である（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−２２７１４号公報（図１など）
【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、アノードオフガスを循環させると、アノードオフガス中に含まれる水分がアノードオフガスの流路で凝集して水詰まりを発生し、アノードオフガスの流れを阻害するという不具合があった。
【０００４】
従ってこの発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池から排出されたアノードオフガスを循環させてもアノードオフガスの流路に水詰まりが発生しないようにした燃料電池のアノードガス供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料電池にアノードガスを供給する燃料電池のアノードガス供給装置において、前記アノードガスを前記燃料電池に供給するアノードガス供給路と、前記アノードガス供給路に接続され、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記アノードガス供給路に還流させるアノードオフガス還流路と、前記アノードガス供給路と前記アノードオフガス還流路の接続部に配置され、前記燃料電池に供給されるアノードガスに前記アノードオフガスを混合させるエジェクタと、および前記アノードオフガス還流路の前記エジェクタよりも前記アノードオフガスの流れにおいて上流側に配置され、前記アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器とを備えるように構成した。
【０００６】
また、請求項２に係る燃料電池のアノードガス供給装置にあっては、さらに、前記アノードオフガス還流路に接続され、前記アノードオフガスをパージさせるパージ流路を備えると共に、前記気水分離器は、前記アノードオフガス還流路において前記パージ流路が接続される部位よりも上流側と下流側の少なくともいずれかに配置されるように構成した。
【０００７】
また、請求項３に係る燃料電池のアノードガス供給装置にあっては、さらに、前記アノードオフガス還流路において前記パージ流路が接続される部位よりも下流側と前記パージ流路の少なくともいずれかに開閉弁を配置するように構成した。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に係る燃料電池のアノードガス供給装置にあっては、アノードガスを燃料電池に供給するアノードガス供給路と、燃料電池から排出されたアノードオフガスをアノードガス供給路に還流させるアノードオフガス還流路と、アノードガス供給路とアノードオフガス還流路の接続部に配置され、燃料電池に供給されるアノードガスにアノードオフガスを混合させるエジェクタとを備えると共に、アノードオフガス還流路のエジェクタよりも上流側に、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器を配置するように構成したので、アノードオフガスを循環させてもアノードオフガスの流路（還流路やエジェクタ）に水詰まりが発生することがない。
【０００９】
また、請求項２に係る燃料電池のアノードガス供給装置にあっては、さらに、アノードオフガス還流路に接続され、アノードオフガスをパージするパージ流路を備えると共に、アノードオフガス還流路においてパージ流路が接続される部位よりも上流側と下流側の少なくともいずれかに気水分離器を配置するように構成したので、アノードオフガスの流路に水詰まりが発生するのをより効果的に防止することができる。
【００１０】
また、請求項３に係る燃料電池のアノードガス供給装置にあっては、さらに、アノードオフガス還流路においてパージ流路が接続される部位よりも下流側とパージ流路の少なくともいずれかに開閉弁を配置するように構成したので、上記した効果に加え、アノードオフガスの循環とパージを切り替え自在とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池のアノードガス供給装置の最良の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池のアノードガス供給装置を示す概略図である。
【００１３】
図１において符号１０は、燃料電池（スタック）を示す。燃料電池１０は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するカソード極とアノード極と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池（セル）を複数個積層して形成された公知の固体高分子型燃料電池である。
【００１４】
燃料電池１０の空気極には、燃料電池１０にカソードガス（空気。具体的には酸素ガス）を供給するカソードガス供給系１２が接続される。カソードガス供給系１２は、カソードガス供給路１４と、カソードオフガス排出路１６と、カソードガスポンプ１８などから構成される。
【００１５】
カソードガス供給路１４はカソード極の入口側に接続される一方、カソードオフガス排出路１６はカソード極の出口側に接続される。また、カソードガス供給路１４には、カソードガスポンプ１８が配置される。
【００１６】
燃料電池１０のアノード極には、燃料電池１０に燃料（アノードガス。具体的には水素ガス）を供給するアノードガス供給系２０が接続される。アノードガス供給系２０は、アノードガス供給路２２と、アノードオフガス還流路２４と、パージ流路２６と、調圧弁２８と、エジェクタ３０と、第１および第２の気水分離器３２，３４と、第１および第２の電磁弁（開閉弁）３６，３８とから構成される。
【００１７】
アノードガス供給路２２はアノード極の入口側に接続される一方、アノードオフガス還流路２４はアノード極の出口側に接続される。アノードガス供給路２２の上流端は、水素タンクなどのアノードガス供給源に接続される。また、アノードガス供給路２２においてアノードガス供給源よりも下流側には、調圧弁２８が配置される。尚、この明細書において「上流」および「下流」とは、そこを流れるガスの流れ方向における上流と下流を意味する。
【００１８】
アノードオフガス還流路２４の下流端は、アノードガス供給路２２の調圧弁２８よりも下流側に接続される。アノードガス供給路２２とアノードオフガス還流路２４の接続部には、エジェクタ３０が配置される。即ち、アノードオフガス還流路２４は、エジェクタ３０を介してアノードガス供給路２２に接続される。
【００１９】
アノードオフガス還流路２４には、第１の気水分離器３２が配置されると共に、第１の気水分離器３２よりも下流側に第２の気水分離器３４が配置される。アノードオフガス還流路２４において第１の気水分離器３２と第２の気水分離器３４の間には、パージ流路２６が接続される。
【００２０】
アノードオフガス還流路２４においてパージ流路２６が接続される部位よりも下流側、より詳しくは、第２の気水分離器３４よりも下流側には、第１の電磁弁３６が配置される。また、パージ流路２６には、第２の電磁弁３８が配置される。
【００２１】
燃料電池１０には、電圧センサ４０が接続される。電圧センサ４０は、燃料電池１０の出力電圧Ｖを示す出力を生じる。電圧センサ４０の出力は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）４２に入力される。ＥＣＵ４２はマイクロ・コンピュータからなり、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなど（いずれも図示せず）を備える。ＥＣＵ４２は、入力された出力電圧Ｖに基づいて第１および第２の電磁弁３６，３８の動作（開閉）を制御し、アノードオフガスのパージを実行する。
【００２２】
カソードガスポンプ１８によって吸引されたカソードガスは、カソードガス供給路１４と図示しない加湿器を介して燃料電池１０のカソード極に供給される。また、アノードガス供給源からアノードガス供給路２２に高圧で圧送されたアノードガスは、調圧弁２８で３０ｋＰａ程度に減圧された後、エジェクタ３０を通過して燃料電池１０のアノード極に供給される。
【００２３】
燃料電池１０に供給されたカソードガスとアノードガスは、電気化学反応を生じる。カソード極およびアノード極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
カソード極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
アノード極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
従って、全体の反応は下記となる。
全体：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【００２４】
上記の反応によって燃料電池１０が発電した電力（直流電流）は、図示しない出力端子と出力回路を介して電気負荷（外部の電気機器）に供給される。
【００２５】
カソード極から排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス排出路１６を介して燃料電池１０の外部に排出される。また、アノード極から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス還流路２４に流入される。第１の電磁弁３６が開弁され、かつ第２の電磁弁３８が閉弁されているとき、アノードオフガス還流路２４に流入されたアノードオフガスは、第１の気水分離器３２、第２の気水分離器３４および第１の電磁弁３６を介してエジェクタ３０に流入される。
【００２６】
エジェクタ３０は、アノードガス供給路２２を通過する（アノードガス供給源から供給された）新規のアノードガスを駆動流としてアノードオフガスを吸引し、アノードガスにアノードオフガスを混合する。即ち、燃料電池１２から排出されたアノードオフガスは、還流路２４とエジェクタ３０を介してアノードガス供給路２２に還流され、燃料電池１０に再度供給される。別言すれば、アノードオフガスは、アノードガス供給系２０を循環させられる。
【００２７】
ここで、図２および図３を参照し、第１の気水分離器３２と第２の気水分離器３４の構造について説明する。図２は第１の気水分離器３２の拡大断面図であり、図３は第２の気水分離器３４の拡大断面図である。
【００２８】
先ず、図２を参照して第１の気水分離器３２の構造について説明すると、図示の如く第１の気水分離器３２は箱状を呈し、側面３２ａの上部（鉛直方向において上部）と、側面３２ａに対向する側面３２ｂの下部（具体的には、底面３２ｃよりもわずかに上方の位置）に、それぞれ開口部３２ｄ，３２ｅが設けられる。
【００２９】
開口部３２ｄには、アノードオフガス還流路２４の上流側が接続される一方、開口部３２ｅには、アノードオフガス還流路２４の下流側が接続される。図示の如く、第１の気水分離器３２の断面積は、アノードオフガス還流路２４のそれよりも大きく設定される。また、各側面３２ａ，３２ｂには、金属線のフィン３２ｆが複数枚取り付けられる。具体的には、各側面３２ａ，３２ｂ（気水分離器３２の内面）には、気水分離器３２の内方に向けて突出されたフィン３２ｆが上下に複数枚（２枚）配列されて取り付けられる。フィン３２ｆは、気水分離器３２の内方側の端部が側面３２ａ，３２ｂ側の端部よりも下方に位置するように傾斜させられる。
【００３０】
アノードオフガス還流路２４から開口部３２ｄを介して第１の気水分離器３２の内部に流入されたアノードオフガスは、圧力低下や壁面（フィン３２ｆを含む）との接触面積の増加によって温度が低下し、アノードオフガスに含まれる水分（水蒸気）が凝集させられる。凝集させられた水分は、第１の気水分離器３２の底面３２ｃに滞留させられる。これにより、アノードオフガスに含まれる水分がアノードオフガスから除去される。水分が除去されたアノードオフガスは、開口部３２ｅからアノードオフガス還流路２４へと流出される。尚、フィン３２ｆは、気水分離器３２の内方側の端部が側面３２ａ，３２ｂ側の端部よりも下方に位置するように傾斜させられるため、フィン３２ｆに付着した水分は底面３２ｃに滴下させられる。
【００３１】
次いで、第２の気水分離器３４の構造について説明する。図３に示すように、アノードオフガス還流路２４は、一部が鉛直方向と平行となるように屈曲され、その鉛直方向と平行な部位（符号２４ａで示す）に第２の気水分離器３４が配置される。第２の気水分離器３４は箱状を呈し、底面３４ａと上面３４ｂにそれぞれ開口部３４ｃ，３４ｄが設けられる。
【００３２】
開口部３４ｃには、アノードオフガス還流路２４（２４ａ）の上流側が接続される一方、開口部３４ｄには、アノードオフガス還流路２４（２４ａ）の下流側が接続される。第２の気水分離器３４の断面積は、アノードオフガス還流路２４（２４ａ）のそれよりも大きく設定される。また、第２の気水分離器３４の内部（具体的には、開口部３４ｄの直近）には、水分捕集部材３４ｅが設けられる。水分捕集部材３４ａは、例えばポーラス（多孔質）金属やポーラスセラミックなどからなり、アノードオフガス中のガス成分（水素ガス）を透過させる一方、水分の通過を阻止する。
【００３３】
アノードオフガス還流路２４（２４ａ）から開口部３４ｃを介して第２の気水分離器３４の内部に流入されたアノードオフガスは、圧力低下や壁面との接触面積の増加によって温度が低下し、アノードオフガスに含まれる水分（第１の気水分離器３２で除去しきれなかった水分）が凝集させられる。凝集させられた水分は、水分捕集部材３４ａで捕集されて下方へと滴下される。これにより、アノードオフガスに含まれる水分がアノードオフガスから除去される。水分が除去されたアノードオフガスは、開口部３４ｄからアノードオフガス還流路２４（２４ａ）へと流出される。第２の気水分離器３４から流出されたアノードオフガスは、第１の電磁弁３６を介してエジェクタ３０に流入され、そこでアノードガスと混合されて燃料電池１０に供給される。
【００３４】
尚、アノードオフガスは、還流路２４を通過するに従って温度が低下して水分が凝集し易くなる。そのため、アノードオフガスに含まれる水分を効率的に除去（捕集）するには、第２の気水分離器３４をエジェクタ３０の直近に配置することが望ましい。この実施例にあっては、第２の気水分離器３６からエジェクタ３０までの距離を２０ｍｍに設定し、その間に第１の電磁弁３６を配置するようにした。
【００３５】
図１の説明に戻ると、第１の電磁弁３６が閉弁され、かつ第２の電磁弁３８が開弁されると、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスはアノードオフガス還流路２４の途中から（第２の気水分離器３４の下流から）パージ流路２６に流入し、第２の電磁弁３８を介してパージさせられる。このとき、第１の気水分離器３２に滞留された水分と第２の気水分離器３４によって捕集された水分がアノードオフガスと共にパージ流路２６から外部に排出される。
【００３６】
次いで、図４を参照し、第１および第２の電磁弁３６，３８の開閉処理（アノードオフガスのパージ処理）について説明する。図４は、その処理を表すフローチャートである。図示のプログラムは、ＥＣＵ４２で所定の周期（例えば１０ｍｓｅｃごと）で実行される。
【００３７】
以下、図４フローチャートについて説明すると、先ずＳ１０において、アノードオフガスのパージを実行中か否か判断する。Ｓ１０で否定されるときはＳ１２に進み、パージの実行タイミングか否か判断する。パージは、所定時間間隔ごとに定期的に行ってもよいし、電圧センサ４０で検出された出力電圧Ｖが低下したとき（所定値を下回ったとき）に行うようにしてもよい。
【００３８】
Ｓ１２で肯定されるときはＳ１４で第１の電磁弁３６を閉弁すると共に、Ｓ１６で第２の電磁弁３８を開弁し、アノードオフガスのパージを実行して水分をパージ流路２６から排出させる。一方、Ｓ１２で否定されるときはＳ１８で第１の電磁弁３６を開弁すると共に、Ｓ２０で第２の電磁弁３８を閉弁し、アノードオフガスをアノードガス供給路２２に還流させる。
【００３９】
また、Ｓ１０で肯定されるときはＳ２２に進み、パージを開始してから所定時間（数秒）経過したか否か判断する。Ｓ２２で否定されるときはＳ１４とＳ１６に進んでパージの実行を継続し、Ｓ２２で肯定されるときはＳ１８とＳ２０に進んでパージを終了する。
【００４０】
このように、この発明の第１実施例に係る燃料電池の制御装置にあっては、アノードガスを燃料電池１０に供給するアノードガス供給路２２と、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスをアノードガス供給路２２に還流させるアノードオフガス還流路２４と、アノードガス供給路２２とアノードオフガス還流路２４の接続部に配置され、燃料電池１０に供給されるアノードガスにアノードオフガスを混合させるエジェクタ３０とを備えると共に、アノードオフガス還流路２４のエジェクタ３０よりも上流側に、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器３２，３４を配置するように構成したので、アノードオフガスを循環させてもアノードオフガスの流路（還流路２４やエジェクタ３０）に水詰まりが発生することがない。
【００４１】
また、アノードオフガス還流路２４に接続され、アノードオフガスをパージするパージ流路２６を備えると共に、アノードオフガス還流路２４においてパージ流路２６が接続される部位よりも上流側と下流側に気水分離器３２，３４を配置するように構成したので、アノードオフガスの流路に水詰まりが発生するのをより効果的に防止することができる。
【００４２】
また、アノードオフガス還流路２４においてパージ流路２６が接続される部位よりも下流側とパージ流路２６に電磁弁３６，３８を配置するように構成したので、アノードオフガスの循環とパージを切り替え自在とすることができる。
【００４３】
尚、上記において、アノードオフガス還流路２４に気水分離器を２個配置するようにしたが、いずれか一方のみ配置するようにしてもよい。また、還流路２４とパージ流路２６に１個ずつ電磁弁を配置するようにしたが、還流路２４とパージ流路２６の接続部に三方電磁弁を配置するようにしてもよい。
【００４４】
また、図４フローチャートのＳ１４とＳ１６に示すように、パージを実行する際、第１の電磁弁３６を閉弁するのと同時に第２の電磁弁３８を開弁するようにしたが、発明者らの実験を通じて得た知見によれば、第１の電磁弁３６を閉弁した後、数秒から１０秒程度経過してから第２の電磁弁３８を開弁しても、水詰まりの発生を防止することができた。
【００４５】
また、第１の気水分離器３２や第２の気水分離器３４の構造も図２および図３に示すものに限られず、例えば図５に示すような気水分離器を使用してもよい。図５に示す気水分離器５０は、アノードオフガス還流路２４の一部を拡径して形成した簡易な気水分離器である。具体的には、アノードオフガス還流路２４の内径よりも大きな内径を有する配管５２を、異径ジョイント５４，５６を介して還流路２４の途中に介挿するようにした。これにより、アノードオフガスに含まれる水分は配管５２の内部で凝集して配管５２の底部に滞留され、よってアノードオフガスから水分が除去される。
【００４６】
以上のように、この発明の第１実施例にあっては、燃料電池（１０）にアノードガスを供給する燃料電池のアノードガス供給装置において、前記アノードガスを前記燃料電池（１０）に供給するアノードガス供給路（２２）と、前記アノードガス供給路（２２）に接続され、前記燃料電池（１０）から排出されたアノードオフガスを前記アノードガス供給路（２２）に還流させるアノードオフガス還流路（２４）と、前記アノードガス供給路（２２）と前記アノードオフガス還流路（２４）の接続部に配置され、前記燃料電池（１０）に供給されるアノードガスに前記アノードオフガスを混合させるエジェクタ（３０）と、および前記アノードオフガス還流路（２４）の前記エジェクタ（３０）よりも前記アノードオフガスの流れにおいて上流側に配置され、前記アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器（第１の気水分離器３２、第２の気水分離器３４、気水分離器５０）とを備えるように構成した。
【００４７】
さらに、前記アノードオフガス還流路（２４）に接続され、前記アノードオフガスをパージさせるパージ流路（２６）を備えると共に、前記気水分離器（３２，３４，５０）は、前記アノードオフガス還流路（２４）において前記パージ流路（２６）が接続される部位よりも上流側と下流側の少なくともいずれかに配置されるように構成した。
【００４８】
さらに、前記アノードオフガス還流路（２４）において前記パージ流路（２６）が接続される部位よりも下流側と前記パージ流路（２６）の少なくともいずれかに開閉弁（第１の電磁弁３６、第２の電磁弁３８）を配置するように構成した。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の第１実施例に係る燃料電池の制御装置を示す概略図である。
【図２】図１に示す第１の気水分離器の拡大断面図である。
【図３】図１に示す第２の気水分離器の拡大断面図である。
【図４】図１に示す第１および第２の電磁弁の開閉処理を表すフローチャートである。
【図５】図１に示す第１および第２の気水分離器の変形例を表す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０：燃料電池、２２：アノードガス供給路、２４：アノードオフガス還流路、２６：パージ流路、３０：エジェクタ、３２：第１の気水分離器、３４：第２の気水分離器、３６：第１の電磁弁（開閉弁）、３８：第２の電磁弁（開閉弁）、５０：気水分離器
【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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