(57)【要約】【課題】燃料電池から排出される燃料ガスの熱を用いて酸化ガスを暖め、燃料電池システム全体のエネルギー効率を向上させる。【解決手段】高温膜を用いた燃料電池スタック１００に、燃料ガスの循環流路２０２を設け、燃料電池スタック１００へ空気を供給する空気導入路１２３内に設けられた熱交換器２７に循環流路２０２を接続する。高温の燃料ガスは、熱交換器２７で冷やされ、空気には暖められる。この熱交換器２７により、空気を暖めるヒータＨの出力は省力化でき、熱交換器２７の下流側の循環流路２０２に設けられる補機類は、耐熱強度を下げることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが流入される燃料室と、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、
前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給するための供給路と、
一端が前記供給路に他端が前記燃料室のガス排出口に接続され、前記燃料室の燃料ガスを、前記供給路を介して前記燃料室へ循環させるための循環路と、
前記循環路に設けられ、前記燃料室の燃料ガスを、前記循環路を介して前記供給路に循環させる循環ポンプと、
前記酸化ガス室に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路と、を備え、
前記循環路は、前記酸化ガス供給路において酸化ガスと燃料ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を有することを特徴する燃料電池システム。
【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、詳しくは燃料室からの排気ガスと供給される酸化ガスとの熱交換機能を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生させるものであり、例えば、固体高分子電解質型燃料電池では、基本単位となる単位セルとセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックが構成される。そして、単位セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池では、水素及び空気（酸素）が供給されることにより、以下のような水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。 
（水素極側）Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
そして、燃料電池には、上記発電された電力を取り出すための集電板が、積層方向における両端に設けられている。この集電板で取り出された電力は、インバータを介して走行モータ等の負荷に供給され、あるいは図示しない２次電池の充電等に用いられる。
【０００３】
ところで、上記発電反応を行うためには、電解質膜の性質に応じて、最適な温度環境が必要になるが、発電反応によって生成される水を蒸発させ、燃料室内での生成水の滞留を防止するために、摂氏１００度以上において反応効率が高い電解質膜が用いられる。
【特許文献１】特開平０６−１８８０１７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、発電反応を行う際の温度環境が高い場合には、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化ガスが運転時の温度より低いため、これらのガスを燃料電池へ供給する前に、予め暖める必要がある。このため、酸化ガスの供給路にヒータ等の加熱装置を配置する必要があるが、加熱のためにエネルギーを消費するため、エネルギー効率が悪化するといった問題があった。 
また、高温となった排出ガスを導く配管やバルブ等を耐熱性を強化する必要があり、イニシャルコストが高価となるとともに、周囲に配置されている機器類の温度も上昇し、悪影響を受けるといった問題もあった。
【０００５】
本発明は、燃料電池から排出される燃料ガスの熱を用いて酸化ガスを暖め、燃料電池システム全体のエネルギー効率が向上した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】
【０００６】
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）  燃料ガスが流入される燃料室と、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、
前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給するための供給路と、
一端が前記供給路に他端が前記燃料室のガス排出口に接続され、前記燃料室の燃料ガスを、前記供給路を介して前記燃料室へ循環させるための循環路と、
前記循環路に設けられ、前記燃料室の燃料ガスを、前記循環路を介して前記供給路に循環させる循環ポンプと、
前記酸化ガス室に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路とを備え、
前記循環路は、前記酸化ガス供給路において酸化ガスと燃料ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を有することを特徴する燃料電池システム。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池から排出される加熱された燃料ガスは、循環路を通過して再び燃料電池へ供給されるので、新たに供給される燃料ガスと混合され、燃料電池へ供給される燃料ガスの温度を上げることができる。また、循環路は、酸化ガス供給路において熱交換器により、酸化ガスとの間で熱交換が行われ、酸化ガスを暖めるため、酸化ガスを暖めるためのエネルギー消費量を抑制することができる。さらに、循環路を通過する燃料ガスの温度を低下させることができるので、循環路や循環路に設けられた補機類の耐熱強度を低くでき、イニシャルコストを下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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７とに大略構成される。
【０００９】
図２は、燃料電池スタック１０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。
【００１０】
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、発電反応によって発生する生成水が気化し、燃料ガスや酸化ガスとともに排出されるため、燃料電池スタック内に水が溜まることがなく、水排出のための構造を付加する必要もなくなる。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。また、燃料電池スタック１００の外周面には、ヒータＨｓが付設されており、このヒータＨｓは、始動時において燃料電池スタック１００全体を暖めるために作用する。
【００２０】
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、ヒータＨ、空気入口温度センサＳ５、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。
【００２１】
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、外部へ導流する。排気ダクト１２４には、吸熱用熱交換器１２６が接続され、熱が吸収された排気は、フィルタ１２５を介して外部に排出される。排出される空気の温度は、吸熱用熱交換器１２６の下流側に設けられた温度センサＳ６で検出される。また、排気ダクト１２４には、空気流出部３２７から排出された空気の温度を検出するための温度センサＳ５が設けられている。この温度センサＳ５によって、燃料電池スタック１００の温度を間接的に検出することができる。
【００２２】
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、水素元開閉弁Ｖ０、一次センサＳ０、レギュレータＶ２、二次供給弁Ｖ１、二次圧センサＳ１、水素調圧弁Ｖ３、ガス供給弁Ｖ４、三次圧センサＳ２が順に設けられ、三次圧センサＳ２とガス取入口２０１ＡＩＮの間には、ガス導出路２０１Ｂと外気流入路２０６の一端がそれぞれ接続されている。また、水素調圧弁Ｖ３には、起動電磁弁Ｖ３aが並列に接続され、起動時には、起動電磁弁Ｖ３aを開放することで、３次圧よりも圧力の高い２次圧が、燃料電池スタック１００に供給できる構成となっている。
【００２３】
外気流入路２０６の他端は、外部に開口し、開口側からフィルタ２９、外気導入電磁弁Ｖ５が順に設けられている。ガス導出路２０１Ｂは、他端が外部に開口し、開口側から減圧用電磁弁Ｖ６、循環電磁弁Ｖ７が順に設けられている。 
燃料電池スタック１００のガス排出口２０２ＯＵＴには、ガス循環流路２０２の一端が接続され、その他端は、ガス導出路２０１Ｂの減圧用電磁弁Ｖ６と循環電磁弁Ｖ７の間に接続されている。また、ガス循環流路２０２には、循環ポンプ２５が設けられ、ガス排出口２０２ＯＵＴからガス導出路２０１Ｂ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、ガス導出路２０１Ｂ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。
【００２４】
なお、ガス循環流路２０２は、熱交換器２７を備えている。図４は、熱交換器２７の構成を示す斜視図である。熱交換器２７は、空気導入路１２３内に位置し、空気導入路１２３を横断する方向に配置され、空気導入路１２３内を流れる空気の流線に対して直行する平面内において蛇行する管体２７１を有する。管体２７１内を水素ガスが通過する際、空気と水素ガスとの間で、熱交換が行われ、水素ガスは冷やされ、空気は暖められる。空気導入路１２３内の管体２７１は、特に他の部位の配管よりも熱伝導率の良い材料で構成されていることが好ましい。外側雰囲気の空気と、内側雰囲気の水素ガスとの熱交換を、より効率よく行うためである。また、他の部位の配管に用いられる材質は、周囲の配置された部品に、熱による悪影響を与えないように、熱伝導率の低い材料を用いることが好ましい。また、管体２７１は、蛇行形状に限らず、螺旋形状など他の形状であってもよい。例えば、螺旋形状の中心線が、空気導入路１２３内の空気流の流線に平行となるように、配置されていてもよい。
【００２５】
燃料電池スタック１００には、負荷系７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７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３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７３には、出力制御装置７５を介して補助電源であるキャパシタ７６が接続されている。
【００２６】
燃料電池システム１の制御装置には、各センサＳ０〜Ｓ６の検出値が入力され、かつ、各電磁弁Ｖ１〜７、ポンプ２５、ファン１２２、暖機ヒータＨｓ、ヒータＨ、インバータ７３、出力制御装置７５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。
【００２７】
以上のように構成された燃料電池システム１の作用について説明する。起動時においては、温度センサＳ５又はＳ６によって外部環境へ排出される空気の排気温度を検出しながらヒータＨｓによって、燃料電池スタック１００を暖める。この際の電力は、キャパシタ７６に蓄えられている電力が利用される。
【００２８】
燃料電池スタック１００の温度が高温膜の可動域に達した後、燃料電池スタック１００内に充填されていた置換ガスを水素ガスに置換する。つまり、減圧用電磁弁Ｖ６以外電磁弁を閉じ、循環ポンプ２５を駆動させ、起動電磁弁Ｖ３ａを開放することで、水素ガスの高圧力によって置換する。
【００２９】
同時に、空気ファン１２２を駆動させ、空気を燃料電池スタック１００へ送り込む。この際、空気の温度は、外気温となっており、暖機された燃料電池スタック１００の温度よりも低い。このため、燃料電池スタック１００の温度を低下させないために、ヒータＨにより、空気を暖めて、燃料電池スタック１００へ送り込む。
【００３０】
燃料電池スタック１００からは、燃料ガスと酸化ガスとの発電反応により負荷へ電力が供給される。供給される水素ガスは、燃料電池スタック１００内で一部消費され、ガス排出口２０２ＯＵＴから排出される。この際、水素ガスの温度は、燃料電池スタック１００と同程度となっている。排出された水素ガスは、ガス循環流路２０２を通過する際、熱交換器２７を通過する。ここで、水素ガスは、空気導入路１２３を通過する空気によって冷やされる。また空気は、熱交換器２７を通過する際、水素ガスによって暖められる。
【００３１】
循環流路２０２において、熱交換器２７の下流側では、水素ガスの温度が低くなるので、配管、ポンプ、電磁弁などの構成を、耐熱温度を低く設定できるので、安価に構成することが可能となる。また、水素ガス配管の周囲に配置されている部品などに対する熱の影響も抑制することができる。
【００３２】
また、空気導入路１２３では、熱交換器２７の下流側の空気の温度が高くなり、暖められた空気を燃料電池スタック１００へ供給することができる。この場合、燃料電池スタック１００へ供給される空気の温度は、温度センサＳ４によって検出され、さらに空気を暖める必要がある場合には、ヒータＨをオンする。熱交換器２７により、空気はすでに暖められているため、ヒートＨの出力は、外気を直接暖める場合には比較して、低くすることができ、消費電力を減らすことが可能となる。
【００３３】
循環流路２０２に排出された水素ガスは、循環ポンプ２５により吸引され、燃料ガス供給流路２０１Ａへ向けて排出される。循環電磁弁Ｖ７は開放されているので、水素ガスは燃料ガス供給流路２０１Ａ、燃料電池スタック１００、ガス循環流路２０２、ガス導出路２０１Ｂの順に循環する。
【００３４】
一方、燃料電池スタック１００から排出された空気は、排気ダクト１２４を通って、吸熱用熱交換器１２６に到達する。排気された空気は、吸熱用熱交換器１２６で熱が吸収され、フィルタ１２５を介して外部に排出される。吸熱用熱交換器１２６から排出される空気の温度は、温度センサＳ６で検出され、その検出値に応じて、排気の温度が人体に対して影響ない温度に低下するように、吸熱用熱交換器１２６の出力が調整される。
【００３５】
停止時には、燃料電池スタック１００内の水素ガスを置換ガス（空気）に置換する。つまり、減圧用電磁弁Ｖ６以外電磁弁を閉じ、循環ポンプ２５を駆動させて燃料電池スタック１００内を負圧にし、外気導入電磁弁Ｖ５を開放し、水素ガスから空気への置換を完了させる。
【００３６】
尚、本実施形態では、高温膜として固定高分子電解質膜を用いた場合について説明したが、リン酸を含む電解質又は膜を用いてもよい。リン酸を含む場合には、生成水にリン酸が溶出するため、生成水が蒸発する摂氏１００度以上に燃料電池の温度が維持されることが好ましい。また、電解質の損傷を抑制するために、摂氏２００度以下であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【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。
【図４】熱交換器の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  燃料電池システム
１１  水素貯蔵タンク
１００  燃料電池スタック
２０１Ａ、２０１Ｂ  燃料ガス供給流路
２０２ 循環流路
２５   循環ポンプ
【図１】
2007184112.tif 000003
【図２】
2007184112.tif 000004
【図３】
2007184112.tif 000005
【図４】
2007184112.tif 000006