(57)【要約】【課題】掃気時における燃料電池内部の温度低下を抑制して、掃気効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０の内部に掃気用ガスを供給することにより燃料電池１０の内部の水分を外部に排出する掃気手段（コンプレッサ２０及び制御装置４）と、を備える燃料電池システム１である。掃気手段により燃料電池１０の外部に排出された排出ガスを掃気用ガスに合流させる循環経路（空気供給流路２１、空気排出流路２２、燃料電池１０内の空気流路）を形成し、循環経路内を流れるガスの水分を除去する除湿手段（デシケータ２３）を設け、排出ガスの全量を掃気用ガスに合流させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池の内部に掃気用ガスを供給することにより前記燃料電池の内部の水分を外部に排出する掃気手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記掃気手段により前記燃料電池の外部に排出された排出ガスを掃気用ガスに合流させる循環経路を備え、
前記循環経路は、その内部を流れるガスの水分を除去する除湿手段を有するとともに、前記排出ガスの全量を前記掃気用ガスに合流させる燃料電池システム。
【請求項２】
前記除湿手段は、気液分離器である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記除湿手段は、乾燥器である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記循環経路は、前記燃料電池のカソード側に設けられてなる請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムで発電を行うと、電気化学反応により燃料電池内部で水分が生成されるが、この水分が燃料電池内部の反応ガス流路に滞留して、反応ガスの流れが妨げられる場合がある。また、氷点下等の低温環境下で燃料電池システムを運転させる際には、燃料電池の電極（触媒層や拡散層）の内部に残存する水分が凍結して、始動性能が著しく低下する場合がある。
【０００３】
このように燃料電池内部で生成される水分に起因する種々の問題を解決するための従来の技術として、燃料電池の運転停止時に掃気用ガス（乾燥酸素や乾燥水素）を反応ガス流路に供給することにより燃料電池内部の水分を除去する掃気技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１１１１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記した特許文献１に記載されたような従来の掃気技術を採用すると、掃気の際に燃料電池内部の熱が外部に持ち去られてしまうため、燃料電池内部の温度や掃気用ガスの温度が漸次低下することとなる。このように掃気用ガスの温度が低下すると、掃気用ガスが含有可能な水分量（飽和水蒸気量）が少なくなるため、燃料電池からの水分排出量が少なくなり、掃気が不充分となるという問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、掃気時における燃料電池内部の温度低下を抑制して掃気効率の向上を図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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の内部に掃気用ガスを供給することにより燃料電池の内部の水分を外部に排出する掃気手段と、を備える燃料電池システムにおいて、掃気手段により燃料電池の外部に排出された排出ガスを掃気用ガスに合流させる循環経路を備え、循環経路は、その内部を流れるガスの水分を除去する除湿手段を有するとともに、排出ガスの全量を掃気用ガスに合流させるものである。
【０００７】
かかる構成によれば、掃気手段により燃料電池の外部に排出された排出ガスを、燃料電池の内部に供給される掃気用ガスに合流させて、再使用に供することができる。再使用に供される排出ガスは、循環経路に設けられた除湿手段により水分が除去されるので、掃気用ガスとして好適なものとなる。また、循環経路は排出ガスの全量を掃気用ガスに合流させるため、排出ガスのパージに起因する放熱を抑制することができるとともに、排出ガスの熱を利用することができる。従って、燃料電池内部の温度低下や掃気用ガスの温度低下を抑制することができる。この結果、掃気用ガスの飽和水蒸気量の減少を抑制することができ、燃料電池からの水分排出量の低下を抑制することができる。
【０００８】
前記燃料電池システムにおいて、除湿手段として、気液分離器や乾燥器を採用することができる。また、前記燃料電池システムにおいて、循環経路を、燃料電池のカソード側に設けることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。
【００１０】
かかる構成によれば、掃気効率の向上を図ることが可能な燃料電池システムを備えているため、低温環境下において高い始動性能を有する移動体を提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、掃気時における燃料電池内部の温度低下を抑制して掃気効率の向上を実現させることが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１３】
本発明の実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。
【００１４】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池車両のトラクションモータ１２に電力を供給するインバータ、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種補機類に電力を供給するインバータ、二次バッテリへの充電や二次バッテリからのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。
【００１５】
酸化ガス配管系２は、コンプレッサ２０と、コンプレッサ２０により圧送された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給するための空気供給流路２１と、燃料電池１０の内部のガス（酸化オフガス等）や水分を燃料電池１０の外部に排出するための空気排出流路２２と、を備えている。
【００１６】
空気排出流路２２は、図１に示すように空気供給流路２１に接続されており、空気排出流路２２内のガスが空気供給流路２１内のガスに合流するようになっている。本実施形態においては、空気供給流路２１と、空気排出流路２２と、燃料電池１０の内部に設けられた図示されていない空気流路と、によって、外部から遮断された循環経路を構成している。このため、燃料電池１０から排出された空気排出流路２２内のガス（排出ガス）の全量が空気供給流路２１内のガス（掃気用ガス）に合流するようになっている。コンプレッサ２０は、循環経路内の酸化ガス（空気）を取り込んで燃料電池１０側に圧送するものであり、その動作は制御装置４により制御される。また、空気排出流路２２には、その内部を流れるガスの水分を除去する除湿手段としてのデシケータ（乾燥器）２３が設けられている。
【００１７】
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための水素還流流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成された改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。
【００１８】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、が設けられている。本実施形態においては、ステップモータにより供給圧力の目標値を変更することができる可変調圧式のレギュレータ３４を採用している。遮断弁３３及びレギュレータ３４の動作は制御装置４により制御される。
【００１９】
水素還流流路３２には、気液分離器３５及び排気排水弁３６を介して、排出流路３７が接続されている。気液分離器３５は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３６は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３５で回収した水分と、水素還流流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、水素還流流路３２には、その内部の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３８が設けられている。水素ポンプ３８の動作は制御装置４により制御される。
【００２０】
制御装置４は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００２１】
具体的には、制御装置４は、コンプレッサ２０を駆動制御して燃料電池１０の内部に掃気用ガスとしての酸化ガス（空気）を供給することにより、燃料電池１０のカソード側内部の水分をガス（排出ガス）とともに外部に排出する「掃気」を実施する。すなわち、コンプレッサ２０及び制御装置４は、本発明における掃気手段の一実施形態を構成する。同様に、制御装置４は、遮断弁３３及びレギュレータ３４を駆動制御して燃料電池１０の内部に掃気用ガスとしての水素ガスを供給することにより、燃料電池１０のアノード側内部の水分を外部に排出する。
【００２２】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、掃気手段（コンプレッサ２０及び制御装置４）の掃気動作により燃料電池１０の外部に排出された排出ガスを、燃料電池１０の内部に供給される掃気用ガス（酸化ガス）に合流させて、再使用に供することができる。再使用に供される排出ガスは、空気排出流路２２に設けられたデシケータ２３により水分が除去されるので、掃気用ガスとして好適なものとなる。また、空気供給流路２１と空気排出流路２２と燃料電池１０内の空気流路とから構成される循環経路は、排出ガスの全量を掃気用ガスに合流させるため、排出ガスのパージに起因する放熱を抑制することができるとともに、排出ガスの熱を利用することができる。従って、燃料電池１０の内部の温度低下や掃気用ガスの温度低下を抑制することができる。この結果、掃気用ガスの飽和水蒸気量の減少を抑制することができ、燃料電池１０からの水分排出量の低下を抑制することができる。
【００２３】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両（移動体）は、掃気時における燃料電池１０の内部の温度低下を抑制して掃気効率の向上を図ることが可能な燃料電池システム１を備えているため、低温環境下において高い始動性能を発揮することが可能である。
【００２４】
なお、以上の実施形態においては、除湿手段としてのデシケータ２３を空気排出流路２２に設けた例を示したが、除湿手段は循環経路の内部を流れるガスの水分を除去するものであればよく、その位置や構成は特に限定されるものではない。例えば、除湿手段としてデシケータ２３に代えて気液分離器を採用し、この気液分離器を空気排出流路２２に設けることもできる。
【００２５】
また、以上の各実施形態においては、燃料電池１０のカソード側に循環経路を設け、この循環経路に除湿手段（デシケータ２３）を設けて循環経路を外部から遮断した例を示したが、同様の構成を燃料電池１０のアノード側に採用することもできる。
【００２６】
例えば、水素供給流路３１と、水素供給流路３１に接続された水素還流流路３２と、燃料電池１０の内部の水素ガス流路と、から構成される循環経路を構成し、燃料電池１０から排出された水素還流流路３２内のガス（排出ガス）の全量を水素供給流路３１内のガス（掃気用ガス）に合流させるとともに、循環経路の一部（例えば水素還流流路３２）に除湿手段を設けることができる。かかる構成を採用した場合には、制御装置４は水素ポンプ３８を駆動制御して燃料電池１０の内部に掃気用ガスを供給することにより、燃料電池１０のアノード側内部の水分を排出ガスとともに外部に排出する「掃気」を実施する。かかる場合における水素ポンプ３８及び制御装置４は、本発明における掃気手段の一実施形態に相当する。
【００２７】
かかる構成によれば、掃気手段（水素ポンプ３８及び制御装置４）の掃気動作により燃料電池１０の外部に排出された排出ガスを、燃料電池１０の内部に供給される掃気用ガスに合流させて、再使用に供することができる。再使用に供される排出ガスは、循環経路に設けられた除湿手段により水分が除去されるので、掃気用ガスとして好適なものとなる。また、水素供給流路２１と水素還流流路３２と燃料電池１０内の水素ガス流路とから構成される循環経路は、排出ガスの全量を掃気用ガスに合流させるため、排出ガスのパージに起因する放熱を抑制することができるとともに、排出ガスの熱を利用することができる。従って、燃料電池１０の内部の温度低下や掃気用ガスの温度低下を抑制することができる。この結果、掃気用ガスの飽和水蒸気量の減少を抑制することができ、燃料電池１０からの水分排出量の低下を抑制することができる。
【００２８】
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…燃料電池システム、４…制御装置（掃気手段の一部）、１０…燃料電池、２０…コンプレッサ（掃気手段の一部）、２１…空気供給流路（循環経路の一部）、２２…空気排出流路（循環経路の一部）、２３…デシケータ（除湿手段）
【図１】
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