(57)【要約】【課題】簡単な構成で、加湿装置内部の乾燥を可及的に抑制することができ、効率的な発電を遂行することを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、加湿装置５０を備える。加湿装置５０は、燃料電池スタック１４に供給される空気を導入する空気供給口５６ａと、加湿された前記空気を前記燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに供給する空気排出口５６ｂと、前記燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから排出されるカソードオフガスを導入するオフガス供給口６０ａと、前記空気を加湿した前記カソードオフガスを排出するオフガス排出口６０ｂとを備える。オフガス排出口６０ｂには、加湿装置５０と一体に封止弁６８が設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される反応ガスを、前記燃料電池スタックから排出されるオフガスに含まれる水分により加湿する加湿装置と、を備える燃料電池システムであって、
前記加湿装置は、前記反応ガスを導入する第１供給口と、
加湿された前記反応ガスを前記燃料電池スタックの反応ガス入口に供給する第１排出口と、
前記燃料電池スタックの反応ガス出口から排出される前記オフガスを導入する第２供給口と、
前記反応ガスを加湿した前記オフガスを排出する第２排出口と、
を備えるとともに、
前記第２排出口には、前記加湿装置と一体に封止弁が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿装置の前記第２供給口は、前記燃料電池スタックの前記反応ガス出口よりも重力方向下方に配置されることを特徴と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、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される反応ガスを、前記燃料電池スタックから排出されるオフガスに含まれる水分により加湿する加湿装置と、を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、所望の発電性能を発揮させるために、電解質膜を湿潤状態に確保する必要がある。このため、燃料電池に供給される反応ガスである酸化剤ガス（さらに、必要に応じて燃料ガス）を加湿する加湿装置を組み込む燃料電池システムが採用されている。
【０００４】
加湿装置では、例えば、コンプレッサから燃料電池に送られる酸化剤ガス（空気）と、発電反応に使用されて前記燃料電池から排出される酸化剤ガス（以下、カソードオフガスともいう）とを、中空糸膜内と中空糸膜外とに流通させて水交換を行う中空糸膜型加湿器が知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、図７に示すように、燃料電池本体１、水透過型加湿器２、空気圧力調整弁３、排気管４、第１開閉弁５ａ、第２開閉弁５ｂ及び駆動モータ６を備えている。水透過型加湿器２は、中空糸膜モジュール２ａを収容する中空糸膜型加湿器を構成している。
【０００６】
燃料電池本体１には、排空気出口及び空気入口が設けられるとともに、前記排空気出口に配管７ａの一端が接続され、前記空気入口に配管７ｂの一端が接続されている。配管７ａの他端は、第２開閉弁５ｂに接続される一方、配管７ｂの他端は、第１開閉弁５ａに接続されている。
【０００７】
従って、第１開閉弁５ａ及び第２開閉弁５ｂが閉弁状態のとき、燃料電池本体１の空気入口（酸化剤ガス入口）と排空気出口（排酸化剤ガス出口）とが同時に密閉されるため、前記燃料電池本体１のカソードを密閉することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１８７７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、第１開閉弁５ａ及び第２開閉弁５ｂが閉弁状態になって、燃料電池本体１のカソードを密閉する際に、中空糸膜モジュール２ａは、前記燃料電池本体１のカソードから遮断されている。このため、燃料電池システムの停止中に、中空糸膜モジュール２ａが外気に曝されてしまい、乾燥され易い。従って、燃料電池システムを再起動させる際に、中空糸膜モジュール２ａを迅速に立ち上げることができず、効率的な起動が遂行されないという問題がある。
【００１０】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、加湿装置内部の乾燥を可及的に抑制することができ、効率的な発電を遂行することが可能な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】
【００１１】
本発明は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される反応ガスを、前記燃料電池スタックから排出されるオフガスに含まれる水分により加湿する加湿装置と、を備える燃料電池システムに関するものである。
【００１２】
この燃料電池システムでは、加湿装置は、反応ガスを導入する第１供給口と、加湿された前記反応ガスを燃料電池スタックの反応ガス入口に供給する第１排出口と、前記燃料電池スタックの反応ガス出口から排出されるオフガスを導入する第２供給口と、前記反応ガスを加湿した前記オフガスを排出する第２排出口とを備えている。そして、第２排出口には、加湿装置と一体に封止弁が設けられている。
【００１３】
また、この燃料電池システムでは、加湿装置の第２供給口は、燃料電池スタックの反応ガス出口よりも重力方向下方に配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、加湿装置は、第２排出口に前記加湿装置と一体に封止弁が設けられている。このため、封止弁が閉塞されると、燃料電池スタック内部から加湿装置内部に連なる密封空間が形成され、前記加湿装置内部を湿潤状態に維持することができる。
【００１５】
これにより、簡単な構成で、燃料電池システムの停止中に、加湿装置内部が乾燥することを可及的に抑制することが可能になり、効率的な発電を容易且つ確実に遂行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの要部概略説明図である。
【図３】前記燃料電池システムの封止状態の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの要部説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの要部概略説明図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの要部概略説明図である。
【図７】特許文献１に開示された燃料電池システムの分解斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１２が積層される燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１８と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置２０とを備える。
【００１８】
燃料電池システム１０は、例えば、車載用燃料電池システムを構成し、図示しない燃料電池車両（燃料電池自動車）に搭載される。燃料電池システム１０は、制御部（ＥＣＵ）２１により制御される。
【００１９】
各燃料電池１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
【００２０】
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２１】
電解質膜・電極構造体２８は、カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持される。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００２２】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。互いに隣接するカソード側セパレータ３０とアノード側セパレータ３２との間には、冷却媒体流路３８が設けられる。
【００２３】
燃料電池スタック１４には、各燃料電池１２の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス入口）４０ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔（反応ガス入口）４２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔４４ａ、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス出口）４０ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口）４２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔４４ｂが設けられる。
【００２４】
酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ４６を備え、前記エアポンプ４６が空気供給流路４８ａに配設される。空気供給流路４８ａには、供給空気（反応ガス）とカソードオフガス（オフガス）との間で水分と熱を交換する加湿装置５０が配設される。
【００２５】
図２に示すように、加湿装置５０は、容器５２と、前記容器５２内に収容される中空糸膜束５４とを備える。容器５２は、例えば、四角筒状や円筒状を有し、長尺方向一端には、空気供給流路４８ａが接続される空気供給口（第１供給口）５６ａが形成される。
【００２６】
容器５２の長尺方向他端には、空気供給流路４８ｂを介して燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに連通する空気排出口（第１排出口）５６ｂが形成される。
【００２７】
容器５２の空気排出口５６ｂ側の側部には、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから延在する空気排出流路５８ａが接続され、カソードオフガスが供給されるオフガス供給口（第２供給口）６０ａが形成される。
【００２８】
容器５２の空気供給口５６ａ側の側部には、空気を加湿したカソードオフガスを空気排出流路５８ｂに排出するオフガス排出口（第２排出口）６０ｂが形成される。
【００２９】
中空糸膜束５４は、例えば、ポリイミド等から形成され、水分透過性を有する中空糸膜６２が、複数本に束ねられて構成される。各中空糸膜６２の内部には、空気供給口５６ａと空気排出口５６ｂとに連通して空気を矢印Ａ方向に流通させる空気通路６４が形成される。各中空糸膜６２の外周面同士の間には、オフガス通路６６が形成される。オフガス通路６６は、オフガス供給口６０ａとオフガス排出口６０ｂとに連通し、カソードオフガスを矢印Ｂ方向に流通させる。
【００３０】
第１の実施形態では、加湿装置５０は、オフガス排出口６０ｂに容器５２と一体に設けられる封止弁６８を備える。封止弁６８は、例えば、バタフライバルブを用いており、容器５２の外壁にボルトを介して直接取り付けられる。
【００３１】
図１に示すように、燃料ガス供給装置１８は、図示しないが、高圧水素を貯留する水素タンクを備える。燃料ガス供給装置１８では、水素タンクから供給される水素ガスを、燃料電池スタック１４に供給し、前記燃料電池スタック１４で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを循環させて、再度、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスとして供給する。
【００３２】
冷却媒体供給装置２０は、図示しないが、冷却媒体を燃料電池スタック１４に循環させるために、冷媒ポンプ及びラジエータを備える。
【００３３】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３４】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６を構成するエアポンプ４６を介して、空気供給流路４８ａに空気が送られる。この空気は、後述するように、加湿装置５０を通って加湿された後、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに供給される。加湿された空気は、燃料電池スタック１４内の各燃料電池１２に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
【００３５】
使用済みの空気は、カソードオフガスとして酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから空気排出流路５８ａに排出されて加湿装置５０に送られる。これにより、カソードオフガスは、加湿媒体として新たに供給される空気を加湿した後、空気排出流路５８ｂから外部に排出される。
【００３６】
一方、燃料ガス供給装置１８から供給される水素ガスは、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料電池スタック１４内に供給された水素ガスは、各燃料電池１２の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。
【００３７】
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｂから排出されるとともに、カソード電極２４側からの水分が固体高分子電解質膜２２を介してアノード電極２６側に移動し、この水分によって加湿された燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１４に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとは、電気化学的に反応することにより、発電が行われる。
【００３８】
また、冷却媒体供給装置２０では、燃料電池スタック１４内に冷却媒体が導入される。冷却媒体は、冷却媒体流路３８に沿って移動することにより、燃料電池１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４４ｂから戻される。
【００３９】
次いで、加湿装置５０の動作について、説明する。
【００４０】
図２に示すように、エアポンプ４６を介して空気供給流路４８ａに送られる空気は、加湿装置５０の空気供給口５６ａから各中空糸膜６２内の空気通路６４に供給される。この空気は、空気通路６４に沿って矢印Ａ方向に移動した後、空気排出口５６ｂから燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに供給される。
【００４１】
一方、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから空気排出流路５８ａに排出されるカソードオフガスは、オフガス供給口６０ａから容器５２内のオフガス通路６６に供給される。このカソードオフガスは、中空糸膜６２の外周に形成されるオフガス通路６６に沿って矢印Ｂ方向に流通した後、オフガス排出口６０ｂに排出される。
【００４２】
これにより、空気通路６４に沿って矢印Ａ方向に流通する空気と、オフガス通路６６に沿って矢印Ｂ方向に、すなわち、対向流に流通するカソードオフガスとの間で、水交換が行われ、前記カソードオフガスから前記空気に水分が移動する。このため、空気は、空気通路６４を流通する際に加湿され、この加湿された空気が酸化剤ガスとして燃料電池スタック１４に供給される。
【００４３】
ところで、燃料電池システム１０の運転が停止され、エアポンプ４６が停止される際には、封止弁６８が閉方向に操作されてオフガス排出口６０ｂが閉塞される。従って、図３に示すように、加湿装置５０の内部は、外部から遮断されて密閉される。
【００４４】
具体的には、エアポンプ４６から空気供給流路４８ａを介して空気供給口５６ａに至る領域７０ａ、加湿装置５０の容器５２内部の領域７０ｂ、空気排出口５６ｂから燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに至る領域７０ｃ、前記燃料電池スタック１４内の前記酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、各酸化剤ガス流路３４及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに至る領域７０ｄ、及び前記酸化剤ガス出口連通孔４０ｂからオフガス供給口６０ａに至る領域７０ｅを有する密封空間７０が形成される。
【００４５】
このため、燃料電池スタック１４内の領域７０ｄと容器５２内の領域７０ｂとは、領域７０ｃ、７０ｅを介して連通している。従って、容器５２の内部は、燃料電池スタック１４の内部と同様の湿潤状態に維持することができる。
【００４６】
このように、加湿装置５０では、容器５２のオフガス排出口６０ｂに、前記容器５２と一体に封止弁６８を設けるだけである。これにより、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池システム１０の停止中に、加湿装置５０の内部が乾燥することを可及的に抑制することが可能になる。
【００４７】
このため、燃料電池システム１０を再起動する際には、加湿装置５０内を乾燥状態から所望の湿潤状態に調整する作業が不要になる。従って、酸化剤ガスの加湿が迅速に開始されるため、効率的な発電を容易且つ確実に遂行することができるという効果が得られる。
【００４８】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０の要部説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４９】
燃料電池システム８０を構成する加湿装置８２は、空気排出口５６ｂに容器５２と一体に封止弁８４を設ける。
【００５０】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池システム８０が停止される際に、封止弁６８、８４が閉じられる。このため、燃料電池システム８０内では、領域７０ａ、７０ｂ、７０ｄ及び７０ｅが連なって密封空間７０が形成される。なお、領域７０ｃは、封止弁８４により領域７０ｂとの間が遮断されて独立空間を形成するが、領域７０ｄ及び領域７０ｅを介して、実質的に前記領域７０ｂとも連通している。
【００５１】
従って、燃料電池スタック１４内と加湿装置８２内とは、連通状態を有しており、前記加湿装置８２の内部を湿潤状態に維持することができる。これにより、簡単な構成で、燃料電池システム８０の停止中に、加湿装置８２内部が乾燥することを可及的に抑制することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム９０の要部概略説明図である。
【００５３】
燃料電池システム９０は、加湿装置９２を備える。加湿装置９２は、空気供給口５６ａに容器５２に一体に封止弁９４を設ける。
【００５４】
このように構成される第３の実施形態では、燃料電池システム９０の停止中に、封止弁６８、９４が閉塞される。このため、燃料電池システム９０内では、領域７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ及び７０ｅを介して密封空間７０が形成される。
【００５５】
従って、加湿装置９２内部が燃料電池スタック１４の内部に連通し、前記加湿装置９２の内部を湿潤状態に維持することができる。これにより、簡単な構成で、燃料電池システム９０の停止中に、加湿装置９２の内部が乾燥することを可及的に抑制することができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５６】
図６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１００の要部概略説明図である。
【００５７】
燃料電池システム１００は、加湿装置１０２を備えるとともに、前記加湿装置１０２は、燃料電池スタック１４よりも重力方向下方に配置される。具体的には、加湿装置１０２のオフガス供給口６０ａは、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂよりも重力方向下方に距離ｈだけ離間して配置される。
【００５８】
酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに接続される空気排出流路５８ａは、前記酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから水平方向（積層方向）に一旦延在した後、略鉛直下方向に屈曲（又は湾曲）し、加湿装置１０２のオフガス供給口６０ａに接続される。加湿装置１０２では、内部における空気の流れ方向とカソードオフガスの流れ方向とは並行流に構成される。
【００５９】
オフガス排出口６０ｂには、封止弁６８が一体に設けられる。なお、加湿装置１０２には、封止弁６８の他、必要に応じて封止弁８４、９４の少なくともいずれか一方を用いてもよい。
【００６０】
このように構成される第４の実施形態では、加湿装置１０２のオフガス供給口６０ａが、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂよりも重力方向下方に配置されている。
【００６１】
このため、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに排出される生成水を、直接、加湿装置１０２のオフガス供給口６０ａに供給することができ、生成水の有効利用が一層確実に図られるという効果が得られる。
【００６２】
しかも、オフガス供給口６０ａが酸化剤ガス出口連通孔４０ｂよりも重力方向下方に配置されるため、前記オフガス供給口６０ａと前記酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとを接続する空気排出流路５８ａは、略鉛直下方向に屈曲（又は湾曲）する部位を有している。従って、空気排出流路５８ａでは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂからオフガス供給口６０ａに生成水が連続して繋がることがなく、前記生成水の水切り（分断）が確実に行われるという利点が得られる。
【符号の説明】
【００６３】
１０、８０、９０、１００…燃料電池システム
１２…燃料電池                      １４…燃料電池スタック
１６…酸化剤ガス供給装置            １８…燃料ガス供給装置
２０…冷却媒体供給装置              ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード電極                  ２６…アノード電極
２８…電解質膜・電極構造体          ３０…カソード側セパレータ
３２…アノード側セパレータ          ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路                  ３８…冷却媒体流路
４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔        ４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ…燃料ガス入口連通孔          ４２ｂ…燃料ガス出口連通孔
４４ａ…冷却媒体入口連通孔          ４４ｂ…冷却媒体出口連通孔
５０、８２、９２、１０２…加湿装置  ５２…容器
５４…中空糸膜束                    ５６ａ…空気供給口
５６ｂ…空気排出口                  ６０ａ…オフガス供給口
６０ｂ…オフガス排出口              ６６…オフガス通路
６８、８４、９４…封止弁            ７０…密封空間
【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】
2013201092.tif 000007
【図６】
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【図７】
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