(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
燃料電池に酸化剤ガスと燃料ガスとを供給する供給路と、
酸化剤ガスと燃料ガスの少なくとも一方の供給路に水を噴射する手段と、
前記燃料電池と水噴射手段との間のガス供給路に設けた液水を捕捉する捕捉手段と、
前記捕捉した液水が蒸発するように前記捕捉手段を加熱する加熱手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池を冷媒で冷却する手段をさらに備え、
前記液水の捕捉手段を、前記燃料電池通過後の冷媒で加熱する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷媒の循環経路として、燃料電池を冷却した冷媒を放熱させる手段の上流側に前記液水の捕捉手段が配置される請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記液水の捕捉手段には熱交換器が備えられ、この熱交換器には前記冷媒が流される並列流路と、これら並列流路の間に位置して前記供給ガスが流れるガス流路が配置される請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記液水の捕捉手段の液水捕捉部材は、弾性あるいは伸縮性を有する請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記供給ガスの供給量を検出する手段と、
前記燃料電池の温度を検出する手段と、をさらに備え、
供給ガスの供給量が多いほど水の噴射量を多く、燃料電池温度が高くなるほど水の噴射量を多くする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記供給ガスの圧力を検出する手段をさらに備え、供給ガスの圧力が高くなるほど水の噴射量を少なくする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水噴射手段に、水と加圧されたガスとを選択的に供給する手段をさらに備え、
前記システム運転の停止時に加圧ガスを供給して前記水噴射手段の内部の水を排出する請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素を燃料ガスとして燃料極に、酸素を含む空気を空気極に供給し、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池が知られている。
【０００３】
燃料電池には、反応ガスを純水で加湿する必要があり、このため、特開２０００−３１５５０９号公報に開示されているものでは、空気と水素ガスの供給通路にそれぞれ純水の噴射弁を設け、ガス中に水を噴射することにより加湿を行っている。
【０００４】
この水噴射弁より加湿する加湿装置は、純水を蓄えたタンクに供給ガスをくぐらせることにより加湿するバブラーなどの加湿装置に比較して小型であり、また加湿水量を燃料電池の運転状態に応じて最適値に容易に調整できるという利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水噴射弁から噴射された純水が液体のまま、十分に蒸発することなしに燃料電池に到達することがあり、この場合には燃料電池のセル内に付着してガスの流れを阻害したり、高分子膜の表面を覆って有効反応面積を小さくしたりする、いわゆる水詰まりの原因となる。この水詰まりが起きると、水詰まりセルの発電電圧が低下し、また水詰まりセルでの発熱量が多くなり、燃料電池の寿命を縮めてしまうという問題を生じる。
【０００６】
本発明はこのような問題、つまり燃料電池の水詰まりを抑制しつつ、供給ガスの最適な加湿が行える、加湿機能を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスと燃料ガスとを供給する供給路と、酸化剤ガスと燃料ガスの少なくとも一方の供給路に水を噴射する手段と、前記燃料電池と水噴射手段との間のガス供給路に設けた液水を捕捉する捕捉手段と、前記捕捉した液水が蒸発するように前記捕捉手段を加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料電池を冷媒で冷却する手段とをさらに備え、前記液水の捕捉手段を前記燃料電池を通過後の冷媒で加熱する。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記冷媒の循環経路として、燃料電池を冷却した冷媒を放熱させる手段の上流側に前記液水の捕捉手段が配置される。
【００１０】
第４の発明は、第２または第３の発明において、前記液水の捕捉手段には熱交換器が備えられ、この熱交換器には前記冷媒が流される並列流路と、これら並列流路の間に位置して前記供給ガスが流れるガス流路が配置される。
【００１１】
第５の発明は、第１から第４の発明において、前記液水の捕捉手段の液水捕捉部材は、弾性あるいは伸縮性を有する。
【００１２】
第６の発明は、第１の発明において、前記供給ガスの供給量を検出する手段及び前記燃料電池の温度を検出する手段をさらに備え、供給ガスの供給量が多いほど水の噴射量を多し、また、燃料電池温度が高くなるほど水の噴射量を多くする。
【００１５】
第７の発明は、第６の発明において、前記供給ガスの圧力を検出する手段をさらに備え、供給ガスの圧力が高くなるほど水の噴射量を少なくする。
【００１６】
第８の発明は、第１の発明において、前記水噴射手段に、水と加圧されたガスを選択的に供給する手段をさらに備え、前記システム運転の停止時に加圧ガスを供給して前記水噴射手段の内部の水を排出する。
【００１７】
【作用・効果】
第１の発明では、酸化剤ガスもしくは燃料ガスの加湿のために噴射手段から噴霧された水のうち、主として液滴状態の水を捕捉する捕捉手段を加熱することで捕捉した液滴を蒸発させ、これをガスと混合し、これにより燃料電池において水詰まりの発生を確実に防止し、発電電力の低下を防ぎ、また過大な発熱による寿命の低下をも回避できる。
【００１８】
第２の発明では、捕捉手段の加熱のための燃料電池の冷却を行う冷媒のもつ熱を利用することができ、効率よく捕捉した純水を蒸発させることができ、ガスの加湿を適正に行いつつ、燃料電池の水詰まりを防ぐことが可能となる。
【００１９】
第３の発明では、燃料電池の冷却系の冷媒の放熱手段の上流に液水の捕捉手段を配置したので、冷媒のもつ熱を有効利用できるだけでなく、冷媒を冷却する放熱手段の必要容量をそれだけ小さくできる。
【００２０】
第４の発明では、熱交換器をガスが通過するうちに温度の高い冷媒からの熱を受けて、捕捉手段にとらえられた液水が蒸発し、燃料電池の水詰まりを確実に防止できる。
【００２１】
第５の発明では、捕捉した液水がシステムの運転時に凍結した場合でも、弾性もしくは伸縮性を持たせたために、破損したりすることを回避できる。
【００２２】
第６の発明では、システムの運転状態に応じて水の噴射量を制御するので、燃料電池にとって必要なだけの加湿を行い、燃料電池の水詰まりを確実に阻止して、発電効率の低下や温度上昇を回避できる。
【００２３】
具体的には、供給ガス量が増えるとこれに応じて水の噴射量を増やし、また、燃料電池の温度が上がるほど水の噴射量を増やすことで、それぞれ供給ガスの状況に応じて適正な加湿を行え、燃料電池の水詰まりや、加湿不足による損傷を防ぐことができる。
【００２４】
また、第７の発明では、同一露点での水蒸気割合が少なくなくなるガスの圧力が高いときほど水の噴射量を少なくするので、過剰な水の噴射により生じる、燃料電池での水詰まりを正確に防ぐことが可能となる。
【００２５】
第８の発明では、システムの運転停止時に水噴射手段の内部の水を排出でき、寒冷地などにおいても凍結の問題を回避することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１は第１の実施形態であり、図において、１は燃料電池スタックであり、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とが対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持し、これらを複数積層して構成する。この燃料電池スタック１には空気供給路２から酸化剤ガスとしての空気が、また水素供給路３から燃料ガスとしての水素が供給され、これら水素と酸素とを電気化学反応させて発電を行う。
【００２８】
空気供給路２と水素供給路３にはそれぞれ空気と水素を加湿するための水噴射弁４と５が設けられ、純水供給路６からの純水を噴射する。
【００２９】
水噴射弁４、５と燃料電池スタック１との間の、それぞれ空気供給路２と水素供給路３とには液水捕捉部材７が設けられ、水噴射弁４、５から噴射された純水の噴霧のうち、主として液滴を捕捉できるようになっている。
【００３０】
そしてこれら液水捕捉部材７には、捕捉した加湿水を加熱蒸発させる加熱手段としての電気ヒータ１８がそれぞれ設置されている。なお、１９ａは電池、１９ｂはスイッチであり、スイッチ１９ｂの制御は手動により、あるいは自動により行われる。
【００３１】
次に作用について説明する。
【００３２】
燃料電池の運転に伴い、水噴射弁４、５からは空気供給路２、水素供給路３を流れる空気、水素ガスに純水が噴霧され、加湿が行われる。噴射された純水の一部は蒸発するが、多くは液滴状態のまま流れ、これらは液水捕捉部材７、８に到達し、液体の多くが捕捉される。
【００３３】
液水捕捉部材７、８はそれぞれ電気ヒータ１８により加熱され、高温となっているため、捕捉された純水が蒸発し、したがって水噴射弁４、５から噴射された純水は、ほとんどが加湿用の水蒸気として燃料電池スタック１に送り込まれる。
【００３４】
この結果、供給ガスとしての空気、水素に対する加湿が最適状態で行われる一方で、燃料電池スタック１のセルに水が詰まることが防止され、水詰まりによるセルの電圧低下や、それに伴う発熱よる寿命低下が確実に防止できる。
【００３５】
次に第２の実施形態を図２によって説明する。
【００３６】
この実施形態では、液水捕捉部材７、８の加熱を燃料電池スタック１を冷却して温度の上がった冷却水のもつ熱を利用して行うようになっている。
【００３７】
発電時に発熱を伴う燃料電池スタック１は冷却水より冷却され、このため燃料電池スタック１の冷却部にはポンプ１０により冷却水が送り込まれ、燃料電池スタック１を冷却した後の温度の上がった冷却水は冷却水路９を経てラジエータ１１に流れ、ここで放熱して温度の下がった冷却水が再びポンプ１０により燃料電池スタック１へと循環させられる。
【００３８】
冷却水路９の冷却水は、途中で液水捕捉部材７、８の、図３に示す、熱交換部１２に導かれ、ここで液水捕捉部材７、８を加熱する。
【００３９】
このように構成することで、液水捕捉部材７、８に捕捉された加湿用の水は、ほぼ燃料電池スタック１の温度付近まで加熱されて蒸発する。この場合、加湿水の噴射量を適正に設定しておくことで、露点がほぼスタック温度で、液滴分を含まない空気、水素の供給が可能となり、燃料電池スタック内で加湿不足によって高分子電解質膜が乾いたり、逆に加湿過多で水詰まりを起こしたりすることが防止でき、理想的な加湿状態を実現することも可能となる。
【００４０】
また、副次的な効果として、スタック冷却水は液水捕捉部材７、８で冷却されるので、ラジエータ１１を容量の小さい小型なものとすることも可能となる。
【００４１】
ここで図３によって液水捕捉部材７、８の熱交換部１２（ただし同一構造のために一方にのみを図示）の構造を説明する。
【００４２】
冷却水は入口部１３ａから流入して出口部１３ｂから流出するが、その途中は複数の並列な流路１４に分岐され、この並列流路１４の間に空気あるいは水素の流れるガス流路１５が形成され、これらガス流路１５には伝熱フィン１６が配置され、ガスと冷却水との熱交換を効率的に行い、伝熱フィン１６に付着したガス中の加湿水を加熱、蒸発するようになっている。
【００４３】
なお、この実施形態では伝熱フィン１６で加湿水を捕捉しているが、フィンではなく、例えばガス流路１５にハニカム部材、多孔質部材やメッシュなどを挿入しても、同じような効果がえられる。
【００４４】
また、加湿水を捕捉する部材を、金属メッシュや樹脂製のフィンなど、弾性あるいは伸縮性のある部材で形成すると、氷点下の雰囲気で運転を停止したときなど、加湿水が凍結することがあっても捕捉部材の破損を防止できる。
【００４５】
さらに第３の実施形態について、図４によって説明する。
【００４６】
この実施形態では、前記第２の実施形態に対して、空気、水素の供給量を検出するセンサ２２、２３と、冷却水の温度を検出するセンサ２１を付加し、コントローラ２０によって、図５にも示すように、空気または水素ガスの流量が多いほど、また燃料電池スタック１の温度が高いほど、水噴射弁４、５からの加湿のための純水の噴射量を増やすように制御している。
【００４７】
図６によって、コントローラ２０で一定時間毎に実行される制御動作について説明する。
【００４８】
ステップＳ１で燃料電池スタック温度と、供給ガス流量とをそれぞれセンサ２１〜２３の出力から検出し、ステップＳ２でこれらに基づいて、図５に示すようなマップから、加湿水の噴射量を検索する。そして、ステップＳ３で、それぞれ検索した空気と水素ガスに対応する噴射量の純水を、水噴射弁４、５から噴射する。
【００４９】
このようにすることで、燃料電池スタック内で加湿不足により高分子電解質膜が乾いたり、逆に過剰加湿により水詰まりが発生したりすることなどが確実に防止できる。
【００５０】
なお、この実施形態では空気、水素の流量を直接的に検出しているが、これに限らず、例えば、空気をブロアやコンプレッサで供給する場合には、これらの回転速度から流量を推定したり、また水素に関しては供給バルブの開度から推定したり、また排水素をスタック入口に還流させるシステムでは発電電流から水素流量を推定することも可能である。
【００５１】
第４の実施形態を図７によって説明する。
【００５２】
この実施形態では、第３実施形態に対して、空気と水素の供給圧力を検出するセンサ２４と２５を設け、これら検出圧力によっても加湿水の噴射量を制御するようにしている。
【００５３】
第３実施形態と同じように、供給ガス流量とスタック温度に応じて加湿水の噴射量を制御し、同時に図８に示すように、この噴射量をガス圧力が低いほど増加するように補正している。
【００５４】
図９にしたがってコントローラ２０で実行する制御動作を説明する。
【００５５】
ステップＳ１でスタック温度、供給ガス流量をそれぞれ検出したら、ステップＳ２で図５のマップにしたがって空気と水素ガスに対する加湿水の各噴射量Ｑ１、Ｑ２を検索する。
【００５６】
ステップＳ３では空気と水素ガスの圧力をセンサ２４、２５の出力から検出し、ステップＳ４において、これら検出値に基づいて、図８に示すマップにしたがって加湿水の噴射量の補正係数Ｋｗを算出する。
【００５７】
そして、ステップＳ５で加湿水の噴射量をガス圧力で補正し、つまり加湿水の噴射量Ｑｗを次式により求める。
【００５８】
Ｑｗ＝（Ｑ１またはＱ２）×Ｋｗ
ステップＳ６ではこのようにして求めた加湿水の噴射量となるように、それぞれ水噴射弁４と５から加湿水を噴射する。
【００５９】
このように加湿水の噴射量を、それぞれ供給ガス圧力に基づいて補正することにより、供給ガス圧力が低い方が同一露点での水蒸気割合が多くなることに対応して、常に最適な加湿量とすることができ、燃料電池スタック内での加湿不足で高分子電解質膜が乾いたり、逆に過剰加湿で水詰まりとなることを防止することができる。
【００６０】
次に第５の実施形態を図１０にしたがって説明する。
【００６１】
本実施形態では、純水を供給する水噴射弁４の上流に三方弁２６を設け、純水供給路６とは別に高圧ガスの供給路２７からの高圧ガスを水供給弁４に選択的に供給可能としている。
【００６２】
通常運転時には三方弁２６は水噴射弁４に加湿用の純水を供給しているが、停止時には三方弁２６が切り換えられ、高圧ガスを水噴射弁４から噴射させる。このようすると、運転停止時には水噴射弁４から高圧ガスを噴出することにより、水噴射弁４などに残留する水が吹き飛ばされ、雰囲気温度が氷点下に下がることがあっても凍結による水噴射弁４の破損を回避することができる。
【００６３】
なお、高圧ガスの供給源としては、コンプレッサで加圧された空気、あるいは窒素ガスボンベからの高圧窒素ガスなどを利用できる。
【００６４】
上記した実施形態では、空気と水素との両方の加湿に本発明を適用した例を示したが、いずれか一方のみの加湿に本発明を適用することも勿論可能である。
【００６５】
また本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図３】同じくその液水捕捉部材の断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図５】同じくそのガス流量、スタック温度と水噴射量の関係を示す図である。
【図６】同じくその制御動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第４実施形態を示す構成図である。
【図８】同じくそのガス圧力と水噴射量の補正係数の関係を示す図である。
【図９】同じくその制御動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第５実施形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  空気供給路
３  水素供給路
４  水噴射弁
５  水噴射弁
６  純水供給路
７  液水捕捉部材
８  液水捕捉部材
９  冷却水路
１０  ポンプ
１２  熱交換部
１８  電気ヒータ
２０  コントローラ
２１  センサ
２２  センサ
２３  センサ
【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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【図６】
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【図７】
0003873763.tif 000008
【図８】
0003873763.tif 000009
【図９】
0003873763.tif 000010
【図１０】
0003873763.tif 000011