(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる固体高分子電解質型の燃料電池（１）を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１）に酸素を含んだ空気を供給する空気供給手段（１０）と、
前記燃料電池（１）に水素を供給する水素供給手段（２０）と、
前記水素供給手段（２０）から前記燃料電池（１）に供給される供給水素が通過する水素供給経路（２１）と、
水分を含んだ状態で前記燃料電池（１）から排出される未反応の排出水素を前記水素供給経路（２１）に合流させる水素循環経路（２４）と、
前記水素循環経路（２４）に設けられ、前記排出水素を循環させる水素循環手段（２５）と、
前記水素循環経路（２４）における前記燃料電池（１）と前記水素循環手段（２５）との間に設けられ、前記排出水素に含まれる水分を回収する水分回収手段（４０）とを備え、
前記水分回収手段（４０）は、前記排出水素と前記供給水素との間で熱交換を行う熱交換器を有する気液分離器であ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる固体高分子電解質型燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、特に燃料電池から排出される未反応水素を燃料電池に再循環させるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平７−２４０２２０号公報や特開平７−２７２７３６号公報に記載されているように、燃料電池に供給された後、電気化学反応に用いられず未反応のまま燃料電池から排出される未反応水素を燃料電池に再循環させる燃料電池システムが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池では、固体高分子膜の加湿のために必要水量以上の蒸気を燃料電池内に循環させるため、以下のような問題が生じる。
【０００４】
１）水素供給装置（高圧水素タンク等）からの供給水素（室温程度）に、燃料電池から排出される未反応水素を合流させたときに、未反応排出水素に含まれる蒸気が凝縮して配管に水が溜まる。これにより、圧損の増加もしくは配管の閉塞が起こり、燃料電池システムの効率を低下させたり発電不能に陥ることがある。
【０００５】
特に水素供給装置が高圧水素タンク、液化水素タンク、水素貯蔵金属カーボン系貯蔵材料であるものは、供給時の水素温度が雰囲気温度程度もしくは雰囲気温度以下となっている。固体高分子電解質型燃料電池の場合、燃料電池から排出される水素温度は８０℃程度となっているため、燃料電池からの排出水素が供給水素と合流すると、排出水素に含まれる水分が凝縮する。
【０００６】
２）また、燃料電池から排出される未反応水素を燃料電池に再循環させる水素循環ポンプは、未反応水素に過剰に含まれる蒸気も循環させるため、体格が大型となり、消費電力も大きくなる。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、未反応水素を固体高分子電解質型燃料電池に再循環させる燃料電池システムにおいて、水分が水素配管内で凝縮することを抑制することを目的とし、さらに未反応水素を循環させる水素循環手段の動力を低減することも目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる固体高分子電解質型の燃料電池（１）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１）に酸素を含んだ空気を供給する空気供給手段（１０）と、燃料電池（１）に水素を供給する水素供給手段（２０）と、水素供給手段（２０）から燃料電池（１）に供給される供給水素が通過する水素供給経路（２１）と、水分を含んだ状態で燃料電池（１）から排出される未反応の排出水素を水素供給経路（２１）に合流させる水素循環経路（２４）と、水素循環経路（２４）に設けられ、排出水素を循環させる水素循環手段（２５）と、水素循環経路（２４）における燃料電池（１）と水素循環手段（２５）との間に設けられ、排出水素に含まれる水分を回収する水分回収手段（４０）とを備え、水分回収手段（４０）は、排出水素と供給水素との間で熱交換を行う熱交換器を有する気液分離器であることを特徴としている。
【０００９】
このような構成により、燃料電池（１）からの排出水素に含まれて燃料電池（１）に循環する水分量を削減できる。これにより、排出水素が供給水素と合流する際に水分が凝縮し、配管での圧損増加、あるいは配管の閉塞が発生することを防止することができる。
【００１０】
さらに、水分回収手段（３０、４０）を水素循環経路（２４）における燃料電池（１）と水素循環手段（２５）との間に配置することで、水素循環手段（２５）の動力を低減することができる。
【００２１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１に基づいて説明する。本第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００２３】
図１は、本第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１を備えている。燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（正極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2  ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
この電気化学反応により生成水が生じる。生成水は正極側で発生するが、水の一部は電解質膜を通じて負極側にも移動するため、負極側にも水が存在する。
【００２４】
本第１実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。
【００２５】
燃料電池１は、図示しないインバータや２次電池等の電気機器に電力を供給するように構成されている。インバータは、燃料電池１から供給された直流電流を交流電流に変換して走行用モータ（負荷）に供給してモータを駆動する。
【００２６】
また、燃料電池１では発電の際、化学反応により熱が発生する。燃料電池１は発電効率のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池システムには燃料電池１で発生した熱を系外に放出するために、図示しない冷却システムが設けられている。
【００２７】
燃料電池１の酸素極（正極）側には、空気供給装置（空気供給手段）１０より空気供給経路１１を介して酸素を含む空気が供給される。燃料電池１に供給された酸素のうち、上記電気化学反応に用いられなかった酸素を含む空気は、空気排出経路１２より排出される。上述のように、燃料電池１の酸素極側には生成水が存在するので、燃料電池１の排出空気には水分（蒸気）が含まれている。本第１実施形態では、空気供給装置１０として電動モータにて駆動されるガス圧縮機（エアコンプレッサ）を用いている。
【００２８】
また、上記電気化学反応のためには、燃料電池１内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。このため、空気供給経路１１には、空気供給装置１０より燃料電池１に供給される供給空気を加湿する加湿器１３が設けられている。本第１実施形態の加湿器１３は、燃料電池１から空気排出経路１２から排出される排出空気に含まれる水分を、供給空気に加湿するように構成されている。加湿器１３で加湿された空気を燃料電池１に供給することで、燃料電池１内の電解質を加湿することができる。
【００２９】
燃料電池１の水素極（負極）側には、水素供給装置（水素供給手段）２０より水素供給経路２１を介して水素が供給される。水素供給経路２１には、供給水素シャットバルブ２２とレギュレータ（圧力調整弁）２３が設けられている。本第１実施形態では、水素供給装置２０として、高圧の水素が充填された高圧水素タンクが用いられている。高圧水素タンクとしては、２５ＭＰａ、３５ＭＰａもしくは７０ＭＰａ等といった圧力のものを用いることができる。
【００３０】
燃料電池１に供給された水素のうち、上記電気化学反応に用いられなかった水素は、水素循環経路２４より排出される。上述のように、燃料電池１の水素極側にも生成水が存在するので、燃料電池１の排出水素には水分（蒸気）が含まれている。水素循環経路２４は水素供給経路２１と合流しており、燃料電池１から排出された排出水素は、水素供給装置２０より供給される供給水素とともに燃料電池１に再循環する。
【００３１】
水素循環経路２４には、排出水素を循環させる水素循環ポンプ（水素循環手段）２５と、循環方向にのみ排出水素を通過させる逆止弁２６が設けられている。水素循環ポンプ２５は図示しない電動モータにて駆動され、排出水素は水素循環経路２４を圧送される。水素循環経路２４における水素循環ポンプ２５と逆止弁２６との間には、廃棄経路２７が分岐している。廃棄経路２７には排出水素シャットバルブ２８が設けられている。通常時は排出水素シャットバルブ２８は閉じているが、循環回路に混入した未反応ガス（Ｎ2ガス等）を外部に排出する場合に開放される。
【００３２】
水素循環経路２４には、燃料電池１の排出水素から水分を回収する凝縮回収器（水分回収手段）３０が設けられている。本第１実施形態の凝縮回収器３０は、熱交換器３１を備えた気液分離器である。熱交換器３１は、外気導入経路３２を介して送風ファン３３により導入された外気が、外気排出経路３４より排出されるように構成され、排出水素と外気との間で熱交換を行う。凝縮回収器３０の下方には水排出用経路３５と水排出用バルブ３６が設けられている。
【００３３】
以下、本第１実施形態の燃料電池システムの作動について説明する。
【００３４】
まず、空気供給装置１０が作動開始することで燃料電池１の酸素極に空気が供給される。また、水素シャットバルブ２２を開くことで水素供給装置２０から燃料電池１の水素極に水素が供給される。水素供給装置２０からの水素供給量は、レギュレータ２３にて調整される。
【００３５】
空気および水素が供給されることにより、燃料電池１では電気エネルギが発生する。燃料電池１にて発生した電力は、走行用モータ等に供給される。発電に伴い燃料電池１にて発生した熱は冷却システムにて放熱され、燃料電池１は発電に適した一定温度（例えば７０〜８０℃程度）に維持される。
【００３６】
燃料電池１からは、空気排出経路１２を介して未反応酸素を含むとともに水分を含んだ空気が排出され、水素循環経路２４を介して水分を含んだ未反応水素が排出される。排出空気に含まれた水分は、加湿器１３にて回収され供給空気の加湿に用いられる。
【００３７】
排出水素に含まれる水分は、凝縮回収器３０にて回収される。燃料電池１は運転温度が７０〜８０℃程度であるため、排出水素の温度も７０〜８０℃程度である。このため、凝縮回収器３０の熱交換器３１で外気と熱交換することで、排出水素に含まれる蒸気が露点温度以下となり、熱交換器３１の表面に凝縮する。凝縮した水分は重力により下方に落下し、凝縮回収器３０の下方に溜まる。凝縮回収器３０下方に溜まった水分は、水排出用バルブ３６を開くことで水排出経路３５を介して外部に排出される。
【００３８】
凝縮回収器３０にて水分を回収され、含まれる蒸気量が減少した排出水素は、水素循環ポンプ２５にて水素循環経路２４を圧送され、水素供給経路２１に供給される。排出水素は、水素供給装置２０からの供給水素と合流して燃料電池１に供給される。
【００３９】
以上のように、水素循環経路２４に排出水素に含まれる水分（蒸気）を回収する水素回収手段としての凝縮回収器３０を設けることにより、排出水素に含まれて燃料電池１に循環する水分量を削減できる。これにより、排出水素が供給水素と合流する際に水分が凝縮し、配管での圧損増加、あるいは配管の閉塞が発生することを防止することができる。
【００４０】
また、凝縮回収器３０を水素循環経路２４における燃料電池１と水素循環ポンプ２５との間に配置することで、水素循環ポンプ２５は凝縮回収器３０にて水分が回収された排出水素を循環させることとなる。このため、水素循環ポンプ２５の動力を低減することができ、水素循環ポンプ２５を小型化することが可能となる。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、排出水素から水分を回収する水分回収手段が供給水素を加熱する供給水素加熱手段を兼ねている点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
図２は、本第２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図２に示すように、本第２実施形態の気液分離器（水分回収手段、供給水素加熱手段）４０は、燃料電池１から排出された水分を含む排出水素と、水素供給装置（高圧水素タンク）２０から燃料電池１に供給される供給水素との間で熱交換する熱交換器（図示せず）を備えている。
【００４３】
上述のように、燃料電池１の運転温度が７０〜８０℃程度であるため、排出水素の温度も７０〜８０℃程度である。一方、水素供給装置２０から供給され、レギュレータ２２で減圧された水素は、ジュール・トムソン膨張と考えられる。例えば水素供給装置２０での初期条件を、水素圧力２５ＭＰａ、水素温度３０℃とし、レギュレータ２２での減圧後の水素圧力を０．１ＭＰａとすると、減圧後の水素温度は３９．３℃となる。
【００４４】
このように、水素供給装置２０からの供給水素はレギュレータ２２での膨張により温度上昇するが、なお燃料電池１の運転温度（７０〜８０℃）より低温である。このため、気液分離器４０にて水分を含む排出水素と減圧された供給水素との間で熱交換することにより、排出水素に含まれる水分（蒸気）が露点温度以下となり凝縮する。このとき供給水素は排出水素により加熱される。凝縮した水分は重力により下方に落下し、気液分離器４０の下方に設けられたリザーブタンク４１に貯水される。
【００４５】
以上の構成によっても上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本第２実施形態の気液分離器４０は、燃料電池１に供給される供給水素を排出水素により加熱する供給水素加熱手段をも構成する。これにより、供給水素の温度を燃料電池１の運転温度（７０〜８０℃）に近づけることができ、燃料電池１の発電効率を向上させることができる。
【００４６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図３に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に比較して、水素供給装置２０からの供給水素と燃料電池１からの排出空気との間で熱交換する供給水素加熱手段が設けられている点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４７】
図３は、本第３実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図３に示すように、本第３実施形態では、空気排出経路１２を通過する燃料電池１からの排出空気と、水素供給装置２０から供給される供給水素との間で熱交換を行う熱交換器（供給水素加熱手段）５０が設けられている。熱交換器５０による熱交換は、供給水素に燃料電池１からの排出水素が合流する前に行われる。
【００４８】
燃料電池１からの排出空気は、燃料電池１の運転温度である７０〜８０℃程度となっており、水素供給装置２０からの供給水素はレギュレータ２２での膨張により温度上昇するが、燃料電池１の運転温度（７０〜８０℃）より低温である。このため、供給水素は、排出空気と熱交換することで加熱され、温度上昇する。供給水素は、加熱された後に燃料電池１から排出された排出水素が合流する。このとき、供給水素は加熱されているので、排出水素に含まれる水分（蒸気）の凝縮を低減することができる。
【００４９】
これにより、排出水素に含まれる水分の凝縮に起因する配管での圧損の増加、配管の閉塞を防止できる。さらに、供給水素の温度を燃料電池１の運転温度に近づけることができ、燃料電池１の発電効率を向上させることができる。また、燃料電池１からの排出空気の熱を利用することで、供給水素を加熱するためのヒータを新たに設ける必要がなくなる。
【００５０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図４に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第３実施形態に比較して、供給水素加熱手段として供給水素と供給空気との間で熱交換する熱交換器を用いている点が異なるものである。上記第３実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５１】
図４は、本第４実施形態の全体構成を示している。図４に示すように、本第４実施形態では、空気供給装置（ガス圧縮機）１０から燃料電池１に供給される供給空気と、水素供給装置２０から供給される供給水素との間で熱交換を行う熱交換器（供給水素加熱手段）６０が設けられている。熱交換器６０による熱交換は、供給水素に燃料電池１からの排出水素が合流する前に行われる。
【００５２】
一般的にエアコンプレッサで圧縮された空気は高温（１００℃）以上となっている。このため、供給水素は、供給空気と熱交換することで加熱され、温度上昇する。供給水素は、加熱された後に燃料電池１から排出された排出水素が合流する。このとき、供給水素は加熱されているので、排出水素に含まれる水分（蒸気）の凝縮を低減することができる。
【００５３】
以上の構成によっても上記第３実施形態と同様の効果を得ることができる。また、上述のようにエアコンプレッサで圧縮された空気は高温（１００℃）以上となっており、燃料電池１に供給した場合、燃料電池１が破壊されることがある。これを防ぐために供給空気冷却用の冷却器（インタークーラー）を設けることもあるが、本第４実施形態の構成によれば、熱交換器６０は供給水素の加熱と同時に供給空気の冷却を行う供給空気冷却手段を構成し、供給空気冷却用の冷却器を設ける必要がない。
【００５４】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図５に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記第１実施形態に比較して、供給水素加熱手段として電気ヒータを用いている点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５５】
図５は、本第５実施形態の全体構成を示している。図５に示すように、本第５実施形態では、水素供給経路２１における水素排出経路２４との合流点より上流側に、減圧後の供給水素を加熱する加熱ヒータ（供給水素加熱手段）５０が設けられている。本第５実施形態では、加熱ヒータ７０として電気式ヒータを用いている。
【００５６】
水素供給装置２０より供給され、レギュレータ２３にて減圧された供給水素は、加熱ヒータ７０にて加熱される。供給水素は、加熱された後に燃料電池１から排出された排出水素が合流する。このとき、供給水素は加熱されているので、排出水素に含まれる水分（蒸気）の凝縮を低減することができる。
【００５７】
以上の構成によっても上記第３実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本第５実施形態のように供給水素加熱用のヒータを設けることで、システム全体の構成を簡素にできる。
【００５８】
（他の実施形態）
なお、上記第１、第２実施形態では排出水素に含まれる水分を回収する凝縮回収器３０、４０を用いたが、凝縮回収器３０、４０は排出水素と外気あるいは供給水素との間で熱交換できるものであれば、任意の構成の凝縮回収器を用いることができる。
【００５９】
また、上記第１、第２実施形態において、凝縮回収器３０、４０にて排出水素から回収された水分は、燃料電池１に供給されるガスの加湿等といった他の用途に用いることができる。
【００６０】
また、上記第３、第４実施形態では、熱交換器５０、６０にて供給水素を排出空気あるいは供給空気で加熱するように構成したが、これに限らず、ガス圧縮機２０あるいは水素循環ポンプ２４を駆動する電動モータ（図示せず）が発熱するので、熱交換器をこれらの電動モータの発熱を利用して供給水素を加熱するように構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図３】第３実施形態の燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図４】第４実施形態の燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図５】第５実施形態の燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、１０…空気供給装置、１１…空気供給経路、１２…空気排出経路、２０…水素供給装置、２１…水素供給経路、２４…水素循環経路、３０…凝縮回収器（水分回収手段）、４０…熱交換器（供給水素加熱手段）。
【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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