(57)【要約】【課題】燃料電池において生成された水分量を、応答良く且つ安定的に精度良く測定することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池１０を備えた燃料電池システムにおいて、少なくとも燃料電池において生成された水分を流通させる燃料オフガス流路３２と、該燃料オフガス流路を通過した水分を貯留する水量計測用タンク３７と、該水量計測用タンクに貯留された水分の量を測定する水量測定部３７ａと、流路の内壁に形成されている突起の少なくとも上流側に水分排出促進ガスを吹き付ける水分排出促進ガス供給部及び水分排出促進ガス流路４１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
少なくとも前記燃料電池において生成された水分を流通させる流路と、
前記流路を通過した水分を貯留するタンクと、
前記タンクに貯留された水分の量を測定する水量測定部と、
前記流路の内壁に形成されている突起の少なくとも上流側に水分排出促進ガスを吹き付けるガス吹付手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス吹付手段は、
前記流路の途中に、前記突起の上流側を向くように接続された第２の流路と、
前記第２の流路に前記水分排出促進ガスを供給するガス供給部と、
を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２の流路は、前記水分排出促進ガスが前記流路の上流側から下流側に向けて流れるように接続されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の流路に設けられ、前記第１の流路を流通するガスから水分を分離する気液分離器をさらに備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化ガスと燃料ガス（反応ガス）の電気化学反応により発電する燃料電池を用いた燃料電池システムが開発され、実用化されている。この燃料電池システムに用いられる燃料電池には、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟んだＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）と該ＭＥＡを挟む一対のセパレータとを備えた単セルを複数積層したスタック構造をなしているものがある。そして、一方のセパレータに形成された燃料ガスマニホールドを介して水素を含む燃料ガスをＭＥＡのアノード電極側に供給し、他方のセパレータに形成された酸化ガスマニホールドを介して酸素を含む酸化ガスをＭＥＡのカソード電極側に供給することで、これら燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応によりセルが発電する。この電気化学反応によって、燃料電池内部で生成水を生じることになるが、この生成水の水量測定が燃料電池を運転する上で重要になっている。
【０００３】
例えば、燃料電池から排出される酸化ガスのオフガスを案内する酸化ガス排出流路に熱交換器を設けてオフガス中の水蒸気を凝縮し、生成水として水回収タンクで回収してその量を生成水量測定装置で測定するとともに、燃料電池から排出される燃料ガスのオフガスを案内する燃料ガス排出流路にも同様の熱交換器、水回収タンク及び生成水量測定装置を設けて生成水量を測定して、それぞれの生成水量等に基づいて燃料電池の内部での反応ガスの漏洩透過を判定する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、燃料電池から排出される燃料ガスのオフガスを案内する燃料ガス排出流路に熱交換器を設け、露点温度を一定にしてオフガス中の水蒸気を凝縮して生成水を水回収タンクで回収しその量を生成水量測定装置で測定することで、燃料電池の内部の水分量を診断する技術がある。
【特許文献１】特開平８−１６７４２３号公報
【特許文献２】特開２００５−１４１９４３号公報
【特許文献３】特開２００７−１３４０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような燃料電池システムにおいては、時間と生成水量との関係の検出特性が、図４に破線Ａで示す本来の特性に対して、図４に実線Ｂで示すように階段状となり、安定した測定ができないという問題が生じている。
【０００６】
本願発明者は、このような問題が生成水を流通させる配管内の突起に起因することを見出した。即ち、図５に示すように、配管１０１の内壁には、配管同士の継ぎ目等による突起１０２が存在する場合がある。すると、図５の（ａ）に示すように、配管１０１内を流通する水分１０３は、突起１０２の上流側に溜まり、表面張力の作用によって突起１０２の高さ以上に盛り上がる。そして、ある程度の高さまで水分１０３が溜まると、図５の（ｂ）に示すように、突起１０２を超える部分の水分１０３が一気に流れ、水量測定用のタンク等に流入する。その結果、図４の実線Ｂに示すような階段状の測定結果しか得られなくなってしまう。
【０００７】
燃料電池の生成水を排出する技術に関しては、特許文献１に、排気管内の水分を連続的に排出するために、排気管内にヒータを設置し、水蒸気の状態を保持させることが開示されている。また、特許文献２には、燃料電池から排出された水分を分離して貯留する燃料電池システムが開示されている。さらに、特許文献３には、カソードオフガスの排気管にアノードオフガスを噴出する噴出部を設置し、噴出部下側の圧力を低下させて排気管内の凝縮水を排出することが開示されている。
しかしながら、いずれの特許文献にも、配管内の突起に起因する生成水の水量測定誤差を解決する方法は開示されていない。
【０００８】
上記問題点に鑑み、本発明は、燃料電池において生成された水分量を、応答良く且つ安定的に精度良く測定す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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の１つの観点に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池において生成された水分を流通させる流路と、前記流路を通過した水分を貯留するタンクと、前記タンクに貯留された水分の量を測定する水量測定部と、前記流路の内壁に形成されている突起の少なくとも上流側に水分排出促進ガスを吹き付けるガス吹付手段とを備える。
【００１０】
本発明の１つの観点によれば、突起の上流側に水分排出促進ガスを吹き付けることにより、そこに溜まった水分の表面を擾乱させると、水分は突起以上の高さに溜まることができなくなる。そのため、燃料電池において生成された水分に対応する分量の水分がタンクに連続的に流入するようになる。
【００１１】
前記ガス吹付手段は、前記流路の途中に、前記突起の上流側を向くように接続された第２の流路と、前記第２の流路に前記水分排出促進ガスを供給するガス供給部とを有する。このように、突起付近に第２の流路を設けることにより、突起の上流側に溜まった水分の表面に対し、擾乱を引き起こし続けることができる。
【００１２】
前記第２の流路は、前記水分排出促進ガスが前記流路の上流側から下流側に向けて流れるように接続されている。従って、水分排出促進ガスにより流路内の水分の流れが妨害されることなない。
【００１３】
前記燃料電池システムは、前記第１の流路に設けられ、前記第１の流路を流通するガスから水分を分離する気液分離器をさらに備えても良い。それにより、水蒸気の状態で燃料電池から排出された生成水の量も測定することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池において生成された水分量を応答良く且つ安定的に精度良く測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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について説明する。この燃料電池システム１は、自動車、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体の発電システムに適用可能であり、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や携帯型の発電システムへの適用も可能である。
【００１６】
本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、反応ガスである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と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する燃料ガス配管系３とを備えている。
【００１７】
燃料電池１０は、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟んだＭＥＡと、ＭＥＡを挟む一対のセパレータとを備えた単セル１１を複数積層したスタック構造をなしている。酸化ガスは、他方のセパレータに形成された酸化ガスマニホールドを介して、ＭＥＡのカソード電極側に供給される。また、燃料ガスは、一方のセパレータに形成された燃料ガスマニホールドを介して、ＭＥＡのアノード電極側に供給される。
【００１８】
酸化ガス配管系２は、エアコンプレッサ２０等の酸化ガス供給源から酸化ガス（例えば空気）を燃料電池１０の酸化ガス供給口に導入する酸化ガス供給流路２１と、燃料電池１０の酸化ガスオフガス排出口に接続されて燃料電池１０から排出される使用済みの酸化ガス（以下、酸化ガスオフガスと言う）や燃料電池１０から液体のまま排出される水を流通させる酸化オフガス流路２２とを有している。酸化ガス供給流路２１及び酸化オフガス流路２２には、乾燥した酸化ガスを、燃料電池１０から排出された高湿の酸化オフガスを利用して加湿する加湿器２３が設けられている。
【００１９】
燃料ガス配管系３は、燃料ガスタンク３０等の燃料ガス供給源から燃料電池１０の燃料ガス供給口に導入する燃料ガス供給流路３１と、燃料電池１０の燃料オフガス排出口に接続されて燃料電池１０から排出される使用済みの燃料ガス（以下、燃料オフガスと言う）や燃料電池１０において生成された水分（生成水）を流通させる燃料オフガス流路３２とを有している。燃料電池１０において生成された水分の一部は、液体の状態で燃料オフガス流路３２を流通し、残りの水分は、水蒸気の状態で燃料オフガスの一部として同流路３２を流通する。
【００２０】
燃料オフガス流路３２には、燃料オフガスに含まれる水分を分離する気液分離器３３が設けられている。気液分離器３３は、例えば、冷却水を循環させる流路を含む熱交換部を備えており、燃料オフガス流路３２から導入された燃料オフガスを冷却することにより、燃料オフガス中の水分を凝結させて分離する。気液分離器３３によって水分を分離された残りの燃料オフガスは循環ポンプ３４により圧送され、循環流路３５を介して燃料ガス供給流路３１に導入されて再利用される。
【００２１】
気液分離器３３には、燃料オフガス流路３２を通過した水分及び気液分離器３３によって分離された水分を流通させる連絡流路３６が接続されている。連絡流路３６は、水量測定部３７ａが設けられた水量計測用タンク３７に接続されており、連絡流路３６を通過した水分は、水量計測用タンク３７に貯留され、ここで水量を測定される。水量測定済みの水分は、バルブ３８が設けられた排水流路３９を通じて、随時排出される。
【００２２】
さらに、燃料オフガス流路３２には、水分排出促進ガス供給部（以下、促進ガス供給部ともいう）４０及び水分排出促進ガス流路（以下、促進ガス流路ともいう）４１が設けられている。また、連絡流路３６には、水分排出促進ガス供給部４２及び水分排出促進ガス流路４３が設けられている。促進ガス供給部４０、４２並びに促進ガス流路４１、４３は、燃料オフガス流路３２及び連絡流路３６の内部の特定の箇所に水分が滞留するのを抑制するために設けられているガス吹付手段である。
【００２３】
図２は、促進ガス流路４１と燃料オフガス流路３２との接続部分を拡大して示す断面図である。なお、促進ガス流路４３と連絡流路３６との接続部分の構造も、図２に示すものと同様である。
【００２４】
促進ガス流路４１は、燃料オフガス流路３２の内壁に形成された突起３２ａ付近に設けられている。促進ガス流路４１の位置及び向きは、促進ガス供給部４０から供給された水分排出促進ガスが突起３２ａの上流側に吹き付けられ、さらに下流方向に流れるように設計されている。
【００２５】
このように、突起３２ａ付近に水分排出促進ガスを吹き付けることにより、突起３２ａの上流側に溜まっている水分１００の表面を擾乱させる。すると、上流から流れて来た水分１００は、表面張力の作用により突起３２ａ以上の高さに盛り上がって滞留することができなくなり、そのまま連続的に下流に向けて流れるようになる。
【００２６】
促進ガス供給部４０、４２は、水分排出促進ガスの成分に応じて、例えば、圧送ポンプやコンプレッサやガスタンク等によって構成される。また、水分排出促進ガスの種類は、促進ガス流路４１、４３が設けられる位置（配管）に応じて選択される。
【００２７】
促進ガス流路４１から噴射させる水分排出促進ガスとしては、気液分離器３３を通過後の燃料オフガスが燃料ガスとして再利用されることを考慮して、燃料ガス成分を含むガスを利用することが望ましい。従って、この場合には、促進ガス供給部４０を、循環流路３５を流通する燃料オフガスの一部を促進ガス流路４１に分流する流路及び圧送ポンプによって構成すると良い。或いは、促進ガス供給部４０として、燃料ガスが充填されたガスタンクを設けても良い。また、促進ガス供給部４０としてコンプレッサを設け、外部から取り込んだ空気を水分排出促進ガスとして利用しても良い。この場合には、循環流路３５を流通する燃料オフガス中の燃料ガス成分の濃度が低下するので、別途改質器を設けることが望ましい。
【００２８】
促進ガス流路４３から噴射させる水分排出促進ガスとしては、安定したガスであれば特に種類は限定されない。連絡流路３６を通過後のガスは外部に排出されるだけだからである。従って、例えば、促進ガス供給部４２としてガスタンクを設け、窒素ガス等を水分排出促進ガスとして用いても良い。或いは、外部から取り込んだ空気を水分排出促進ガスとして用いても良い。
【００２９】
いずれの場合においても、生成水の水量測定への影響を抑制するために、水分排出促進ガスの湿度を低く保っておくことが必要である。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料オフガス流路３２及び連絡流路３６の内部の特定の箇所に水分が滞留して流れが断続的になるのを抑制することができる。そのため、燃料電池１０において新たに生成された水分に対応する分量の水分が、水量計測用タンク３７に連続的に流入するようになる。その結果、図３に示すように、燃料電池１０における水分の生成特性を正確に反映した測定結果が得られるようになる。
【００３１】
なお、図１においては、促進ガス流路４１、４３が１つずつ示されているが、燃料オフガス流路３２や連絡流路３６内の突起等の数や位置に応じて、促進ガス流路４１、４３の位置や数を設計すると良い。また、酸化ガス配管系において生成水の水量を測定する場合にも、本実施形態と同様に促進ガス流路や促進ガス供給部を酸化ガス配管系に設けることにより、配管内における水分の滞留を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図２】図１に示す水分排出促進ガス流路の接続部分を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムによって得られる生成水の水量測定の結果を示す図である。
【図４】生成水の水量測定の結果を示す図である。
【図５】流路内において水分の流れが断続的になる原因を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０…燃料電池システム、３２…燃料オフガス流路、３３…気液分離器、３６…連絡流路、３７…水量計測用タンク、３７ａ…水量測定部、４０、４２…水分排出促進ガス供給部、４１、４３…水分排出促進ガス流路
【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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