(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、加湿器の加湿性能を向上させる。【解決手段】反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２０と、該燃料電池に供給される反応ガスと、燃料電池から排出された反応オフガスとを流通させ、反応ガスと反応オフガスとの間で水分を交換することにより反応ガスを加湿する加湿器３４と、該加湿器に流通させる反応オフガスを冷却する冷却器３６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】
反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される反応ガスと、前記燃料電池から排出された反応オフガスとを流通させ、反応ガスと反応オフガスとの間で水分を交換することにより反応ガスを加湿する加湿器と、
前記加湿器に流通させる反応オフガスを冷却する冷却手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却手段は、前記加湿器に流通させる反応オフガスを過飽和状態とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却手段は、冷却媒体を用いて反応オフガスを冷却する冷却器である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却手段は、前記加湿器に導入される反応オフガスを断熱膨張させるように形成された流路である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加湿器から導出された反応オフガスから所定の温度よりも低温のガスを分離するボルテックスチューブをさらに備え、
前記冷却手段は、前記ボルテックスチューブにより分離された低温のガスを冷却媒体として反応オフガスを冷却する、請求項１又は２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、燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、燃料電池に供給される反応ガスの含水量を調整するための加湿機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスに代表される燃料ガスと、空気に代表される酸化ガスとの電気化学反応により電力を発生し、それと同時に水分を生成する。燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を水素極（アノードともいう）と酸素極（カソードともいう）とにより挟み込んだ構造を有している。この型の燃料電池においては、燃料ガスと酸素ガスとの反応におけるプロトンの伝導を電解質膜が担うため、発電反応を効率よく維持するために、電解質膜の水分を適切な状態に制御する必要がある。そのため、燃料電池システムには、燃料電池に供給されるガスを加湿するための加湿器が設けられている。
【０００３】
加湿器の内部には、燃料電池から排気された使用済みのガスと燃料電池に供給される乾燥したガス（被加湿ガス）との間で水分を交換するための中空糸膜モジュール（交換樹脂）が設けられている。中空糸膜モジュールは、多数の中空糸膜を束ねたものである。通常、燃料電池から排気されたガスは、発電の際に生成された水分を含んで湿潤状態となっているので、このガス（加湿ガス）を中空糸膜モジュールの内側（又は外側）に流通させ、被加湿ガスをモジュールの外側（又は内側）に流通させることにより、加湿ガスに含まれる水分が中空糸膜に吸収され、この水分が被加湿ガスに与えられる。
【０００４】
このような加湿器における水蒸気交換量は、加湿ガスと被加湿ガスとの間の相対湿度や温度等の条件によって変化する。そのため、加湿量不足となるガス領域が部分的に発生することがあり、好ましくない。十分に加湿されていないガスが燃料電池に供給されることになるからである。
【０００５】
関連する技術として、特許文献１には、燃料電池の運転状態に関わらず加湿器の加湿性能を十分に発揮させるために、加湿器の排出ガス出口側の圧力を制御することにより加湿器の水分交換率を制御する燃料電池システムが開示されている。また、特許文献２には、高圧燃料ガスを低温ガスと高温ガスとに分離し、その内の低温ガスをスタックの冷却に用いる燃料電池システムが開示されている。
しかし、さらに簡単な構成で確実に加湿器の性能を向上させることができるシステムが望まれている。
【特許文献１】特開２００５−３２２５０８号公報
【特許文献２】特開２００５−２６８１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池システムにおいて、加湿器の加湿性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の１つの観点に係る燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される反応ガスと、前記燃料電池から排出された反応オフガスとを流通させ、反応ガスと反応オフガスとの間で水分を交換することにより反応ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器に流通させる反応オフガスを冷却する冷却手段とを備える。
【０００８】
燃料電池から排出されたほぼ飽和状態の反応オフガスを冷却すると、過飽和状態となる。そのような反応オフガスを加湿器に導入すると、反応オフガスによる加湿量が急峻に増加し、加湿性能が大幅に向上する。また、反応オフガスが過飽和状態になっていなくても、冷却によりガスの湿度が上昇するので、やはり、加湿量を増やすことができる。
【０００９】
ここで、前記冷却手段としては、ガスを冷却することができれば、どのような方式を採用しても用いても良い。例えば、気体又は液体等の冷却媒体を用いて反応オフガスを冷却する冷却器であっても良く、前記加湿器に導入される反応オフガスを断熱膨張させるように形成された流路であっても良い。
【００１０】
或いは、前記燃料電池システムは、前記加湿器から導出された反応オフガスから所定の温度よりも低温のガスを分離するボルテックスチューブをさらに備え、前記冷却手段は、前記ボルテックスチューブにより分離された低温のガスを冷却媒体として反応オフガスを冷却しても良い。ボルテックスチューブは、電源や冷媒等を要することなく、圧縮ガスを高温側のガスと低温側のガスとに分離することができ、しかも比較的安価で、小型且つ軽量である。そのため、ボルテックスチューブによって分離された低温側のガスを冷却媒体として利用することにより、設備コストや運転コストを抑制することができると共に、設置スペースを低減することも可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出された反応オフガスを冷却してから加湿器に導入するので、加湿性能を向上させることができる。従って、燃料電池に供給される反応ガスをむらなく十分に加湿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】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示すシステム図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、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等に適用可能である。本実施形態においては自動車用となっている。
【００１３】
燃料電池システム１は、燃料電池２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０に供給する酸化ガス配管系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給する燃料ガス配管系４０とを備える。
【００１４】
燃料電池２０は、例えば、固体高分子電解質型であり、電解質とその両側に配置された電極層（アノード及びカソード）とを含む複数のセル２１が積層された積層構造を有する。燃料電池２０は、酸化ガスと燃料ガス（これらを反応ガスともいう）との電気化学反応により電力を発生する。
【００１５】
酸化ガス配管系３０は、燃料電池２０に酸化ガスを供給する酸化ガス供給管３１と、燃料電池２０から排出された使用済みの酸化ガス（酸化オフガス）を排出する酸化オフガス排出管３２とを含む。酸化ガス供給管３１には、エアコンプレッサ３３と、加湿器３４と、開閉弁３５とが設けられている。一方、酸化オフガス排出管３２には、冷却器３６が設けられており、冷却器３６を通過した酸化オフガスが加湿器３４を通って排出されるように酸化オフガス排出管３２の流路が形成されている。
【００１６】
冷却器３６としては、ガスを冷却することができれば、どのような冷却方式を採用しても構わない。例えば、冷却媒体としてガスを利用する空冷式や、冷却液（冷却水）を利用する水冷式のいずれを用いても良い。
【００１７】
なお、エアコンプレッサ３３の上流に、外気を清浄にするためのエアクリーナーをさらに設けても良い。或いは、酸化オフガス排出管３２の加湿器３４の下流に、希釈器やマフラーをさらに設けても良い。
【００１８】
加湿器３４は、燃料電池２０における電気化学反応の際に生成された水分を含む高湿の酸化オフガスを利用して、外部から取り込まれた酸化ガスを加湿する。
図２は、加湿器３４の内部構造を示す図である。加湿器３４の筐体３００には、酸化ガスの入口（ドライ側入口）３０１及び出口（ドライ側出口）３０２、並びに、酸化オフガスの入口（ウェット側入口）３０３及び出口（ウェット側出口）３０４が設けられている。また、加湿器３４の内部には、望ましくは水蒸気のみを透過させる複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束（中空糸膜モジュール）３０５が配置されている。さらに、加湿器３４の内部は、仕切り部材３０６により、酸化ガスの流路（ドライ側流路）３０７と酸化オフガスの流路（ウェット側流路）３０８とに仕切られている。加湿器３４の内部において、中空糸膜モジュール３０５の内側に酸化オフガスを流通させ、中空糸膜モジュール３０５の外側に酸化ガスを流通させる。すると、酸化オフガスの水分が中空糸膜に吸収され、その水分が酸化ガスに与えられ、その結果、酸化ガスが加湿される。
【００１９】
再び、図１を参照すると、燃料ガス配管系４０は、燃料ガスを燃料電池２０に供給する燃料ガス供給管４１と、燃料ガスから排出された使用済みの燃料ガス（燃料オフガス）を排出する燃料オフガス排出管４２とを含む。燃料ガス配管系４０には、さらに、燃料ガスを貯蓄する高圧ガスタンクや、燃料オフガスを再利用するための循環ポンプ等を設けても良い。
【００２０】
燃料電池システム１の運転を開始すると、酸化ガスとしての外気がエアコンプレッサ３３によって取り込まれて圧縮される。この酸化ガスは、加湿器３４において加湿された後、開弁された開閉弁３５を通って燃料電池２０に導入される。燃料電池２０においては、この酸化ガスと、燃料ガス供給管４１から供給された燃料ガスとの電気化学反応により電力が発生し、それと同時に水分が生成される。反応後の酸化オフガス及び燃料オフガスは、酸化オフガス排出管３２及び燃料オフガス排出管４２を介して、燃料電池２０からそれぞれ排出される。酸化オフガスは、冷却器３６において冷却された後で加湿器３４に導入され、酸化ガスを加湿するために利用される。その後、酸化オフガスは、酸化オフガス排出管３２を通って、燃料電池システム１の外部に排出される。
【００２１】
ここで、本実施形態において、酸化オフガスを冷却してから加湿器３４に導入する理由を説明する。
図３は、一般的な加湿器の加湿特性を示している。通常、加湿性能は、ウェット側のガス（加湿ガス）及びドライ側のガス（被加湿ガス）の各々の相対湿度や温度に依存する。例えば、ウェット側の相対湿度が１００％（飽和水蒸気状態）の場合には、ドライ側の相対湿度が２０％程度となるまで加湿することができる。このような加湿特性は、ウェット側の相対湿度が１００％となるまでは、比較的緩やかに変化する。ところが、ウェット側の相対湿度が１００％を超えると、即ち過飽和状態（飽和水蒸気及び液滴が混在している状態）になると、加湿特性の勾配は急峻となり、加湿能力が各段に向上する。これは、水蒸気だけでなく液滴がドライ側の加湿に大きく寄与するからである。例えば、ウェット側の相対湿度が１２０％になると、ドライ側を相対湿度４０％程度となるまで加湿することができる。
【００２２】
燃料電池２０から排出された時点で、酸化オフガスはほぼ飽和水蒸気状態となっている。そのため、酸化オフガスを冷却器３６において冷却することにより、容易に過飽和状態とすることができる。そのような酸化オフガスを加湿器３４に導入することにより、加湿器３４の加湿性能を向上させ、酸化ガスをむらなく十分に加湿することが可能となる。
【００２３】
また、仮に、燃料電池２０から排出された時点で酸化オフガスが飽和水蒸気状態となっていないとしても、酸化オフガスを冷却することにより相対湿度が高くなるので、加湿器３４において、酸化ガスに対する加湿量を増加させることができる。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムについて、図４を参照しながら説明する。
図４に示す燃料電池システム２は、図１に示す冷却器３６の代わりに、絞り３７を備えている。絞り３７は、燃料電池２０と加湿器３４との間に配置されている酸化オフガス排出管３２の一部に設けられている。その他の構成は、図１に示すものと同様である。
【００２５】
燃料電池２０から排出された酸化オフガスは、絞り３７を通過する際に一旦収縮する。その際に酸化オフガスの圧力が高くなるので、絞り３７の通過後、酸化オフガスは急激に膨張する。それにより、酸化オフガスは冷却し、過飽和状態となる。このような酸化オフガスを加湿器３４に導入することにより、加湿器３４の加湿性能を向上させることが可能となる。
【００２６】
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムについて、図５及び図６を参照しながら説明する。
図５に示す燃料電池システム３は、図１に示す構成に加えて、ボルテックスチューブ３８、及び、該ボルテックスチューブ３８と冷却器３６とを接続する冷却ガス連絡管３９をさらに備えている。本実施形態においては、冷却器３６の冷却媒体として、ボルテックスチューブ３８から供給されるガスを利用する。その他の構成は、図１に示すものと同様である。
【００２７】
図６は、ボルテックスチューブ３８の内部を示す断面図である。
ボルテックスチューブ３８とは、圧縮されたガスを入口温度よりも低温のガス（低温ガス）と高温のガス（高温ガス）とに分離する装置である。
【００２８】
ボルテックスチューブ３８は、中空管構造８００を有しており、この中空管構造８００の側部の内、一方の端部付近（図６においては右端付近）にはガス供給口８０１が設けられている。このガス供給口８０１は、酸化オフガス排出管３２（図５）を介して加湿器３４に接続されている。また、当該端部（右端）には、低温ガスを吐出する低温ガス吐出口８０２が設けられており、他方の端部（左端）には高温ガス吐出口８０３が設けられている。さらに、中空管構造８００の内部のガス供給口８０１近傍には、ノズル８０４が設けられており、高温ガス吐出口８０３の内側には、バルブが設けられている。
【００２９】
ここで、酸化ガス配管系３０を流通するガスは、エアコンプレッサ３３によってある程度圧縮されている。そのため、加湿器３４から排出された酸化オフガスがガス供給口８０１を通って中空管構造８００内に導入されると、管内において旋回ガス流が形成される。この旋回ガス流の中で、中央から外側へと熱の流動が生じる。その結果、酸化オフガスは、内側の低温ガスの旋回流と、外側の高温ガスの旋回流とに分離される。
【００３０】
分離された低温ガスは、低温ガス吐出口８０２に接続された冷却ガス連絡管３９を介して冷却器３６に導入され、加湿器３４に供給される酸化オフガスを冷却する冷却媒体として作用し、その後冷却器３６から排出される。一方、分離された高温ガスは、高温ガス吐出口８０３からバルブ８０５を介して吐出され、排気系に導かれる。なお、バルブ８０５の開度を調整することにより、低温ガスと高温ガスとの分離度合い、言い換えれば、低温ガス及び高温ガスのそれぞれの温度を制御することができる。
【００３１】
以上の第１〜第３の実施形態においては、酸化ガスを加湿する場合について説明したが、燃料ガスを加湿する場合においても同様にして加湿性能を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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構成を示す図である。
【図２】加湿器の内部構造を示す図である。
【図３】加湿器の加湿特性を示す図である。
【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構成を示す図である。
【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構成を示す図である。
【図６】ボルテックスチューブの内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１〜３、燃料電池システム、２０…燃料電池、３１…酸化ガス供給管、３２…酸化オフガス排出管、３４…加湿器、３６…冷却器、３７…絞り、３８…ボルテックスチューブ
【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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