JP2003123805A

JP2003123805A - 水循環装置

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Publication number: JP2003123805A
Application number: JP2001312673A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Taniyama; 剛谷山; Naoto Nakano; 直人中野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2003-04-25
Anticipated expiration: 2021-10-10
Also published as: JP3705182B2

Abstract

(57)【要約】【課題】水が循環する循環供給管路中に混入する空気
を効率よく排出できるようにする。【解決手段】水循環ポンプ２３によって圧送される水
が、循環供給管路２１を通って水循環ポンプ２３に戻
る。循環供給管路２１のうち、その前後の配管部に比べ
て上下方向の高さ位置が相対的に高くなっている配管部
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ、および循環供給管路２１中の
水循環ポンプ２３の吸入口付近２１ｄに、分岐管２９の
下端をそれぞれ連通接続し、この各分岐管２９の上端
は、循環供給管路２１を循環する水が常に下部に存在し
ている気水分離タンク２７の下部に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、循環ポンプによ
って圧送される水が、循環供給管路を通って循環ポンプ
に戻る水循環装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は水素などの燃料と空気などの
酸化剤とを電気化学的に反応させることにより、燃料の
もつ化学的エネルギを直接電気エネルギに変換する装置
であり、近年家庭向けの定置式発電システムや、自動車
等移動体の動力源などへの利用が広がりつつある。その
中でも電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子
電解質型燃料電池は、出力密度が高いこと、構造が単純
なこと、動作温度が比較的低いことなどの好ましい特徴
が多くあり、より一層の技術開発への期待が高まってい
る。

【０００３】このような固体高分子電解質型燃料電池
（ＰＥＦＣ）における単位セル電池の構成を、図１３を
用いて説明する。すなわち、イオン導電性を有する固体
高分子膜１を間に挟んで、アノード電極３およびカソー
ド電極５がそれぞれ配置されている。アノード電極３に
隣接した位置には、アノード電極３に燃料ガスを供給す
るための燃料ガス供給溝７が、カソード電極５に隣接し
た位置には、カソード電極５に酸化剤ガスを供給するた
めの酸化剤ガス供給溝９が、それぞれ設けられている。

【０００４】上記した燃料ガス供給溝７および酸化剤ガ
ス供給溝９のそれぞれの外側には、導電性を有するガス
不透過性のアノードセパレータ１１およびカソードセパ
レータ１３が設けられている。アノードセパレータ１１
のさらに外側には、導電性を有するガスおよび水不透過
性の水セパレータ１５が、そのさらに外側には、発電に
伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、電池ス
タック温度を適正に保つためのスタック冷却水を流す冷
却水供給溝１７が、それぞれ設けられている。

【０００５】上記した固体高分子膜１〜冷却水供給溝１
７の各構成要素によって、単位セル電池１９が構成され
ている。

【０００６】以上のような固体高分子電解質型燃料電池
においては、アノード電極３に燃料ガスを、カソード電
極５に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単位セル電池
１９の一対の電極３，５間で電気化学反応により、以下
のように起電力が生じる。

【０００７】アノード反応：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- カソード反応：２Ｈ⁺ ＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^- →２Ｈ₂ Ｏすなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸
化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード
電極３に水素を、カソード電極５に空気をそれぞれ供給
すると、アノード電極３では、供給された水素が水素イ
オンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高分子
膜１を通り、電子は図示しない外部回路を通って、それ
ぞれカソード電極５に移動する。

【０００８】一方、カソード電極５においては、供給さ
れた空気中の酸素と上記水素イオンおよび電子とが反応
して水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電
流となり電力を供給することができる。つまり、アノー
ド電極３およびカソード電極５においては、それぞれ上
述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成さ
れた水は未反応ガスと共に電池外に排出される。

【０００９】ところで、単位セル電池１９の起電力は１
Ｖ以下と低いため、通常の実用型燃料電池システムは、
数十〜数百枚の単位セル電池１９を積層した電池スタッ
クを有し、この電池スタックによる発電を行なってい
る。

【００１０】以上のような固体高分子電解質型燃料電池
に使用されるイオン導電性を有する固体高分子膜１とし
ては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカ
ーボンスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ^R ：米国デュポン社）
が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換
基をもち、飽和含水することによりイオン導電性電解質
として機能するとともに、燃料と酸化剤とを分離する機
能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなると、イオン
抵抗が高くなり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバ
が発生し、電池での発電が困難となる。このため、固体
高分子膜は飽和含水としておくことが望ましい。

【００１１】一方、発電によりアノード電極３で分離し
た水素イオンが固体高分子膜１を通りカソード電極５に
移動するときに、水も一緒に移動するため、アノード電
極３側では固体高分子膜１は乾燥する傾向にある。ま
た、供給する燃料または空気に含まれる水蒸気が少ない
と、それぞれの反応ガス入口付近で固体高分子膜１は乾
燥する傾向にある。このような理由から、固体高分子電
解質型燃料電池には、あらかじめ加湿した燃料と酸化剤
を供給することが一般的に行われている。

【００１２】よって、このような燃料電池システムに
は、燃料と酸化剤を加湿する加湿器に、加湿水を循環供
給する管路や、発電によって生じる燃料電池スタック内
の余分な熱を除去するための燃料電池冷却水を循環供給
する管路、または補機類用の冷却水を循環供給する管路
などの水循環装置が具備されることが多い。

【００１３】以上で述べたような燃料電池システムにお
ける水循環装置の従来技術として、特開平１１−２７３
７０４号公報に記載されたものが知られている。これ
は、メインタンクに蓄えられた水を、循環ポンプによっ
て吸い出し、供給管を通して燃料電池スタックへ送出
し、燃料電池スタックからは排出管を通して、メインタ
ンクに戻すことにより、燃料電池スタックに内部加湿
水、または冷却水を循環供給する構成になっている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のよ
うな従来の燃料電池システムの水循環装置では、次のよ
うな問題点がある。

【００１５】燃料電池スタックへ水を送り込む供給管の
一部が、循環流路全体に対して相対的に高い位置になる
可能性があり、このとき循環ポンプで水を流しても、前
記の相対的に高い位置にある供給管内の特に上側に空気
が残りやすく、循環水中に空気気泡が混入したり、もし
くは実質的な循環水量が低下することで、水量が、要求
される量に対して不足する状況が発生しやすくなる。

【００１６】よって結果として、空気気泡の押し出しの
ためや実質的な水量を確保するために、循環ポンプ駆動
に必要以上のエネルギが消費されることになり、燃料電
池システム全体のエネルギ効率が低下したり、循環水量
不足が続くと、電解質膜の含水量不足や燃料電池の冷却
不良が発生する。

【００１７】また循環ポンプの吸入口付近の配管につい
ては、相対的に高い位置にない場合でも、循環ポンプ吸
入口付近の配管内に空気が残ってしまうと、循環ポンプ
を回転させても充分な量の水を吸入吐出できなくなる。

【００１８】そこで、この発明は、水が循環する循環供
給管路中の空気を効率よく排出できるようにすることを
目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、循環ポンプによって圧送される
水が、循環供給管路を通って前記循環ポンプに戻る水循
環装置において、前記循環供給管路のうち、その前後の
配管部に比べて高さ位置が相対的に高くなっている配管
部に、上下方向に延長される分岐管の下端を連通接続
し、この分岐管の上端は、前記循環供給管路を循環する
水が常に下部に存在している空気排出容器の下部に接続
されている構成としてある。

【００２０】請求項２の発明は、請求項１の発明の構成
において、前記循環供給管路中の前記循環ポンプの吸入
口付近に、上下方向に延長される分岐管の下端を連通接
続し、この分岐管の上端は、前記循環供給管路を循環す
る水が常に下部に存在している空気排出容器の下部に接
続されている請求項３の発明は、請求項１または２の発
明の構成において、電解質膜が燃料極と酸化剤極との間
に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池ス
タックを備えるとともに、前記燃料極に供給する燃料と
前記酸化剤極に供給する酸化剤との少なくとも一方の被
加湿ガスに加湿水を供給して加湿する加湿手段を備え、
前記循環供給管路は、前記加湿手段内に形成されている
加湿水流路を含んでいる構成としてある。

【００２１】請求項４の発明は、請求項１ないし３のい
ずれかの発明の構成において、電解質膜が燃料極と酸化
剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する
燃料電池スタックを備え、この燃料電池スタックには、
その内部で生じる反応熱を除去するための冷却水が通過
する冷却水流路が設けられ、前記循環供給管路は、この
冷却水流路を含んでいる構成としてある。

【００２２】請求項５の発明は、請求項３の発明の構成
において、前記加湿手段は、被加湿ガス流路と加湿水流
路との間に透湿性の膜が配置された膜式加湿器であり、
この膜式加湿器の上部の前記加湿水流路に、上下方向に
延長される分岐管の下端を連通接続し、この分岐管の上
端は、前記循環供給管路を循環する水が常に下部に存在
している空気排出容器の下部に接続されている構成とし
てある。

【００２３】請求項６の発明は、請求項１ないし５のい
ずれかの発明の構成において、前記空気排出容器の上部
に、この空気排出容器の内圧を大気に開放する大気開放
通路を設け、この大気開放通路に、通路の遮断および開
放を行なう大気開放手段を設けた構成としてある。

【００２４】請求項７の発明は、請求項６の発明の構成
において、燃料電池システムの運転停止時から次回運転
開始時までの間に、前記循環供給管路に設置された複数
個の前記空気排出容器のうち、高さが最も高い位置にあ
る空気排出容器の前記大気開放手段を開いておく構成と
してある。

【００２５】請求項８の発明は、請求項６または７の発
明の構成において、前記空気排出容器に、内部の水の液
位を検知する液位検知手段を設け、この液位検知手段か
らの液位検知信号に応じて、前記大気開放手段を開閉制
御する構成としてある。

【００２６】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、前後の配管部
に比べて高さ位置が相対的に高い位置にある循環供給管
路に下端を接続した分岐管の上端を、循環供給管路を循
環する水が常に下部に存在している空気排出容器の下部
に接続するようにしたので、循環供給管路内の空気を素
早く空気排出容器へ追いやることができ、循環供給管路
内の空気の排出を効率よく行え、空気抜きのための実質
循環水量を確保するための余分な循環ポンプの駆動仕事
が不要となる。

【００２７】請求項２の発明によれば、循環供給管路中
の循環ポンプの吸入口付近に、分岐管の下端を連通接続
し、この分岐管の上端は、循環供給管路を循環する水が
常に下部に存在している空気排出容器の下部に接続する
ようにしたので、循環ポンプの吸入口付近の循環供給管
路内に空気が存在している場合でも、空気排出容器に容
易に空気を移動させることができ、循環供給管路内の空
気の排出を効率よく行え、循環ポンプは、常に安定した
量の水を吐出することができる。

【００２８】請求項３の発明によれば、循環供給管路
は、燃料電池スタックに供給する燃料と酸化剤との少な
くとも一方の被加湿ガスに加湿水を供給して加湿する加
湿手段内の加湿水流路を含んでおり、この循環供給管路
内の空気を素早く空気排出容器へ追いやることで、循環
ポンプの駆動力は、加湿手段での要求量を満たすだけの
必要最小限の循環水量に対応する分に抑えながら、燃料
電池システムの運転が可能となり、結果としてシステム
全体のエネルギ効率を高めることができる。また、循環
ポンプ吸入口付近の循環供給管路内の空気を空気排出容
器に移動させることで、この部位での空気抜きが容易に
なるので、循環水量が不足する状況を回避でき、被加湿
ガスの加湿量制御が容易になり、燃料電池の電解質膜の
含水率を適正に維持することができ、燃料電池スタック
の耐久性、信頼性を高めることができる。

【００２９】請求項４の発明によれば、循環供給管路
は、燃料電池スタックの内部で生じる反応熱を除去する
ための冷却水が通過する冷却水流路を含んでおり、この
循環供給管路内の空気を素早く空気排出容器へ追いやる
ことで、循環ポンプの駆動力は、燃料電池スタックでの
余分な熱を除去するのに必要とされるだけの循環水量に
対応する分に抑えながら、燃料電池システムの運転が可
能となり、結果としてシステム全体のエネルギ効率を高
めることができる。また、循環ポンプ吸入口付近の循環
供給管路内の空気を空気排出容器に移動させることで、
この部位での空気抜きが容易になるので、循環水量が不
足する状況を回避でき、冷却水量制御が容易になり、燃
料電池スタックの耐久性、信頼性を高めることができ
る。

【００３０】請求項５の発明によれば、加湿手段として
膜式加湿器を用い、この膜式加湿器の上部に、内部の加
湿水流路と分岐管で連結された空気排出容器を備えてい
るので、循環供給管路内の水を交換する場合などには、
加湿水流路が狭く複雑な構造をしていて、一般的に空気
抜きが困難な膜式加湿器内部の空気も、加湿器内部の加
湿水流路から空気排出容器へと容易に追いやることがで
き、加湿水の交換直後の運転時であっても、循環ポンプ
の駆動力は必要最小限に抑えることが可能であり、結果
として、燃料電池システム全体のエネルギ効率をさらに
高めることができる。

【００３１】請求項６の発明によれば、空気排出容器の
上部に、空気排出容器の内圧を大気に開放する大気開放
通路を設け、この大気開放通路の途中に通路の遮断およ
び開放を行なう大気開放手段を配置したので、燃料電池
システムの運転中に、循環供給管路内から空気排出容器
内に送り込まれて滞留する空気の量が増えた場合でも、
大気開放手段を一時的に開放することで、運転を停止す
ることなく空気排出容器の内圧と大気圧との差圧によっ
て空気排出容器内の空気を大気中へ排出でき、この結果
空気排出容器の空気貯蔵能力を再生することができ、シ
ステムの運転性が向上する。また、この大気開放通路
は、水注入時の注入口としても利用可能であり、循環供
給管路の相対的に高い場所から注入することができるた
め、空気を循環供給管路に閉じこめることなく、水交換
作業を効率的に行うことができる。

【００３２】請求項７の発明によれば、燃料電池システ
ムの運転停止時から次回運転開始時までの間に、循環供
給管路に設置された複数個の空気排出容器のうち、高さ
が最も高い位置にある空気排出容器の大気開放手段を開
いておくことで、循環供給管路内の循環水が自然冷却、
体積収縮してゆく過程で、水の収縮分に対応した空気が
大気開放手段を通じて空気排出容器内に流入することに
なる。その結果として、冷却時に循環供給管路内の各部
が負圧になることが回避され、循環供給管路の継ぎ目な
どからの空気の吸い込みを防止することができ、次回運
転開始時の空気抜き作業を容易にし、燃料電池システム
の起動特性を改善することができる。

【００３３】請求項８の発明によれば、空気排出容器に
内部の液位を検知できる液位検知手段を設け、液位検知
手段からの液位検知信号に応じて、大気開放手段を開閉
制御するようにしたので、空気排出容器内の液位、およ
び液位の変化を正確に検知でき、適切なタイミングで効
果的に空気排出容器内の空気を大気中へ排出することが
可能となる。その結果として、燃料電池システム運転中
も空気排出容器における空気抜き性能を安定化すること
ができ、運転性をより高めることができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づき説明する。

【００３５】図１は、この発明の第１の実施形態を示す
水循環装置の概略的な全体構成図である。

【００３６】循環供給管路２１には、循環供給管路２１
内に充填された水を循環させる循環ポンプとしての水循
環ポンプ２３および、循環する水を利用する水利用機器
２５がそれぞれ設けられている。水循環ポンプ２３の吐
出口から吐出された水は、循環供給管路２１内を流れて
水利用機器２５に供給される。水利用機器２５で利用さ
れた後排出された水は、再度循環供給管路２１内を流れ
て水循環ポンプ２３の吸入口に戻る。

【００３７】水利用機器２５としては、例えば燃料電池
システムにおける加湿器や、冷却水が供給される燃料電
池スタックがある。

【００３８】燃料電池スタックは、電解質膜が燃料極と
酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有
するものであり、燃料極に供給する燃料と酸化剤極に供
給する酸化剤との少なくとも一方の被加湿ガスに、上記
した加湿器により加湿水を供給する。したがって、この
場合の循環供給管路２１には、加湿水が流れることにな
る。

【００３９】また、燃料電池スタックには、発電に伴っ
て発生する余分の熱を取り除くことにより、電池スタッ
ク温度を適正に保つためのスタック冷却水を流す冷却水
供給溝が設けられている。したがって、この場合の循環
供給管路２１には、スタック冷却水が流れることにな
る。

【００４０】このような燃料電池システム内の循環供給
管路２１は、システムを構成する各装置、各機器のレイ
アウトの都合により、上下の高さ位置が高くなったり低
くなったりすることが避けられない。このような高さが
変化しながら流れる循環供給管路２１において、その前
後の配管部に比べて上下方向の高さ位置が相対的に高く
なっている配管部の複数箇所２１ａ，２１ｂ，２１ｃお
よび、水循環ポンプ２３の吸入口付近２１ｄのそれぞれ
の上部に、空気排出容器としての空気抜き用の気液分離
タンク２７を設けている。

【００４１】図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。気液
分離タンク２７の下部には、上下方向に延長された分岐
管２９の上端が連通接続され、この分岐管２９の下端は
循環供給管路２１に連通接続されている。気液分離タン
ク２７内には、循環供給管路２１内を循環する水が常に
所定量存在している。

【００４２】上記図１に示した水循環装置では、水循環
ポンプ２３が作動することで、水循環ポンプ２３から吐
出された水が水利用機器２５に供給され、ここで利用さ
れた水は水利用機器２５から排出されて、再度循環供給
管路２１内を流れ、水循環ポンプ２３に戻る。

【００４３】このとき、循環供給管路２１内に、例え空
気などの気体が混入しても、循環供給管路２１内の相対
的に高くなっている場所（複数箇所２１ａ，２１ｂ，２
１ｃ）に気水分離タンク２７が設置されているので、水
を循環させているうちに空気などの気体は、この気水分
離タンク２７内へ分岐管２９を介して容易に導かれる。
これにより、空気抜きのための実質循環水量を確保する
ための余分な水循環ポンプ２３の駆動仕事が不要とな
り、水利用機器２５を含む水循環装置全体のエネルギ効
率が向上する。

【００４４】また、水循環ポンプ２３の吸入口付近２１
ｄにも気水分離タンク２７が設置されているので、例え
水循環ポンプ２３の吸入口付近２１ｄの循環供給管路２
１内に空気が存在している場合でも、気水分離タンク２
７内に容易に空気を移動させることができる。これによ
り、循環供給管路２１内の空気混入状態は速やかに解消
され、水循環ポンプ２３は、常に安定した量の水を吐出
することができ、水循環装置全体の運転性も向上する。

【００４５】図３は、この発明の第２の実施形態を示す
水循環装置の概略的な全体構成図である。この第２の実
施形態は、固体高分子電解質型燃料電池システムの加湿
用純水循環装置に適用したものである。燃料電池スタッ
クへ供給される燃料および酸化剤ガスをそれぞれ加湿す
るための加湿水は、電池電極間の短絡などを防ぐため、
イオン成分が含まれていない導電率の低い純水とされる
ことが一般的である。

【００４６】この水循環装置における循環供給管路３１
には、循環供給管路３１内に充填された純水を循環させ
る循環ポンプとしての純水循環ポンプ３３、循環する純
水を利用する水利用機器としての加湿手段である膜式加
湿器３５および、熱交換器３７がそれぞれ設けられてい
る。

【００４７】膜式加湿器３５には、上記した循環供給管
路３１が接続されるとともに、被加湿ガスである燃料や
酸化剤が流れる被加湿ガス管路３９が接続されており、
膜式加湿器３５内には、これら各循環供給管路３１およ
び被加湿ガス管路３９に接続される加湿水流路および被
加湿ガス流路がそれぞれ形成されている。この加湿水流
路と被加湿ガス流路との間に透湿性の膜が配置されてお
り、加湿水が被加湿ガスに直接接触して加湿を行う。

【００４８】熱交換器３７には、上記した循環供給管路
３１が接続されるとともに、燃料電池スタックの冷却水
などの高温流体が流れる高温流体管路４１が接続され、
高温流体管路４１内の高温流体と、循環供給管路３１を
流れる加湿水とが熱交換する。

【００４９】また、純水循環ポンプ３３の吸入口付近３
１ｂにおける循環供給管路３１には、純水供給管４３を
介して純水貯蔵タンク４５が接続されている。

【００５０】そして、上記した循環供給管路３１におい
て、その前後配管部に比べて上下方向の高さ位置が相対
的に高くなっている配管部の箇所３１ａおよび、純水循
環ポンプ３３の吸入口付近３１ｂにおける純水供給管４
３の接続部より上流側のそれぞれの上部に、前記図２に
示したものと同様に、分岐管２９を介して循環供給管路
３１に接続される空気抜き用の気液分離タンク２７をそ
れぞれ設けている。

【００５１】なお、循環供給管路３１において、その前
後配管部に比べて上下方向の高さ位置が相対的に高くな
っている配管部の箇所３１ａは、１つとしているが、図
１ののように複数あってもよく、この複数箇所に気液分
離タンク２７をそれぞれ設けても構わない。

【００５２】上記図３に示した水循環装置では、まず純
水貯蔵タンク４５に貯蔵された純水が純水循環ポンプ３
３に吸入され、出口側に吐出される。吐出された純水
は、循環供給管路３１を通って膜式加湿器３５に供給さ
れる。膜式加湿器３５内部では、前述したように被加湿
ガス流路を通過する被加湿ガスと純水とが膜を介して接
触することで、被加湿ガスを加湿する。

【００５３】このとき同時に、純水の持っている熱の一
部も被加湿ガスに与えることで、被加湿ガスの温度も上
昇する。膜式加湿器３５から流出する温度の低下した純
水は、再び循環供給管路３１を通って熱交換器３７に供
給される。熱交換器３７においては、高温流体管路４１
を通ってくる燃料電池スタックの冷却水などの高温流体
と、加湿器３５で熱の奪われた純水とで熱交換を行な
う。純水は、熱を得て高温化した後、さらに循環供給管
路３１を流れて純水循環ポンプ３３の吸入口側に戻るこ
とで、循環供給管路３１を循環してゆく。

【００５４】このとき、循環供給管路３１内に、例え空
気などの気体が混入しても、循環供給管路３１内の相対
的に高くなっている場所（箇所３１ａ）に、気水分離タ
ンク２７が設置されているので、純水を循環させている
うちに空気などの気体は、この気水分離タンク２７内へ
容易に導かれる。これにより、空気抜きのための実質循
環純水量を確保するための余分な純水循環ポンプ３３の
駆動仕事が不要となり、燃料電池システム全体のエネル
ギ効率が向上する。

【００５５】また、純水循環ポンプ３３の吸入口付近３
１ｂにも気水分離タンク２７が設置されているので、例
え純水循環ポンプ３３の吸入口付近３１ｂの循環供給管
路３１内に空気が存在していた場合でも、気水分離タン
ク２７内に容易に空気を移動させることができる。これ
により、循環供給管路３１内の空気混入状態は速やかに
解消され、純水循環ポンプ３３は、常に安定した量の純
水を吐出することができ、燃料電池システムの運転性も
向上する。

【００５６】図４は、この発明の第３の実施形態を示す
水循環装置の概略的な全体構成図である。この第３の実
施形態は、固体高分子電解質型燃料電池システムの燃料
電池スタックに対する冷却水循環装置に適用したもので
ある。

【００５７】この水循環装置における循環供給管路５１
には、循環供給管路５１内に充填された冷却水を循環さ
せる循環ポンプとしての冷却水循環ポンプ５３、循環す
る冷却水を利用する水利用機器としての燃料電池スタッ
ク５５、熱交換器５７およびラジエータ５９がそれぞれ
設けられている。

【００５８】燃料電池スタック５５には、上記した循環
供給管路５１が接続されるとともに、反応ガスが流れる
反応ガス管路６１が接続されており、燃料電池スタック
５５内には、これら各循環供給管路５１および反応ガス
管路６１に接続される冷却水流路および反応ガス流路が
それぞれ形成されている。

【００５９】熱交換器５７には、上記した循環供給管路
５１が接続されるとともに、燃料電池スタック５５の加
湿器通過後の純水などの低温流体が流れる低温流体管路
６３が接続され、低温流体管路６３内の低温流体と、循
環供給管路５１を流れる冷却水とが熱交換する。

【００６０】また、冷却水循環ポンプ５３の吸入口付近
５１ｂの循環供給管路５１には、純水供給管６５を介し
て冷却水貯蔵タンク６７が接続されている。

【００６１】そして、上記した循環供給管路５１におい
て、その前後の配管部に比べて上下方向の高さ位置が相
対的に高くなっている配管部の箇所５１ａの上部に、前
記図２に示したものと同様に、分岐管２９を介して循環
供給管路５１に接続される空気抜き用の気液分離タンク
２７を設けている。

【００６２】なお、循環供給管路５１において、その前
後配管部に比べて上下方向の高さ位置が相対的に高くな
っている配管部の箇所５１ａは、１つとしているが、図
１ののように複数あってもよく、この複数箇所に気液分
離タンク２７をそれぞれ設けても構わない。

【００６３】上記図４に示した水循環装置では、まず冷
却水貯蔵タンク６７に貯蔵された純水が、冷却水循環ポ
ンプ５３に吸入され、出口側に吐出される。吐出された
冷却水は、循環供給管路５１を通って燃料電池スタック
５５に供給される。燃料電池スタック５５内部では、反
応ガス管路６１から流れてくる燃料ガスと酸化剤ガスと
が反応して電力を発生し、その際に余分な熱を循環供給
管路５１を流れてくる冷却水に吸収させることで、燃料
電池スタック５５の内部温度を適正に保つ。

【００６４】燃料電池スタック５５から流出する高温化
した冷却水は、再び循環供給管路５１を通って熱交換器
５７に供給される。熱交換器５７においては、低温流体
管路６３を通ってくる加湿器通過後の純水などの低温流
体と、燃料電池スタック５５で高温化した冷却水とで熱
交換を行なう。冷却水は、熱を放出して低温化した後、
さらに循環供給管路５１を流れてラジエータ５９にてさ
らに余分な熱を大気中に放出することで温度を下げ、冷
却水循環ポンプ５３の吸入口側に戻ることで、循環供給
管路５１を循環してゆく。

【００６５】このとき、循環供給管路５１内に、例え空
気などの気体が混入しても、循環供給管路５１内の相対
的に高くなっている場所（箇所５１ａ）に、気水分離タ
ンク２７が設置されているので、冷却水が循環している
うちに空気などの気体は、この気水分離タンク２７内に
容易に導かれる。これにより、空気抜きのためや実質循
環冷却水量を確保するための余分な冷却水循環ポンプ５
３の駆動仕事が不要となり、燃料電池システム全体のエ
ネルギ効率が向上する。

【００６６】なお、この例においても、図３のものと同
様に、冷却水循環ポンプ５３の吸入口付近５１ｂに、気
水分離タンク２７を設置することで、例え冷却水循環ポ
ンプ５３の吸入口付近５１ｂの循環供給管路５１内に空
気が存在していた場合でも、気水分離タンク２７内に容
易に空気を移動させることができる。これにより、循環
供給管路５１内の空気混入状態は速やかに解消され、冷
却水循環ポンプ５３は、常に安定した量の冷却水を吐出
することができ、燃料電池システムの運転性も向上す
る。

【００６７】図５は、前記図３の第２の実施形態に係わ
る水循環装置における膜式加湿器３５の内部構成を概略
的に示したものである。

【００６８】この膜式加湿器３５の内部には、被加湿ガ
ス流路３９０および加湿水流路３１０がそれぞれ存在
し、図示しない透湿性の膜を挟んで上記被加湿ガスと加
湿水（純水）とを接触させ、被加湿ガスを加湿する構造
になっている。被加湿ガス流路３９０は被加湿ガス管路
３９に、加湿水流路３１０は循環供給管路３１に、それ
ぞれ接続されている。

【００６９】そして、この実施形態にあっては、膜式加
湿器３５の上部に、前記図２に示したものと同様に、分
岐管２９を介して加湿水流路３１０（循環供給管路３
１）に接続される空気抜き用の気液分離タンク２７を設
けている。

【００７０】膜式加湿器３５内部の加湿水流路３１０は
狭く複雑になっているため、内部の空気が抜けにくいこ
とが一般的であるが、本構成であれば、膜式加湿器３５
内部の加湿水流路３１０に存在する空気を、容易に気水
分離タンク２７へと追いやることができる。

【００７１】特に、純水（加湿水）交換直後の運転時に
おいて、膜式加湿器３５内部の加湿水流路３１０内を速
やかに純水で満たすことが可能となり、膜式加湿器３５
の加湿性能を最大限に利用することができる。純水循環
ポンプ３３（図３参照）は、加湿に必要な分のみを循環
すればよいことになるので、余分なポンプ駆動仕事が少
なくなり、結果として、燃料電池システム全体のエネル
ギ効率がさらに向上する。

【００７２】図６は、前記図２に示してある気水分離タ
ンク２７の上部に、タンク内圧を大気開放する大気開放
通路６９を設け、この大気開放通路６９の途中に通路の
遮断および開放を行なう大気開放手段としての大気開放
弁７１を設けたものである。

【００７３】この例では、燃料電池システムの運転中
に、循環供給管路２１内から気水分離タンク２７内に送
り込まれ滞留する空気の量が増えてきた場合に、大気開
放弁７１を一時的に開放する。これにより、運転を停止
することなく気水分離タンク２７の内圧と大気圧との差
圧によって気水分離タンク２７内の空気を大気中へ放出
でき、気水分離タンク２７の空気貯蔵能力を再生するこ
とができてシステムの運転性が向上する。

【００７４】また、この大気開放通路６９は、循環供給
管路２１への水注入時の注入口としても利用可能であ
り、循環供給管路２１の相対的に高い場所から注入する
ことができるため、空気を循環供給管路２１内に閉じこ
めることなく水交換作業が効率的なものとなる。

【００７５】ここで、図７（ａ）のように、気水分離タ
ンク２７に図６に示したような大気開放通路６９が設け
られていない場合に、循環供給管路２１中をＡ点、大気
中をＢ点とし、燃料電池システムをある時間運転して循
環水の温度が常温より高くなった暖機後に運転を停止し
て放置するときを想定する。この場合、図７（ｂ）のよ
うに、運転停止後の時間経過とともに水温は徐々に下が
ってゆき、その温度降下に応じて循環水の体積は収縮し
てゆく。

【００７６】このため、気水分離タンク２７が密閉され
ているような大気開放通路のない図７（ａ）の場合に
は、Ａ点圧力はシステム停止直後は大気圧＋タンク内水
位によって決まる圧力になっているが、図７（ｂ）のよ
うに徐々に圧力が低下し、ある時間を経過するとＢ点圧
力（大気圧）を下回って負圧になってしまう。

【００７７】これに対し図８（ａ）のように、大気開放
通路６９を備えた気水分離タンク２７では、燃料電池シ
ステムの運転停止時から次回運転開始時までの間、大気
開放通路６９を開放しておくことで、前記した図７
（ｂ）のように、循環水が自然冷却、体積収縮してゆく
過程でも、図８（ｃ）に示すように、常にＡ点圧力はＢ
点圧力より高く保つことができる。

【００７８】図９は、前記図６における大気開放弁７１
を開にする制御のフローチャートであり、以下にそのア
ルゴリズムを説明する。

【００７９】まず、水循環ポンプ２３の回転が停止した
かどうかが判定される（ステップ９０１）。停止してい
ない場合は再びステップ９０１に戻るが、停止したと判
定された場合には、大気開放弁７１を全開にする（ステ
ップ９０３）。

【００８０】図１０は、前記図６における大気開放弁７
を閉にする制御のフローチャートであり、以下にそのア
ルゴリズムを説明する。

【００８１】まず、システムを起動した後（ステップ１
００１）、大気開放弁７１を全閉にする（ステップ１０
０３）。続いて水循環ポンプ２３の運転を開始する（ス
テップ１００５）。

【００８２】このように、気水分離タンク２７に、大気
開放弁７１を備えた大気開放通路６９を設けて図９およ
び図１０のような制御を行うことで、燃料電池システム
運転停止後の冷却時に循環供給管路２１内各部が負圧に
なることを回避でき、循環供給管路２１の継ぎ目などか
らの空気の吸い込みを防止することができる。このた
め、次回運転開始の空気抜き作業を容易にし、燃料電池
システムの起動特性が改善されることになる。

【００８３】またこのとき、循環供給管路２１に設置さ
れた複数個の気水分離タンク２７のうち、高さが最も高
い位置にあるタンク上部の大気開放弁７１のみを開くと
いう制御を行なうことで、各気水分離タンク２７間の水
位差によって低い位置にある気水分離タンク２７から水
が溢れることがなく、システム運営上好ましいものとな
る。

【００８４】図１１は、前記図６の構成における気水分
離タンク２７に、タンク内の液位を検知するための液位
検知手段としての液位センサ７３を設置している。液位
センサ７３はタンク内の液面に浮遊するフロート７３ａ
が、液面の上下に対応してガイドロッド７３ｂにガイド
されて上下動し、この上下位置を検知部７３ｃが検知し
て液位とする。液位センサ７３からの液位信号はコント
ロールユニット７５に送られ、液位に応じて大気開放弁
７１に弁開閉信号を送信する。

【００８５】図１２は、上記図１１に示した大気開放弁
７１を開閉制御するためのフローチャートであり、以下
にそのアルゴリズムを説明する。

【００８６】まず、気水分離タンク２７内の液位が所定
下限を下回ったかどうかを判定する（ステップ１２０
１）。所定下限にまだ到達していない場合は再びステッ
プ１２０１に戻るが、所定下限以下になった場合は、気
水分離タンク２７内に多くの空気が溜まったと判断し
て、大気開放弁７１を全開にする（ステップ１２０
３）。

【００８７】このときシステム運転中であれば、循環供
給管路２１内は水循環ポンプ２３により加圧された状態
であることから正圧となっているため、気水分離タンク
２７内と大気との圧力差によって気水分離タンク２７内
に溜まった空気は大気へ放出されるとともに、気水分離
タンク２７内液位が上昇してゆくことになる。

【００８８】この過程において、気水分離タンク２７内
の液位が所定上限以上となったかどうかを判定する（ス
テップ１２０５）。ここで、液位が所定上限にはまだ到
達していない場合は再びステップ１２０５に戻るが、所
定上限以上となった場合は、気水分離タンク２７内の空
気はほぼ追い出すことができたと判断して、大気開放弁
７１を全閉にする（ステップ１２０７）。

【００８９】上記図１１の構成において図１２のような
制御を行うことで、適切なタイミングで効果的に各気水
分離タンク２７内に留まった空気を大気中に放出するこ
とが可能となる。その結果、燃料電池システムの運転中
も各気水分離タンク２７における空気抜き性能を安定し
て維持することができ、システムの運転性をより高める
ことができる。

【００９０】なお、前記した大気開放通路６９、大気開
放弁７１および液位センサ７３、コントロールユニット
７５は、図１における水循環装置に限らず、図３および
図５の水循環装置における気水分離タンク２７にも適用
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態を示す水循環装置の
概略的な全体構成図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】この発明の第２の実施形態を示す水循環装置の
概略的な全体構成図である。

【図４】この発明の第３の実施形態を示す水循環装置の
概略的な全体構成図である。

【図５】図３の第２の実施形態に係わる水循環装置にお
ける膜式加湿器を概略的に示した部構成図である。

【図６】図２に示してある気水分離タンクの上部に、大
気開放弁を備えた大気開放通路を接続した構成図であ
る。

【図７】（ａ）は気水分離タンクの上部に大気開放通路
を設けていない構成図、（ｂ）はシステム運転停止後の
水温の変化特性図、（ｃ）は運転停止後の循環供給管路
内圧力の変化特性図である。

【図８】（ａ）は気水分離タンクの上部に大気開放通路
を設けてある構成図、（ｂ）は運転停止後の循環供給管
路内圧力の変化特性図である。

【図９】図６における大気開放弁を開にする制御のフロ
ーチャートである。

【図１０】図６における大気開放弁を閉にする制御のフ
ローチャートである。

【図１１】図６の構成における気水分離タンクに液位セ
ンサを設置した構成図である。

【図１２】図１１に示した大気開放弁を開閉制御するた
めのフローチャートである。

【図１３】一般的な固体高分子電解質型燃料電池スタッ
クの構成を示す概略図である。

【符号の説明】２３水循環ポンプ（循環ポンプ）２１，３１，５１循環供給管路２１ｄ，３１ｂ吸入口付近２７気水分離タンク（空気排出容器）２９分岐管３３純水循環ポンプ（循環ポンプ）３５膜式加湿器（加湿手段）５３冷却水循環ポンプ（循環ポンプ）５５燃料電池スタック６９大気開放通路７１大気開放弁（大気開放手段）７３液位センサ（液位検知手段）３１０加湿水流路３９０被加湿ガス流路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】循環ポンプによって圧送される水が、循
環供給管路を通って前記循環ポンプに戻る水循環装置に
おいて、前記循環供給管路のうち、その前後の配管部に
比べて高さ位置が相対的に高くなっている配管部に、上
下方向に延長される分岐管の下端を連通接続し、この分
岐管の上端は、前記循環供給管路を循環する水が常に下
部に存在している空気排出容器の下部に接続されている
ことを特徴とする水循環装置。
【請求項２】前記循環供給管路中の前記循環ポンプの
吸入口付近に、上下方向に延長される分岐管の下端を連
通接続し、この分岐管の上端は、前記循環供給管路を循
環する水が常に下部に存在している空気排出容器の下部
に接続されていることを特徴とする請求項１記載の水循
環装置。
【請求項３】電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配
置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタッ
クを備えるとともに、前記燃料極に供給する燃料と前記
酸化剤極に供給する酸化剤との少なくとも一方の被加湿
ガスに加湿水を供給して加湿する加湿手段を備え、前記
循環供給管路は、前記加湿手段内に形成されている加湿
水流路を含んでいることを特徴とする請求項１または２
記載の水循環装置。
【請求項４】電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配
置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタッ
クを備え、この燃料電池スタックには、その内部で生じ
る反応熱を除去するための冷却水が通過する冷却水流路
が設けられ、前記循環供給管路は、この冷却水流路を含
んでいることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
に記載の水循環装置。
【請求項５】前記加湿手段は、被加湿ガス流路と加湿
水流路との間に透湿性の膜が配置された膜式加湿器であ
り、この膜式加湿器の上部の前記加湿水流路に、上下方
向に延長される分岐管の下端を連通接続し、この分岐管
の上端は、前記循環供給管路を循環する水が常に下部に
存在している空気排出容器の下部に接続されていること
を特徴とする請求項３記載の水循環装置。
【請求項６】前記空気排出容器の上部に、この空気排
出容器の内圧を大気に開放する大気開放通路を設け、こ
の大気開放通路に、通路の遮断および開放を行なう大気
開放手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし５の
いずれかに記載の水循環装置。
【請求項７】燃料電池システムの運転停止時から次回
運転開始時までの間に、前記循環供給管路に設置された
複数個の前記空気排出容器のうち、高さが最も高い位置
にある空気排出容器の前記大気開放手段を開いておくこ
とを特徴とする請求項６記載の水循環装置。
【請求項８】前記空気排出容器に、内部の水の液位を
検知する液位検知手段を設け、この液位検知手段からの
液位検知信号に応じて、前記大気開放手段を開閉制御す
ることを特徴とする請求項６または７記載の水循環装
置。