JP2003168457A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 氷点下温度環境下においても、燃料電池スタ
ックへの供給ガスを加湿し、起動させることが可能な燃
料電池システムを実現する。 【解決手段】 燃料電池１１と、燃料電池１１に発電用
のガスを供給する供給ガス通路１２ａ、１２ｂと、燃料
電池１１内若しくはその上流で不凍液から純水を選択的
に透過させる隔壁１４を介して供給ガス通路１２ａ、１
２ｂに隣接する不凍液通路１５とを備え、隔壁１４にお
ける不凍液と供給ガスとの水蒸気分圧差により、不凍液
通路１５から供給ガス通路１２ａ、１２ｂに水分の移動
を行わせ、供給ガスを加湿するように構成する。
ックへの供給ガスを加湿し、起動させることが可能な燃
料電池システムを実現する。 【解決手段】 燃料電池１１と、燃料電池１１に発電用
のガスを供給する供給ガス通路１２ａ、１２ｂと、燃料
電池１１内若しくはその上流で不凍液から純水を選択的
に透過させる隔壁１４を介して供給ガス通路１２ａ、１
２ｂに隣接する不凍液通路１５とを備え、隔壁１４にお
ける不凍液と供給ガスとの水蒸気分圧差により、不凍液
通路１５から供給ガス通路１２ａ、１２ｂに水分の移動
を行わせ、供給ガスを加湿するように構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は車両用の燃料電池システ
ムに関し、特に加湿が必要な燃料電池を備えたものに関
する。
ムに関し、特に加湿が必要な燃料電池を備えたものに関
する。
【０００２】
【従来の技術】特開平9-7621号は、燃料電池スタックに
おいて、水を液相のまま直接スタック内まで導き、多孔
質材を介して燃料電池スタックに供給するガスを加湿す
る構造及び方法を開示している。これによれば、周囲を
ガスシールした多孔質カーボンプレート又は積層カーボ
ンペーパよりなる加湿エリアのガス加湿プレートの片面
にガスを流通させ、他の片面に発電エリアのスタックを
冷却してきた水をガスより僅かに高い圧力で流通させ
て、ガスの加湿が行われる。
おいて、水を液相のまま直接スタック内まで導き、多孔
質材を介して燃料電池スタックに供給するガスを加湿す
る構造及び方法を開示している。これによれば、周囲を
ガスシールした多孔質カーボンプレート又は積層カーボ
ンペーパよりなる加湿エリアのガス加湿プレートの片面
にガスを流通させ、他の片面に発電エリアのスタックを
冷却してきた水をガスより僅かに高い圧力で流通させ
て、ガスの加湿が行われる。
【０００３】またガス加湿器は多孔質のカーボンプレー
ト又は積層カーボンペーパの周囲と、ガスと水の入口と
出口付近とがガス不透過部分とされ、内側がガス透過部
分とされ、そのガス透過部分の片面にガス流通部が形成
され、他の片面に水流通部が形成されたガス加湿プレー
トが多数積層締着されている。これにより、効率良く自
動的に適正に加湿でき、またＰＥＭ型燃料電池を小型化
することができる。
ト又は積層カーボンペーパの周囲と、ガスと水の入口と
出口付近とがガス不透過部分とされ、内側がガス透過部
分とされ、そのガス透過部分の片面にガス流通部が形成
され、他の片面に水流通部が形成されたガス加湿プレー
トが多数積層締着されている。これにより、効率良く自
動的に適正に加湿でき、またＰＥＭ型燃料電池を小型化
することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】しかし、上記従
来の加湿構造では、絶縁性等を考慮すると燃料電池スタ
ックに導く冷却及び加湿用の水は極めて電気伝導度の低
い純水であることが必要であり、−２０℃レベルの極低
温下においてはこの純水が凍ってしまい、起動できなく
なるという問題があった。また、凍結時の相変態により
純水に体積変化が発生し、熱交換器等が破損してしまう
可能性もあった。
来の加湿構造では、絶縁性等を考慮すると燃料電池スタ
ックに導く冷却及び加湿用の水は極めて電気伝導度の低
い純水であることが必要であり、−２０℃レベルの極低
温下においてはこの純水が凍ってしまい、起動できなく
なるという問題があった。また、凍結時の相変態により
純水に体積変化が発生し、熱交換器等が破損してしまう
可能性もあった。
【０００５】本発明は、このような技術的課題を鑑みて
なされたものであり、氷点下、極低温下においても、燃
料電池スタックへの供給ガスを加湿し、起動させること
が可能な燃料電池システムを実現することを目的とす
る。
なされたものであり、氷点下、極低温下においても、燃
料電池スタックへの供給ガスを加湿し、起動させること
が可能な燃料電池システムを実現することを目的とす
る。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】第１の発明は、燃料電
池システムにおいて、燃料電池と、前記燃料電池に発電
用のガスを供給する供給ガス通路と、前記燃料電池内若
しくはその上流で不凍液から純水を選択的に透過させる
隔壁を介して前記供給ガス通路に隣接する不凍液通路と
を備え、前記隔壁における不凍液による水蒸気分圧と供
給ガスの水蒸気分圧の差により、前記不凍液通路から前
記供給ガス通路に水分の移動を行わせ、前記供給ガスを
加湿するように構成したことを特徴とするものである。
池システムにおいて、燃料電池と、前記燃料電池に発電
用のガスを供給する供給ガス通路と、前記燃料電池内若
しくはその上流で不凍液から純水を選択的に透過させる
隔壁を介して前記供給ガス通路に隣接する不凍液通路と
を備え、前記隔壁における不凍液による水蒸気分圧と供
給ガスの水蒸気分圧の差により、前記不凍液通路から前
記供給ガス通路に水分の移動を行わせ、前記供給ガスを
加湿するように構成したことを特徴とするものである。
【０００７】第２の発明は、第１の発明における不凍液
通路に前記燃料電池の排出ガスの露点温度以下となるよ
うに温度調節された水分回収装置を設け、前記水分回収
装置に前記排出ガスを通過させることにより、前記排出
ガスから水分と熱量の両方を前記不凍液通路内へ回収す
るように構成したものである。
通路に前記燃料電池の排出ガスの露点温度以下となるよ
うに温度調節された水分回収装置を設け、前記水分回収
装置に前記排出ガスを通過させることにより、前記排出
ガスから水分と熱量の両方を前記不凍液通路内へ回収す
るように構成したものである。
【０００８】第３の発明は、第２の発明における水分回
収装置が、前記排出ガスの露点温度以下の不凍液で満た
されており、バブリングにより前記排出ガスの水分と熱
量の回収を行い、回収した水分と熱量を前記不凍液へ付
加するものである。
収装置が、前記排出ガスの露点温度以下の不凍液で満た
されており、バブリングにより前記排出ガスの水分と熱
量の回収を行い、回収した水分と熱量を前記不凍液へ付
加するものである。
【０００９】第４の発明は、第１の発明において、前記
不凍液による水蒸気分圧が前記供給ガスの水蒸気分圧よ
りも高くなるように前記不凍液の温度を調整する温度調
整手段をさらに備えたものである。
不凍液による水蒸気分圧が前記供給ガスの水蒸気分圧よ
りも高くなるように前記不凍液の温度を調整する温度調
整手段をさらに備えたものである。
【００１０】第５の発明は、第４の発明において、前記
供給ガスの温度を検出する手段と、検出された前記供給
ガスの温度に基づき不凍液目標温度を算出する手段とを
さらに備え、前記温度調整手段が前記不凍液の温度が前
記不凍液目標温度になるように前記不凍液の温度を調整
するものである。
供給ガスの温度を検出する手段と、検出された前記供給
ガスの温度に基づき不凍液目標温度を算出する手段とを
さらに備え、前記温度調整手段が前記不凍液の温度が前
記不凍液目標温度になるように前記不凍液の温度を調整
するものである。
【００１１】第６の発明は、第４の発明において、前記
不凍液通路において前記隔壁部分を迂回するバイパス通
路と、前記不凍液の温度に応じて前記バイパス通路の流
量を調節する流量調節手段とをさらに備えたものであ
る。
不凍液通路において前記隔壁部分を迂回するバイパス通
路と、前記不凍液の温度に応じて前記バイパス通路の流
量を調節する流量調節手段とをさらに備えたものであ
る。
【００１２】第７の発明は、第２の発明において、前記
不凍液通路と、前記燃料電池を冷却するための不凍液通
路とを独立させたものである。
不凍液通路と、前記燃料電池を冷却するための不凍液通
路とを独立させたものである。
【００１３】第８の発明は、第７の発明において、前記
燃料電池冷却用不凍液通路における前記燃料電池冷却後
の不凍液と熱交換を行う熱交換器を、前記不凍液通路の
水分回収装置の下流にさらに備えたものである。
燃料電池冷却用不凍液通路における前記燃料電池冷却後
の不凍液と熱交換を行う熱交換器を、前記不凍液通路の
水分回収装置の下流にさらに備えたものである。
【００１４】
【作用及び効果】したがって、本発明によれば、燃料電
池に供給する発電用ガスの加湿は不凍液通路から隔壁を
介し供給される水分によって行われるので、加湿用の水
として純水が不要になる。燃料電池システム内に存在す
る液相は不凍液のみとなることからシステム内で水の凍
結は起こらなくなり、氷点下、極低温下（−５０℃レベ
ル含む）においても供給ガスを加湿し、起動することが
可能な燃料電池システムを実現することができる。
池に供給する発電用ガスの加湿は不凍液通路から隔壁を
介し供給される水分によって行われるので、加湿用の水
として純水が不要になる。燃料電池システム内に存在す
る液相は不凍液のみとなることからシステム内で水の凍
結は起こらなくなり、氷点下、極低温下（−５０℃レベ
ル含む）においても供給ガスを加湿し、起動することが
可能な燃料電池システムを実現することができる。
【００１５】また、第２の発明によれば、供給ガスの加
湿によって失われた不凍液中の水分を燃料電池の排出ガ
スから回収した水分で補うことができ、水分補充手段を
別途設ける必要がなくなる。また、同時に排出ガスより
熱量を回収することができるので、排出ガス冷却系の負
担を軽減させることもできる。
湿によって失われた不凍液中の水分を燃料電池の排出ガ
スから回収した水分で補うことができ、水分補充手段を
別途設ける必要がなくなる。また、同時に排出ガスより
熱量を回収することができるので、排出ガス冷却系の負
担を軽減させることもできる。
【００１６】また、第３の発明によれば、水分回収装置
を駆動するための電力等が不要となるので、車両のよう
に場所と供給エネルギの限られた移動体に適した燃料電
池システムを提供することができる。
を駆動するための電力等が不要となるので、車両のよう
に場所と供給エネルギの限られた移動体に適した燃料電
池システムを提供することができる。
【００１７】また、第４の発明によれば、不凍液による
水蒸気分圧が供給ガスの水蒸気分圧よりも高くなるよう
に不凍液の温度が調整されるので、純水を選択的に透過
させる機能を有する隔壁を介して供給ガスを効果的に加
湿することができる。
水蒸気分圧が供給ガスの水蒸気分圧よりも高くなるよう
に不凍液の温度が調整されるので、純水を選択的に透過
させる機能を有する隔壁を介して供給ガスを効果的に加
湿することができる。
【００１８】また、第５の発明によれば、常に最適量の
水分にて供給ガスを加湿することができ、燃料電池の運
転状況に応じたよりきめ細かい制御が可能となる。加え
て不凍液を加熱する為に必要十分なエネルギを供給でき
るので、供給ガスの加湿を非常に効率の良く行うことが
できる。
水分にて供給ガスを加湿することができ、燃料電池の運
転状況に応じたよりきめ細かい制御が可能となる。加え
て不凍液を加熱する為に必要十分なエネルギを供給でき
るので、供給ガスの加湿を非常に効率の良く行うことが
できる。
【００１９】また、第６の発明によれば、循環している
不凍液のうち必要且つ十分な量だけを供給ガスの加湿に
用いることができ、不凍液の温度制御を行う場合に不凍
液全量を昇温する必要がなくなる。この結果、温度制御
に消費されるエネルギ量を低減するとともに、供給ガス
の加湿に必要ない不凍液は昇温されることないので、不
凍液を冷却する熱交換器の熱負荷を軽減させることがで
きる。
不凍液のうち必要且つ十分な量だけを供給ガスの加湿に
用いることができ、不凍液の温度制御を行う場合に不凍
液全量を昇温する必要がなくなる。この結果、温度制御
に消費されるエネルギ量を低減するとともに、供給ガス
の加湿に必要ない不凍液は昇温されることないので、不
凍液を冷却する熱交換器の熱負荷を軽減させることがで
きる。
【００２０】また、第７の発明によれば、燃料電池の冷
却用の不凍液、加湿用の不凍液のそれぞれの循環流量、
温度等を別々に制御することができるので、燃料電池の
冷却と供給ガスの加湿のそれぞれに特化した制御が可能
となる。
却用の不凍液、加湿用の不凍液のそれぞれの循環流量、
温度等を別々に制御することができるので、燃料電池の
冷却と供給ガスの加湿のそれぞれに特化した制御が可能
となる。
【００２１】また、第８の発明によれば、燃料電池の冷
却を行った高温の不凍液と、回収タンクにて露点温度以
下に下げられた低温の不凍液との間で熱交換が行われる
ので、燃料電池冷却用の不凍液を冷却する熱交換器の熱
負荷、及び供給ガス加湿用の不凍液を昇温するのに必要
なエネルギ量を軽減することができ、車両全体としての
熱利用効率を向上させることができる。
却を行った高温の不凍液と、回収タンクにて露点温度以
下に下げられた低温の不凍液との間で熱交換が行われる
ので、燃料電池冷却用の不凍液を冷却する熱交換器の熱
負荷、及び供給ガス加湿用の不凍液を昇温するのに必要
なエネルギ量を軽減することができ、車両全体としての
熱利用効率を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき本発明の
実施の形態について説明する。
実施の形態について説明する。
【００２３】図１は、本発明に係る車両用燃料電池シス
テムの概略構成を示したものである。燃料電池スタック
１１は、改質ガス、空気をアノード（燃料極）、カソー
ド（空気極）にそれぞれ供給する供給ガス通路１２ａ、
１２ｂと、アノード排気、カソード排気を排出するため
の排出ガス通路１３ａ、１３ｂとを備え、燃料電池スタ
ック１１の上流には、不凍液から純水を選択的に透過さ
せる機能を有する隔壁１４が設けられている。隔壁１４
は例えばイオン交換膜であり、隔壁１４を介して、一方
には燃料電池スタック１１へ導かれる供給ガスが、他方
には供給ガスを加湿する為の水分を提供する不凍液がそ
れぞれ流れている。不凍液は、例えば、ロングライフク
ーラント（ＬＬＣ、水とエチレングリコールの混合液
体）である。なお、隔壁１４に接する供給ガスは図では
改質ガスとなっているが、これは水素タンクから供給さ
れる純水素ガスや空気であっても良く、また、改質ガ
ス、空気の両方に接する構成であっても良い（他の実施
形態も同様）。
テムの概略構成を示したものである。燃料電池スタック
１１は、改質ガス、空気をアノード（燃料極）、カソー
ド（空気極）にそれぞれ供給する供給ガス通路１２ａ、
１２ｂと、アノード排気、カソード排気を排出するため
の排出ガス通路１３ａ、１３ｂとを備え、燃料電池スタ
ック１１の上流には、不凍液から純水を選択的に透過さ
せる機能を有する隔壁１４が設けられている。隔壁１４
は例えばイオン交換膜であり、隔壁１４を介して、一方
には燃料電池スタック１１へ導かれる供給ガスが、他方
には供給ガスを加湿する為の水分を提供する不凍液がそ
れぞれ流れている。不凍液は、例えば、ロングライフク
ーラント（ＬＬＣ、水とエチレングリコールの混合液
体）である。なお、隔壁１４に接する供給ガスは図では
改質ガスとなっているが、これは水素タンクから供給さ
れる純水素ガスや空気であっても良く、また、改質ガ
ス、空気の両方に接する構成であっても良い（他の実施
形態も同様）。
【００２４】不凍液通路１５には、不凍液を循環させる
ためのポンプ１６と、不凍液と外気との間での熱交換に
より不凍液を冷却するためのラジエータ（熱交換器）１
７が設けられている。さらに、不凍液通路１５には水分
回収装置としての回収タンク１８が設けられている。
ためのポンプ１６と、不凍液と外気との間での熱交換に
より不凍液を冷却するためのラジエータ（熱交換器）１
７が設けられている。さらに、不凍液通路１５には水分
回収装置としての回収タンク１８が設けられている。
【００２５】燃料電池スタック１の冷却を終了した不凍
液は隔壁１４へ達する。隔壁１４へと導かれた不凍液
は、燃料電池スタック１１の冷却を終えた後に導かれる
ことから高温となっており、隔壁１４を挟んで反対側を
流れる供給ガスが有する水蒸気分圧よりも高い水蒸気分
圧が得られる不凍液温度となっている。これにより、隔
壁１４は、水蒸気分圧の高い不凍液側から水蒸気分圧の
低い供給ガス側へ水分を選択的に透過させることがで
き、燃料電池スタック１１へ導かれる供給ガスを隔壁１
４を介して供給される水分によって加湿することができ
る。
液は隔壁１４へ達する。隔壁１４へと導かれた不凍液
は、燃料電池スタック１１の冷却を終えた後に導かれる
ことから高温となっており、隔壁１４を挟んで反対側を
流れる供給ガスが有する水蒸気分圧よりも高い水蒸気分
圧が得られる不凍液温度となっている。これにより、隔
壁１４は、水蒸気分圧の高い不凍液側から水蒸気分圧の
低い供給ガス側へ水分を選択的に透過させることがで
き、燃料電池スタック１１へ導かれる供給ガスを隔壁１
４を介して供給される水分によって加湿することができ
る。
【００２６】隔壁１４を経た不凍液は外気と熱交換を行
うラジエータ１７で排出ガスの露点温度以下に冷却され
た後、回収タンク１８へと導かれる。回収タンク１８へ
は不凍液に加え、燃料電池スタック１１におけるカソー
ドからの排出ガス通路１３ｂが導かれている。また、燃
料電池スタック１１からの排出ガスには発電時に副次的
に発生した生成水が多く含まれている。
うラジエータ１７で排出ガスの露点温度以下に冷却され
た後、回収タンク１８へと導かれる。回収タンク１８へ
は不凍液に加え、燃料電池スタック１１におけるカソー
ドからの排出ガス通路１３ｂが導かれている。また、燃
料電池スタック１１からの排出ガスには発電時に副次的
に発生した生成水が多く含まれている。
【００２７】したがって、回収タンク１８は、スタック
排出ガスの露点温度以下である不凍液で満たされてお
り、バブリングにより水分と熱量の回収を行うと同時
に、その際に発生する気泡の浮力を利用した気泡ポンプ
作用（回収タンク１８内に生じる対流）により、排出ガ
スに含まれた生成水成分及び熱量の両方を不凍液に回収
する。隔壁１４で水分を分離された不凍液が回収タンク
１８において水分を回収することができるので、不凍液
の水分は略一定に保たれ、純水タンク等の水分補充手段
を別途設けなくても燃料電池システムとしての水収支を
成立させることができる。
排出ガスの露点温度以下である不凍液で満たされてお
り、バブリングにより水分と熱量の回収を行うと同時
に、その際に発生する気泡の浮力を利用した気泡ポンプ
作用（回収タンク１８内に生じる対流）により、排出ガ
スに含まれた生成水成分及び熱量の両方を不凍液に回収
する。隔壁１４で水分を分離された不凍液が回収タンク
１８において水分を回収することができるので、不凍液
の水分は略一定に保たれ、純水タンク等の水分補充手段
を別途設けなくても燃料電池システムとしての水収支を
成立させることができる。
【００２８】なお、回収タンク１８内の不凍液温度を排
出ガスの露点温度以下にするには、不凍液温度はラジエ
ータ１７の出口で最も低くなることから回収タンク１８
をラジエータ１７の出口近くに設けるのが最も有利であ
る。
出ガスの露点温度以下にするには、不凍液温度はラジエ
ータ１７の出口で最も低くなることから回収タンク１８
をラジエータ１７の出口近くに設けるのが最も有利であ
る。
【００２９】また、図１においては、燃料電池スタック
１１に供給されるガスの加湿を燃料電池スタック１１の
直前で行っているが、図２に示すように隔壁１４を燃料
電池スタック１１内に設け、燃料電池スタック１１に供
給するガスの加湿を燃料電池スタック１１の内部で行う
ようにしてもよい。
１１に供給されるガスの加湿を燃料電池スタック１１の
直前で行っているが、図２に示すように隔壁１４を燃料
電池スタック１１内に設け、燃料電池スタック１１に供
給するガスの加湿を燃料電池スタック１１の内部で行う
ようにしてもよい。
【００３０】次に、第２の実施形態について説明する。
なお、第１の実施形態における、不凍液からの隔壁を介
した水分選択分離による供給ガスの加湿、回収タンクに
おける排出ガスからの水分及び熱量の不凍液への回収
は、本実施形態においても同様に行われるものとする。
なお、第１の実施形態における、不凍液からの隔壁を介
した水分選択分離による供給ガスの加湿、回収タンクに
おける排出ガスからの水分及び熱量の不凍液への回収
は、本実施形態においても同様に行われるものとする。
【００３１】図３は第２の実施形態の概略構成を示した
ものである。燃料電池スタック３１は供給ガス通路３２
ａ、３２ｂ及び排出ガス通路３３ａ、３３ｂを備え、燃
料電池スタック３１の上流には、不凍液から純水を選択
的に通過させる機能を有する隔壁３４が設けられてい
る。この隔壁３４を介して、一方には燃料電池スタック
３１へ導かれる供給ガスが、他方には供給ガスを加湿す
る為の水分を提供する不凍液が、それぞれ流れている。
ものである。燃料電池スタック３１は供給ガス通路３２
ａ、３２ｂ及び排出ガス通路３３ａ、３３ｂを備え、燃
料電池スタック３１の上流には、不凍液から純水を選択
的に通過させる機能を有する隔壁３４が設けられてい
る。この隔壁３４を介して、一方には燃料電池スタック
３１へ導かれる供給ガスが、他方には供給ガスを加湿す
る為の水分を提供する不凍液が、それぞれ流れている。
【００３２】不凍液通路３５には、不凍液を循環させる
ためのポンプ３６と、外気と不凍液との間で熱交換を行
うことで不凍液を冷却する為のラジエータ３７とが設け
られている。ラジエータ３７は冷却ファンの回転速度を
調節することにより放熱量を調節することができる。さ
らに、不凍液通路３５には回収タンク３８が設けられて
おり、回収タンク３８へは燃料電池スタック３１のカソ
ードからの排出ガス通路３３ｂが導かれている。
ためのポンプ３６と、外気と不凍液との間で熱交換を行
うことで不凍液を冷却する為のラジエータ３７とが設け
られている。ラジエータ３７は冷却ファンの回転速度を
調節することにより放熱量を調節することができる。さ
らに、不凍液通路３５には回収タンク３８が設けられて
おり、回収タンク３８へは燃料電池スタック３１のカソ
ードからの排出ガス通路３３ｂが導かれている。
【００３３】さらに、不凍液通路３５には、燃料電池ス
タック３１の出口と隔壁３４の間にヒータ等の温度調節
装置３９が設けられており、また隔壁３４に導かれる不
凍液の温度及び供給ガスの温度を計測する為に、隔壁３
４と接する部位にそれぞれ温度センサ４１、４２が設け
られている。温度センサ４１、４２及び、温度調節装置
３９、ポンプ３６、ラジエータ３７は、加湿制御を行う
コントローラ４０に電気信号的に接続されている。
タック３１の出口と隔壁３４の間にヒータ等の温度調節
装置３９が設けられており、また隔壁３４に導かれる不
凍液の温度及び供給ガスの温度を計測する為に、隔壁３
４と接する部位にそれぞれ温度センサ４１、４２が設け
られている。温度センサ４１、４２及び、温度調節装置
３９、ポンプ３６、ラジエータ３７は、加湿制御を行う
コントローラ４０に電気信号的に接続されている。
【００３４】コントローラ４０による供給ガスの加湿制
御においては、まず、温度センサ４１により、隔壁３４
に接する燃料電池スタック３１への供給ガスの温度が測
定され、その供給ガスにおける飽和水蒸気量が算出され
る。
御においては、まず、温度センサ４１により、隔壁３４
に接する燃料電池スタック３１への供給ガスの温度が測
定され、その供給ガスにおける飽和水蒸気量が算出され
る。
【００３５】次に、不凍液が隔壁３４を介してその飽和
水蒸気量に見合った水分を供給するのに必要な温度（不
凍液目標温度）が算出され、不凍液温度がその目標温度
となるように温度センサ４２にてモニタしつつ、不凍液
通路３５に設けた温度調節装置３９の加熱量、ポンプ３
６の流量、及びラジエータ３７の放熱性能が制御され
る。
水蒸気量に見合った水分を供給するのに必要な温度（不
凍液目標温度）が算出され、不凍液温度がその目標温度
となるように温度センサ４２にてモニタしつつ、不凍液
通路３５に設けた温度調節装置３９の加熱量、ポンプ３
６の流量、及びラジエータ３７の放熱性能が制御され
る。
【００３６】これにより、先の実施形態に比べて燃料電
池スタック３１の運転状態に応じたよりきめ細かい加湿
制御が可能となり、供給ガスの加湿を非常に効率良く行
うことができる。
池スタック３１の運転状態に応じたよりきめ細かい加湿
制御が可能となり、供給ガスの加湿を非常に効率良く行
うことができる。
【００３７】なお、図３においては、燃料電池スタック
３１に導かれる供給ガスの加湿を燃料電池スタック３１
の直前で行っているが、第１の実施形態と同様に、図４
に示すように隔壁３４を燃料電池スタック３１内に設
け、燃料電池スタック３１内部で加湿を行うようにして
もよい。
３１に導かれる供給ガスの加湿を燃料電池スタック３１
の直前で行っているが、第１の実施形態と同様に、図４
に示すように隔壁３４を燃料電池スタック３１内に設
け、燃料電池スタック３１内部で加湿を行うようにして
もよい。
【００３８】次に、第３の実施形態について説明する。
【００３９】先の実施形態における、不凍液からの隔壁
を介した水分選択分離による供給ガスの加湿、回収タン
クにおける排出ガスからの水分及び熱量の不凍液への回
収、隔壁に接する供給ガス及び不凍液の温度センシング
による不凍液通路における温度調節装置の加温量、ポン
プの循環流量、及びラジエータの放熱性能を調節するこ
とによる不凍液の温度制御は、本実施形態においても同
様に行われるものとする。
を介した水分選択分離による供給ガスの加湿、回収タン
クにおける排出ガスからの水分及び熱量の不凍液への回
収、隔壁に接する供給ガス及び不凍液の温度センシング
による不凍液通路における温度調節装置の加温量、ポン
プの循環流量、及びラジエータの放熱性能を調節するこ
とによる不凍液の温度制御は、本実施形態においても同
様に行われるものとする。
【００４０】図５は第３の実施形態の概略構成を示した
ものである。燃料電池スタック５１は、供給ガス通路５
２ａ、５２ｂ及び排出ガス５３ａ、５３ｂを備え、燃料
電池スタック５１の上流には不凍液から純水を選択的に
透過させる機能を有する隔壁５４が設けられている。隔
壁５４を介して、一方には燃料電池スタック５１へ導か
れる供給ガスが、他方には供給ガスを加湿する為の水分
を提供する不凍液がそれぞれ流れている。
ものである。燃料電池スタック５１は、供給ガス通路５
２ａ、５２ｂ及び排出ガス５３ａ、５３ｂを備え、燃料
電池スタック５１の上流には不凍液から純水を選択的に
透過させる機能を有する隔壁５４が設けられている。隔
壁５４を介して、一方には燃料電池スタック５１へ導か
れる供給ガスが、他方には供給ガスを加湿する為の水分
を提供する不凍液がそれぞれ流れている。
【００４１】不凍液通路５５には、不凍液を循環させる
ためのポンプ５６と、外気と不凍液との間で熱交換を行
うことで不凍液を冷却する為のラジエータ５７とが設け
られている。ラジエータ３７は冷却ファンの回転速度を
調節することにより放熱量を調節することができる。ま
た、不凍液通路５５には回収タンク５８が設けられてお
り、回収タンク５８へは燃料電池スタック５１のカソー
ドからの排出ガス通路５３ｂが導かれている。
ためのポンプ５６と、外気と不凍液との間で熱交換を行
うことで不凍液を冷却する為のラジエータ５７とが設け
られている。ラジエータ３７は冷却ファンの回転速度を
調節することにより放熱量を調節することができる。ま
た、不凍液通路５５には回収タンク５８が設けられてお
り、回収タンク５８へは燃料電池スタック５１のカソー
ドからの排出ガス通路５３ｂが導かれている。
【００４２】不凍液通路５５のスタック出口と隔壁５４
の間にはヒータ等の温度調節装置５９が設けられてお
り、また隔壁３４に導かれる不凍液の温度及び供給ガス
の温度を計測する為に、隔壁３４と接する部位にそれぞ
れ温度センサ６１、６２が設けられている。これら温度
センサ６１、６２及び、温度調節装置５９、ポンプ５
６、ラジエータ５７は、コントローラ６０と電気信号的
に接続されている。
の間にはヒータ等の温度調節装置５９が設けられてお
り、また隔壁３４に導かれる不凍液の温度及び供給ガス
の温度を計測する為に、隔壁３４と接する部位にそれぞ
れ温度センサ６１、６２が設けられている。これら温度
センサ６１、６２及び、温度調節装置５９、ポンプ５
６、ラジエータ５７は、コントローラ６０と電気信号的
に接続されている。
【００４３】さらに、不凍液通路５５には、燃料電池ス
タック５１の出口と温度調節装置５９との間に流量調節
装置（サーモスタット等）６３が設けられており、ここ
から温度調節装置５９、隔壁５４を迂回するバイパス通
路６４が分岐している。バイパス通路６４は、ポンプ５
６の手前で不凍液通路５５に接続する。
タック５１の出口と温度調節装置５９との間に流量調節
装置（サーモスタット等）６３が設けられており、ここ
から温度調節装置５９、隔壁５４を迂回するバイパス通
路６４が分岐している。バイパス通路６４は、ポンプ５
６の手前で不凍液通路５５に接続する。
【００４４】上述の構成により、例えば温度調節装置５
９にて不凍液に更なる加温が必要な場合でも、供給ガス
加湿に必要最小限量の不凍液のみ加温を行い隔壁５４へ
導き、それ以外の不凍液はバイパス通路６４を介して直
接ラジエータ５７に流通させ冷却させることができる。
９にて不凍液に更なる加温が必要な場合でも、供給ガス
加湿に必要最小限量の不凍液のみ加温を行い隔壁５４へ
導き、それ以外の不凍液はバイパス通路６４を介して直
接ラジエータ５７に流通させ冷却させることができる。
【００４５】この結果、供給ガス加湿の為に温度調節装
置５９にて不凍液に供給する熱エネルギが必要最小限に
なるので、温度調節装置５９の熱負荷を軽減することが
できる。また、ラジエータ５７にて冷却しなければなら
ない熱量を最小限とすることができるので、燃料電池シ
ステムにおける熱効率を向上させることができる。
置５９にて不凍液に供給する熱エネルギが必要最小限に
なるので、温度調節装置５９の熱負荷を軽減することが
できる。また、ラジエータ５７にて冷却しなければなら
ない熱量を最小限とすることができるので、燃料電池シ
ステムにおける熱効率を向上させることができる。
【００４６】なお、図５においては、燃料電池スタック
５１に導かれる供給ガスの加湿を燃料電池スタック５１
の直前にて行っているが、他の実施形態と同様に図６に
示すように隔壁５４を燃料電池スタック５１内に設け、
燃料電池スタック５１内で加湿を行うようにしても良い
次に、第４の実施形態について説明する。
５１に導かれる供給ガスの加湿を燃料電池スタック５１
の直前にて行っているが、他の実施形態と同様に図６に
示すように隔壁５４を燃料電池スタック５１内に設け、
燃料電池スタック５１内で加湿を行うようにしても良い
次に、第４の実施形態について説明する。
【００４７】先の実施形態における、不凍液からの隔壁
を介した水分選択分離による供給ガスの加湿、回収タン
クにおける排出ガスからの水分及び熱量の不凍液への回
収、隔壁に接する供給ガス及び不凍液の温度センシング
による不凍液通路における温度調節装置の加温量、ポン
プの循環流量、及びラジエータの放熱性能を調節するこ
とによる不凍液の温度制御は、本実施形態においても同
様に行われるものとする。
を介した水分選択分離による供給ガスの加湿、回収タン
クにおける排出ガスからの水分及び熱量の不凍液への回
収、隔壁に接する供給ガス及び不凍液の温度センシング
による不凍液通路における温度調節装置の加温量、ポン
プの循環流量、及びラジエータの放熱性能を調節するこ
とによる不凍液の温度制御は、本実施形態においても同
様に行われるものとする。
【００４８】図７は第４の実施形態の概略構成図を示し
たものである。燃料電池スタック７１は供給ガス通路７
２ａ、７２ｂ及び排出ガス通路７３ａ、７３ｂを備え、
燃料電池スタック７１の上流には、不凍液から純水を選
択的に透過させる機能を有する隔壁７４が設けられてい
る。この隔壁７４を介して、一方には燃料電池スタック
７１へ導かれる供給ガスが、他方には供給ガスを加湿す
る為の水分を提供する不凍液がそれぞれ流れている。
たものである。燃料電池スタック７１は供給ガス通路７
２ａ、７２ｂ及び排出ガス通路７３ａ、７３ｂを備え、
燃料電池スタック７１の上流には、不凍液から純水を選
択的に透過させる機能を有する隔壁７４が設けられてい
る。この隔壁７４を介して、一方には燃料電池スタック
７１へ導かれる供給ガスが、他方には供給ガスを加湿す
る為の水分を提供する不凍液がそれぞれ流れている。
【００４９】燃料電池システムは、燃料電池スタック７
１の冷却用の不凍液通路７５と供給ガスの加湿用の不凍
液通路７８とを有し、不凍液通路７５には、不凍液を循
環させるためのポンプ７９と、外気と不凍液通路７５内
の不凍液との間で熱交換を行うことで不凍液を冷却する
為のラジエータ７７が設けられている。一方、不凍液通
路７８には、不凍液を循環させるためのポンプ７９と、
外気と不凍液通路７８内の不凍液との間で熱交換を行う
ことで不凍液を冷却する為のサブラジエータ８０と、回
収タンク８１とが設けられており、この回収タンク８１
へは燃料電池スタック７１のカソードからの排出ガス通
路７３ｂが導かれている。ラジエータ７７、８０は冷却
ファンの回転速度を調節することによって放熱性能を調
節することができる。
１の冷却用の不凍液通路７５と供給ガスの加湿用の不凍
液通路７８とを有し、不凍液通路７５には、不凍液を循
環させるためのポンプ７９と、外気と不凍液通路７５内
の不凍液との間で熱交換を行うことで不凍液を冷却する
為のラジエータ７７が設けられている。一方、不凍液通
路７８には、不凍液を循環させるためのポンプ７９と、
外気と不凍液通路７８内の不凍液との間で熱交換を行う
ことで不凍液を冷却する為のサブラジエータ８０と、回
収タンク８１とが設けられており、この回収タンク８１
へは燃料電池スタック７１のカソードからの排出ガス通
路７３ｂが導かれている。ラジエータ７７、８０は冷却
ファンの回転速度を調節することによって放熱性能を調
節することができる。
【００５０】不凍液通路７８の回収タンク８１と隔壁７
４の間にはヒータ等の温度調節装置８２が設けられてい
る。また隔壁７４に導かれる不凍液の温度及び供給ガス
の温度を計測する為に、隔壁７４と接する部位にそれぞ
れ温度センサ８４、８５が設けられている。これら温度
センサ８４、８５及び、温度調節装置８２、ポンプ７
９、サブラジエータ８０は、コントローラ８３と電気信
号的に接続されている。
４の間にはヒータ等の温度調節装置８２が設けられてい
る。また隔壁７４に導かれる不凍液の温度及び供給ガス
の温度を計測する為に、隔壁７４と接する部位にそれぞ
れ温度センサ８４、８５が設けられている。これら温度
センサ８４、８５及び、温度調節装置８２、ポンプ７
９、サブラジエータ８０は、コントローラ８３と電気信
号的に接続されている。
【００５１】不凍液通路７８の不凍液は隔壁７４へ達
し、隔壁７４を挟んで不凍液通路７８と反対側には燃料
電池スタック７１へ導かれる供給ガスが流れている。隔
壁７４へ導かれる不凍液は、以下に示すようにコントロ
ーラ８３により温度制御される。
し、隔壁７４を挟んで不凍液通路７８と反対側には燃料
電池スタック７１へ導かれる供給ガスが流れている。隔
壁７４へ導かれる不凍液は、以下に示すようにコントロ
ーラ８３により温度制御される。
【００５２】不凍液の温度制御では、まず、温度センサ
８４にて隔壁７４に接する燃料電池スタック７１への供
給ガスの温度が測定され、その供給ガスにおける飽和水
蒸気量がコントローラ８３において算出される。
８４にて隔壁７４に接する燃料電池スタック７１への供
給ガスの温度が測定され、その供給ガスにおける飽和水
蒸気量がコントローラ８３において算出される。
【００５３】次に、不凍液が前記隔壁７４を介して、そ
の飽和水蒸気量に見合った水分を供給するのに必要な不
凍液の温度（不凍液目標温度）が算出され、不凍液温度
がその目標温度となるように温度センサ８５にてモニタ
しつつ、不凍液通路７８に設けた温度調節装置８２の加
熱量、ポンプ７９の流量、及びサブラジエータ８０の放
熱性能が調節される。
の飽和水蒸気量に見合った水分を供給するのに必要な不
凍液の温度（不凍液目標温度）が算出され、不凍液温度
がその目標温度となるように温度センサ８５にてモニタ
しつつ、不凍液通路７８に設けた温度調節装置８２の加
熱量、ポンプ７９の流量、及びサブラジエータ８０の放
熱性能が調節される。
【００５４】このような不凍液の温度制御により、隔壁
７４は、水蒸気分圧の不凍液側から水蒸気分圧の低い供
給ガス側へ水分を選択的に透過させることができ、燃料
電池スタック７１へ導かれる供給ガスを、隔壁７４を介
して不凍液から選択的に供給される水分にて加湿するこ
とができる。
７４は、水蒸気分圧の不凍液側から水蒸気分圧の低い供
給ガス側へ水分を選択的に透過させることができ、燃料
電池スタック７１へ導かれる供給ガスを、隔壁７４を介
して不凍液から選択的に供給される水分にて加湿するこ
とができる。
【００５５】隔壁７４を経た不凍液は外気と熱交換を行
うサブラジエータ８０にて冷却され回収タンク８１へと
導かれる。回収タンク８１へは不凍液通路７８に導かれ
る不凍液に加え、燃料電池スタック７１のカソードから
の排出ガス通路７３ｂが導かれており、この排出ガスに
は燃料電池スタック７１にて発電時に副作用的に発生し
た生成水が多く含まれている。また不凍液は、サブラジ
エータ８０にて冷却される際に、予め回収タンク８１へ
導かれる排出ガスの露点温度以下に冷却される。
うサブラジエータ８０にて冷却され回収タンク８１へと
導かれる。回収タンク８１へは不凍液通路７８に導かれ
る不凍液に加え、燃料電池スタック７１のカソードから
の排出ガス通路７３ｂが導かれており、この排出ガスに
は燃料電池スタック７１にて発電時に副作用的に発生し
た生成水が多く含まれている。また不凍液は、サブラジ
エータ８０にて冷却される際に、予め回収タンク８１へ
導かれる排出ガスの露点温度以下に冷却される。
【００５６】したがって、回収タンク８１はスタック排
出ガスの露点温度以下である不凍液で満たされており、
バブリングにより水分と熱量の回収を行うと同時に、そ
の際に発生する気泡の浮力を利用した気泡ポンプ作用に
て、スタック排出ガスに含まれた生成水成分及び熱量の
両方を不凍液に回収する。
出ガスの露点温度以下である不凍液で満たされており、
バブリングにより水分と熱量の回収を行うと同時に、そ
の際に発生する気泡の浮力を利用した気泡ポンプ作用に
て、スタック排出ガスに含まれた生成水成分及び熱量の
両方を不凍液に回収する。
【００５７】これらの作用により、隔壁７４にて水分を
分離された不凍液が水分を回収することができ、純水タ
ンク等の水分補充手段を別途設けることなく、燃料電池
システムとしての水収支を成立させることができる。ま
た、この実施形態においては、スタック冷却系である不
凍液通路７５と、供給ガス加湿系である不凍液通路７８
が完全に独立しているので、循環流量、温度等を別々に
制御することができ、スタック冷却と供給ガス加湿のそ
れぞれに特化した制御が可能となる。
分離された不凍液が水分を回収することができ、純水タ
ンク等の水分補充手段を別途設けることなく、燃料電池
システムとしての水収支を成立させることができる。ま
た、この実施形態においては、スタック冷却系である不
凍液通路７５と、供給ガス加湿系である不凍液通路７８
が完全に独立しているので、循環流量、温度等を別々に
制御することができ、スタック冷却と供給ガス加湿のそ
れぞれに特化した制御が可能となる。
【００５８】さらに、本実施形態においては、不凍液通
路７５における燃料電池スタック７１の出口と、不凍液
通路７８における回収タンク８１出口との間で熱交換を
可能とする第３のラジエータ８６が設けられている。こ
れにより、スタック冷却を目的とした不凍液通路７５に
おけるスタック冷却後の高温の不凍液と、供給ガス加湿
を目的とした不凍液通路７８における低温の不凍液との
間で熱交換が行われ、ラジエータ７７の熱負荷及び温度
調節装置８２の昇温負荷を軽減することができ、車両全
体としての熱利用効率を向上させることができる。
路７５における燃料電池スタック７１の出口と、不凍液
通路７８における回収タンク８１出口との間で熱交換を
可能とする第３のラジエータ８６が設けられている。こ
れにより、スタック冷却を目的とした不凍液通路７５に
おけるスタック冷却後の高温の不凍液と、供給ガス加湿
を目的とした不凍液通路７８における低温の不凍液との
間で熱交換が行われ、ラジエータ７７の熱負荷及び温度
調節装置８２の昇温負荷を軽減することができ、車両全
体としての熱利用効率を向上させることができる。
【００５９】なお、図７においては、燃料電池スタック
７１に導かれる供給ガスの加湿をスタック直前で行って
いるが、他の実施形態と同様に図８に示すように、隔壁
７４を燃料電池スタック７１内に設け、燃料電池スタッ
ク７１内で加湿を行うようにしても良い。
７１に導かれる供給ガスの加湿をスタック直前で行って
いるが、他の実施形態と同様に図８に示すように、隔壁
７４を燃料電池スタック７１内に設け、燃料電池スタッ
ク７１内で加湿を行うようにしても良い。
【００６０】また、上記第１から第４の実施形態では、
不凍液から純水を選択的に透過させる機能を有する隔壁
としてイオン交換膜を用いているが、同様の機能を有す
る部材であればそれを上記隔壁として用いることができ
る。また、不凍液としてロングライフクーラントを用い
ているが、極低温にて凍結することがなく、且つ上記隔
壁にて純水を分離することが可能な混合液体、即ち、互
いの分子の大きさが上記隔壁にて純水と分離可能な大き
さを有する混合液体であれば、上記不凍液として用いる
ことができる。
不凍液から純水を選択的に透過させる機能を有する隔壁
としてイオン交換膜を用いているが、同様の機能を有す
る部材であればそれを上記隔壁として用いることができ
る。また、不凍液としてロングライフクーラントを用い
ているが、極低温にて凍結することがなく、且つ上記隔
壁にて純水を分離することが可能な混合液体、即ち、互
いの分子の大きさが上記隔壁にて純水と分離可能な大き
さを有する混合液体であれば、上記不凍液として用いる
ことができる。
【図１】本発明に係る車両搭載用燃料電池システムの概
略構成図である
略構成図である
【図２】第１の実施形態の一部変更例である。
【図３】本発明の第２の実施形態の概略構成図である。
【図４】第２の実施形態の一部変更例である。
【図５】本発明の第３の実施形態の概略構成図である。
【図６】第３の実施形態の一部変更例である。
【図７】本発明の第４の実施形態の概略構成図である。
【図８】第４の実施形態の一部変更例である。
１１、３１、５１、７１ 燃料電池スタック
１２ａ、３２ａ、５２ａ、７２ａ 改質ガス供給通路
１２ｂ、３２ｂ、５２ｂ、７２ｂ 空気供給通路
１３ａ、３３ａ、５３ａ、７３ａ 排出ガス通路
１３ｂ、３３ｂ、５３ｂ、７３ｂ 排出ガス通路
１４、３４、５４、７４ 隔壁（イオン交換膜等）
１５、３５、５５、７５ 不凍液通路
１６、３６、５６、７６ ポンプ
１７、３７、５７、７７、８０、８６ ラジエータ
１８、３８、５８、８１ 回収タンク
３９、５９、８２ 温度調節装置
４０、６０、８３ コントローラ
４１、４２、６１、６２、８４、８５ 温度センサ
６３ 流量調整装置（サーモスタット等）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 藤井 勝幸
神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産
自動車株式会社内
(72)発明者 下野園 均
神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産
自動車株式会社内
Ｆターム(参考） 5H026 AA06
5H027 AA06 BA01 CC06 KK46 KK48
MM16
Claims (8)
- 【請求項１】燃料電池と、 前記燃料電池に発電用のガスを供給する供給ガス通路
と、 前記燃料電池内若しくはその上流で不凍液から純水を選
択的に透過させる隔壁 を介して前記供給ガス通路に隣接する不凍液通路と、を
備え、 前記隔壁における不凍液による水蒸気分圧と供給ガスの
水蒸気分圧の差により、前記不凍液通路から前記供給ガ
ス通路に水分の移動を行わせ、前記供給ガスを加湿する
ように構成したことを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項２】前記不凍液通路に前記燃料電池の排出ガス
の露点温度以下となるように温度調節された水分回収装
置を設け、 前記水分回収装置に前記排出ガスを通過させることによ
り、前記排出ガスから水分と熱量の両方を前記不凍液通
路内へ回収するように構成したことを特徴とする請求項
１に記載の燃料電池システム。 - 【請求項３】前記水分回収装置は、前記排出ガスの露点
温度以下の不凍液で満たされており、バブリングにより
前記排出ガスの水分と熱量の回収を行い、回収した水分
と熱量を前記不凍液へ付加することを特徴とする請求項
２に記載の燃料電池システム。 - 【請求項４】前記不凍液による水蒸気分圧が前記供給ガ
スの水蒸気分圧よりも高くなるように前記不凍液の温度
を調整する温度調整手段をさらに備えたことを特徴とす
る請求項１記載の燃料電池システム。 - 【請求項５】 前記供給ガスの温度を検出する手段と、 検出された供給ガスの温度に基づき不凍液目標温度を算
出する手段と、をさらに備え、 前記温度調整手段は、前記不凍液の温度が前記不凍液目
標温度になるように前 記不凍液の温度を調整する、ことを特徴とする請求項４
に記載の燃料電池システム。 - 【請求項６】前記不凍液通路において前記隔壁部分を迂
回するバイパス通路と、 前記不凍液の温度に応じて前記バイパス通路の流量を調
節する流量調節手段と、をさらに備えたことを特徴とす
る請求項４に記載の燃料電池システム。 - 【請求項７】前記不凍液通路と、前記燃料電池を冷却す
るための不凍液通路とが独立していることを特徴とする
請求項２に記載の燃料電池システム。 - 【請求項８】前記燃料電池冷却用不凍液通路における前
記燃料電池冷却後の不凍液と熱交換を行う熱交換器を、
前記不凍液通路の水分回収装置の下流にさらに備えたこ
とを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
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