JP2007179988A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】前記空気中の水分の回収効率を向上させ、凝縮器を小型化することができるとともに、燃料電池スタックへ供給される空気に供給した水を確実に回収することができ、水の補給を不要とすることができ、システム全体を小型化することができるようにする。
【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記空気流路に供給される空気中に水を供給する水供給ノズルと、前記空気流路から排出される空気中の水分を凝縮させて除去する凝縮器と、該凝縮器によって除去された水を回収して前記水供給ノズルに供給する水循環システムと、車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷却システムとを有し、該冷却システムの冷媒を前記凝縮器に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜を湿潤な状態に維持する必要があるので、空気流路に水を供給することによって固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持することができるものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−１２０５６号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出された空気中の水分の回収効率が必ずしも十分でなく、空気流路に供給された水のうちのかなりの部分が空気とともに外気中に排出されてしまう。そのため、空気流路に供給するための水をあらかじめ多量に用意しておく必要があるが、燃料電池を車両に搭載する場合、スペースが限られているので、水を貯留する容器を大型化すると、乗員や荷物を積載するためのスペースが減少してしまう。

また、排出された空気中の水分の回収効率を向上させることも考えられるが、その場合、排出される空気の流路中に配設された凝縮器を大型化する必要があり、同様に、乗員や荷物を積載するためのスペースが減少してしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷凍サイクルにおける低温の冷媒を燃料電池スタックから排出される空気の流路中に配設された凝縮器に供給することによって、前記空気中の水分の回収効率を向上させ、凝縮器を小型化することができるとともに、燃料電池スタックへ供給される空気に供給した水を確実に回収することができ、水の補給を不要とすることができ、システム全体を小型化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。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記空気流路に供給される空気中に水を供給する水供給ノズルと、前記空気流路から排出される空気中の水分を凝縮させて除去する凝縮器と、該凝縮器によって除去された水を回収して前記水供給ノズルに供給する水循環システムと、車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷却システムとを有し、該冷却システムの冷媒を前記凝縮器に供給する。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却システムは、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを利用したシステムであり、前記冷媒が前記凝縮器に選択的に供給される。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、冷媒流路切替弁、及び、前記凝縮器内を通過するように配設され、液化された冷媒が前記冷媒流路切替弁を介して流入可能な凝縮器通過管路を備える。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記凝縮器から排出される空気の温度を検出する温度検出器と、該温度検出器が検出した温度が所定温度以上であると前記冷却システムの冷媒を前記凝縮器に供給させる制御装置とを更に有する。

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記空気流路に供給される空気中に水を供給する水供給ノズルと、前記空気流路から排出される空気中の水分を凝縮させて除去する凝縮器と、該凝縮器によって除去された水を回収して前記水供給ノズルに供給する水循環システムと、車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷却システムとを有し、該冷却システムの冷媒を前記凝縮器に供給する。

この場合、燃料電池スタックから排出される空気中の水分の回収効率を向上させることができるので、凝縮器を小型化することができる。また、燃料電池スタックへ供給される空気に供給した水を確実に回収することができるので、水の補給を不要とすることができる。したがって、システム全体を小型化することができる。さらに、車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷却システムの冷媒を利用するので、専用の冷却システムを必要とせず、コストを低減することができる。

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却システムは、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを利用したシステムであり、前記冷媒が前記凝縮器に選択的に供給される。

この場合、必要に応じて凝縮器に冷媒を供給するので、車両用空調機用又は車両用冷凍庫の冷却を行いつつ、凝縮器内を通過する空気を冷却することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、冷媒流路切替弁、及び、前記凝縮器内を通過するように配設され、液化された冷媒が前記冷媒流路切替弁を介して流入可能な凝縮器通過管路を備える。

この場合、冷媒流路切替弁を作動させて、凝縮器通過管路に冷媒を流入させることによって、凝縮器内を通過する空気を効果的に冷却することができ、簡素な構成でありながら、空気中の水分を効率的に凝縮して回収することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記凝縮器から排出される空気の温度を検出する温度検出器と、該温度検出器が検出した温度が所定温度以上であると前記冷却システムの冷媒を前記凝縮器に供給させる制御装置とを更に有する。

この場合、必要がないときには冷媒を凝縮器に供給しないので、車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷却効率が低下することがない。

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細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図において、１１は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と後述される蓄電手段としてのキャパシタユニット６３とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、図示されない複数のセルモジュールを有する。該セルモジュールは、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路と空気とを分離するセパレータとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュールは、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。

そして、単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜の側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。

前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、燃料極側コレクタの燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路としての酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。

図には、燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、及び、酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段２１に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段２１から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２２、及び、該第１燃料供給管路２２に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２２には、燃料貯蔵手段元開閉弁２３、圧力センサ２７、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ及び燃料供給電磁弁２６が配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段２１は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。

そして、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック１１外に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク３５が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク３５には水と分離された水素ガスを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク３５と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック１１外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク３５には、起動用燃料排出管路３８が接続され、該起動用燃料排出管路３８には水素起動排気電磁弁３７が配設され、燃料電池スタック１１の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路３８の出口端は排気マニホールド１３に接続されている。また、起動用燃料排出管路３８に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。

ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。

また、前記燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁３７は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２３は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。

一方、酸化剤としての空気は、エアフィルタ５３を通って、酸化剤供給源としての空気供給ファン５１に吸引され、該空気供給ファン５１から、空気供給管路５２及び吸気マニホールド１２を通って、燃料電池スタック１１の酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、前記空気供給ファン５１は、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記エアフィルタ５３は、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド１３、凝縮器１４、出口側排気マニホールド５４及び排気口５５を通って大気中へ排出される。なお、排気マニホールド１３には燃料電池スタック１１から排出された直後の空気の温度を検出するスタック排気温度検出器５６が配設され、出口側排気マニホールド５４には凝縮器１４から排出された直後の空気の温度を検出する凝縮器排気温度検出器５７が配設されている。

また、前記空気供給管路５２には、空気流路に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック１１の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル４７が配設される。なお、スプレーされた水によって前記空気極及び燃料極を冷却することもできる。さらに、前記排気マニホールド１３の端部に配設された凝縮器１４は、前記燃料電池スタック１１から排出される空気中の水分を凝縮して除去するためのものであり、前記凝縮器１４によって凝縮された水は凝縮水排出管路４１を通って水タンク４３に回収される。なお、前記凝縮水排出管路４１には排水ポンプ４２が配設され、前記水タンク４３にはレベルゲージ（水位計）４３ａが配設されている。

そして、前記水タンク４３内の水は、給水管路４６を通って水供給ノズル４７に供給される。なお、前記給水管路４６には、給水ポンプ４４及び水フィルタ４５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ４２及び給水ポンプ４４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ４５は、水に含まれる塵埃、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。前記凝縮水排出管路４１、排水ポンプ４２、水タンク４３、給水ポンプ４４、水フィルタ４５及び給水管路４６は、水循環システムとして機能する。

さらに、燃料電池スタック１１の図示されない電気端子には、負荷としての駆動制御装置であるインバータ装置６１、及び、蓄電手段としてのキャパシタユニット６３が並列に接続されている。該キャパシタユニット６３は、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）を備えるものである。なお、前記蓄電手段は、必ずしもキャパシタでなくてもよく、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等の二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であってもよいし、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、インバータ装置６１は、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。ここで、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３が並列に接続されて、前記インバータ装置６１に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池スタック１１が停止した場合や、坂道等の高負荷運転時に燃料電池スタック１１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６３に電流が自動的に供給される。

なお、６２は、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）を備えるＩＧＢＴユニットであり、キャパシタユニット６３の充電を制御する制御回路である。

そして、前記交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能して、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がキャパシタユニット６３に供給され、該キャパシタユニット６３が再充電される。さらに、前記回生電流が供給されない場合であっても、前記キャパシタユニット６３が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池スタック１１が発生する電流が自動的に前記キャパシタユニット６３に供給される。

このように、燃料電池システムにおいては、前記キャパシタユニット６３が常時充電され、前記燃料電池スタック１１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６３に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。

また、７０は、凝縮器１４に冷媒を供給するための冷媒供給システムとしての冷却システムであり、一義的には、車両に搭載された図示されない冷凍庫内を冷却するために配設された蒸気圧縮式の冷凍サイクルを利用したシステムである。ここで、冷却システム７０は、一般的な冷蔵庫、冷凍庫、家庭用空調機、車両用空調機等に利用される冷凍サイクルと同様のシステムであり、例えば、車両の室内を冷却するための車両用空調機として配設されたシステムであってもよいが、本実施の形態においては、車両に搭載された冷凍庫内を冷却するためのシステムであるものとして説明する。

そして、７１は、内部を冷媒が流通するパイプとしての冷媒管路７２に配設された圧縮機としてのコンプレッサであり、気相の冷媒を圧縮する。なお、前記冷媒は、例えば、特定フロン類の代替品として開発が進められたフロン類似品である、いわゆる代替フロンであるが、いかなる種類の冷媒であってもよい。

さらに、前記冷媒管路７２における冷媒の流通方向に関するコンプレッサ７１の下流側には、冷媒用凝縮器としてのコンデンサ７４が配設されている。そして、コンプレッサ７１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、前記コンデンサ７４内において冷却されることによって液化され、飽和液又は過冷却液の状態となる。なお、前記コンプレッサ７１は、燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３から供給される電流を利用する図示されないモータによって駆動される。

また、前記冷媒管路７２における冷媒の流通方向に関するコンデンサ７４の下流側には、三方弁等から成る冷媒流路切替弁７３が配設されている。該冷媒流路切替弁７３によって、冷媒管路７２は、前記凝縮器１４内を通過するように配設された凝縮器通過管路７７と、該凝縮器通過管路７７をバイパスするバイパス管路７８とに分岐される。ここで、前記冷媒流路切替弁７３が閉じている場合には、コンデンサ７４から流出した液相の冷媒は、凝縮器通過管路７７に流入することなく、すべてバイパス管路７８に流入するようになっている。また、前記冷媒流路切替弁７３が開いている場合には、コンデンサ７４から流出した液相の冷媒は、凝縮器通過管路７７に流入するようになっている。この場合、すべての冷媒が凝縮器通過管路７７に流入するようにしてもよいし、一部の冷媒のみが凝縮器通過管路７７に流入するようにしてもよい。さらに、凝縮器通過管路７７に流入する冷媒とバイパス管路７８に流入する冷媒との割合を調整することができるようにしてもよい。

そして、前記冷媒管路７２における冷媒の流通方向に関する凝縮器通過管路７７とバイパス管路７８との合流点より下流側には、膨張弁７５が配設されている。さらに、前記冷媒管路７２における冷媒の流通方向に関する下流側の部分は、冷媒用蒸発器としてのエバポレータ７６が配設されている。なお、該エバポレータ７６は、図示されない冷凍庫内に設置されている。そして、飽和液又は過冷却液の状態となった冷媒は、膨張弁７５を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されて、エバポレータ７６内に流入する。該エバポレータ７６において、前記冷媒は冷凍庫内の空気から熱を吸収し、再び、コンプレッサ７１に吸引される。これにより、冷凍庫内の空気が冷却され、更に、冷凍庫内の貯蔵物が冷却される。

一方、前記凝縮器通過管路７７に流入した冷媒は、冷媒流路切替弁７３を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧され、凝縮器通過管路７７内を通過することによって凝縮器１４内を通過する空気から熱を吸収する。この場合、前記冷媒流路切替弁７３が一種の膨張弁として機能し、凝縮器通過管路７７は一種の冷媒用蒸発器として機能する。なお、凝縮器通過管路７７内を通過した気相の冷媒は、膨張弁７５及びエバポレータ７６を経由して、再び、コンプレッサ７１に吸引される。これにより、前記凝縮器１４内を通過する空気は、冷媒によって熱を吸収されることによって冷却される。そのため、燃料電池スタック１１から排出される空気の温度が凝縮器１４内において大幅に低下し、それとともに前記空気の飽和水蒸気圧も大幅に低下するので、凝縮されて前記空気から回収される水分量が増加する。したがって、前記空気中の水分を凝縮する凝縮器１４の能力が向上し、燃料電池スタック１１から排出される空気からの水分の回収効率が向上する。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、凝縮器排気温度検出器５７を含む各種のセンサから、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファン５１、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ４２、給水ポンプ４４、コンプレッサ７１、冷媒流路切替弁７３等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。そして、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、凝縮器排気温度検出器５７の出力に基づき、凝縮器１４からの排気温が所定温度以上となると、冷媒流路切替弁７３を開け、冷却システム７０によって凝縮器１４内の空気を冷却させるようになっている。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。

本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、空気供給ファン５１は、燃料電池の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック１１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。また、本実施の形態において、燃料電池スタック１１の単位セルに供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記空気供給ファン５１、空気供給管路５２、吸気マニホールド１２、排気マニホールド１３、凝縮器１４、出口側排気マニホールド５４等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。

そして、燃料電池スタック１１が運転を開始すると、該燃料電池スタック１１を構成する各単位セルにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜内をスムーズに移動することができる。

また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック１１に接続された燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック１１外に排出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク３５内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク３５内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク３５外に排出される。

そして、定常運転においては、前記燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給されて再利用される。

また、吸気マニホールド１２から送り込まれた酸化剤としての空気は、燃料電池スタック１１内の空気流路としての酸素室内を通過して、排気マニホールド１３に向けて排出される。ところで、前記吸気マニホールド１２には水供給ノズル４７が配設され、水がスプレーされる。前記水供給ノズル４７からスプレーされた水は、重力及び空気の流れによって、多数の酸素室内に進入する。そして、空気極を湿潤な状態に保つので、空気極と燃料極とに挟まれた固体高分子電解質膜が良好に機能する。また、燃料である水素と酸化剤である酸素が結合して水を生成する電気化学反応において、反応熱が発生するが、該反応熱は前記スプレーされた水によって吸収される。すなわち、前記スプレーされた水は冷却作用も果たすものである。

ここで、スプレーされた水は液体の状態、すなわち、液相であり、反応熱を吸収して気化する。そのため、気化潜熱によって酸素室内の酸素極等を冷却するので、冷却効率が極めて高い。また、常圧の空気中に液相の水をスプレーするだけなので、前記水供給ノズル４７は通常のものであってよく、特別の構成を有する必要がない。なお、前記スプレーされた水は酸素室から、空気とともに排出されるので、燃料電池スタック１１から排気マニホールド１３内に排出された空気は水分を含んでいる。

そして、排気マニホールド１３内に排出された空気は、凝縮器１４内に導入される。ここで、前記空気は、水分を含むものであるが、凝縮器１４内を通過する間に冷却されて凝縮した水分を分離して、凝縮器１４から出口側排気マニホールド５４及び排気口５５を通って大気中に排出される。なお、凝縮器１４で分離された水は、凝縮水排出管路４１を通って水タンク４３に回収される。

次に、冷却システム７０の動作について説明する。

図２は本発明の実施の形態における燃料電池システムの冷却システムの動作を示すフローチャートである。

まず、ＦＣコントロールＥＣＵは、出口側排気マニホールド５４に配設された凝縮器排気温度検出器５７によって凝縮器１４から排出された空気の温度、すなわち、凝縮器排気温度Ｔ₂ を測定する（ステップＳ１）。そして、ＦＣコントロールＥＣＵは、凝縮器排気温度Ｔ₂ があらかじめ設定された所定温度、例えば、３４〔℃〕以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。ここで、前記所定温度は、吸気マニホールド１２に導入される空気の温度と同程度に設定されているが、必ずしも３４〔℃〕である必要はなく、適宜設定することができる。そして、凝縮器排気温度Ｔ₂ が所定温度以上でない場合は、凝縮器排気温度Ｔ₂ を測定し、前述の動作を繰り返して実行する。

また、凝縮器排気温度Ｔ₂ が所定温度以上である場合、前記ＦＣコントロールＥＣＵは冷媒流路切替弁７３を作動させて冷媒を凝縮器通過管路７７に流入させる。すなわち、冷媒流路切替弁７３を開ける（ステップＳ３）。なお、冷却システム７０は、既に作動しており、冷媒が冷媒管路７２を流通して冷凍庫を冷却しているものとする。そして、冷媒が凝縮器通過管路７７に流入することによって、凝縮器１４内に導入された空気が冷却される。続いて、ＦＣコントロールＥＣＵは、再び、前記凝縮器排気温度検出器５７によって凝縮器排気温度Ｔ₂ を測定する（ステップＳ４）。そして、ＦＣコントロールＥＣＵは、再び、凝縮器排気温度Ｔ₂ が前記所定温度以上であるか否かを判断する（ステップＳ５）。ここで、凝縮器排気温度Ｔ₂ が所定温度以上である場合は、冷媒流路切替弁７３を開けたままにして前述の動作を繰り返して実行する。

一方、凝縮器排気温度Ｔ₂ が所定温度以上でない場合、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、冷媒流路切替弁７３を作動させて冷媒を凝縮器通過管路７７に流入させないようにする。すなわち、冷媒流路切替弁７３を閉じる（ステップＳ６）。これにより、凝縮器１４内に導入された空気の冷却を終了させる。

このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、冷凍庫用の冷却システム７０における低温の冷媒を凝縮器１４に供給して、燃料電池スタック１１から排出されて凝縮器１４内に導入された空気を冷却するようになっている。そのため、水供給ノズル４７からスプレーされた水を含む前記空気の温度が大幅に低下し、それとともに前記空気の飽和水蒸気圧も大幅に低下するので、凝縮器１４において凝縮されて前記空気から回収される水分量が増加する。したがって、凝縮器１４による前記空気中の水分の回収効率を向上させることができ、凝縮器１４を小型化することができ、さらに、燃料電池システム全体を小型化することができる。

また、前記空気中の水分の回収効率が向上するので、水供給ノズル４７からスプレーされた水を確実に回収することができる。したがって、水を補給する必要がないので、補給用の水を貯留する容器を省略することができ、燃料電池システム全体を小型化することができる。

さらに、冷凍庫を冷却するために配設された冷却システム７０の冷媒を利用するので、凝縮器１４内に導入された空気を冷却するための専用のシステムを必要とせず、コストを低減することができる。

なお、前述のように、燃料電池スタック１１の空気流路としての酸素室内においては、空気中の酸素と、水素イオン及び電子とが結合して水が生成されるので、燃料電池スタック１１から排出された空気には、このようにして生成された水、すなわち、生成水も含まれている。しかし、補給用の水を貯留する容器を省略するためには、水供給ノズル４７からスプレーされた水を回収すればよいので、前記生成水は空気とともに、大気中に排出することができる。すなわち、凝縮器１４による空気からの水分の回収効率は、必ずしも１００〔％〕である必要はなく、水供給ノズル４７からスプレーされた水を回収することができる程度であればよい。

また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池システムの冷却システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ 燃料電池スタック
１４ 凝縮器
４１ 凝縮水排出管路
４２ 排水ポンプ
４３ 水タンク
４４ 給水ポンプ
４５ 水フィルタ
４６ 給水管路
４７ 水供給ノズル
５７ 凝縮器排気温度検出器
７０ 冷却システム
７１ コンプレッサ
７３ 冷媒流路切替弁
７４ コンデンサ
７６ エバポレータ
７７ 凝縮器通過管路

Claims (4)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
   前記空気流路に供給される空気中に水を供給する水供給ノズルと、
   前記空気流路から排出される空気中の水分を凝縮させて除去する凝縮器と、
   該凝縮器によって除去された水を回収して前記水供給ノズルに供給する水循環システムと、
   車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷却システムとを有し、
   該冷却システムの冷媒を前記凝縮器に供給することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却システムは、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを利用したシステムであり、前記冷媒が前記凝縮器に選択的に供給される請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、冷媒流路切替弁、及び、前記凝縮器内を通過するように配設され、液化された冷媒が前記冷媒流路切替弁を介して流入可能な凝縮器通過管路を備える請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記凝縮器から排出される空気の温度を検出する温度検出器と、
   該温度検出器が検出した温度が所定温度以上であると前記冷却システムの冷媒を前記凝縮器に供給させる制御装置とを更に有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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