JP2007200561A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コストや電力消費量の増大を最小限に抑えて加湿を行うことのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、第１の４方弁８と、燃料電池２と第１の４方弁８を接続する流路に設けられた第１の気液分離器７と、一端が燃料電池２と第１の気液分離器７を接続する流路に接続し、他端が第１の気液分離器７に接続する流路と、この流路に設けられた第１の排出弁３５とを有する。通常運転時には、燃料電池２の下流側に第１の気液分離器７が位置するよう第１の４方弁８を操作する。高出力運転時には、燃料電池２の上流側に第１の気液分離器７が位置するよう第１の４方弁８を操作するとともに第１の排出弁３５を開く。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池を加湿する機構を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、１つのセルから構成されたセルモジュールが複数積層された構造を有する。ここで、セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとが積層されてなる。また、膜−電極アッセンブリは、イオン交換樹脂からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられた触媒層からなるアノードと、電解質膜の他方の面に設けられた触媒層からなるカソードとからなる。そして、膜−電極アッセンブリのアノード側およびカソード側のそれぞれに、拡散層を介してセパレータが設けられている。

燃料電池では、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化ガス）が接触すると、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。このとき、同時に熱も発生するので、ラジエータによって大気中に熱を放出するようにしている。しかし、高出力を必要とする高負荷での車両走行が継続されると、燃料電池での発熱量がラジエータの冷却能力を上回るようになる。このため、燃料電池が過熱し、電解質膜中の水分が蒸発することにより、出力電圧の降下や燃料電池の破壊などを招くという問題があった。

燃料電池の過熱を防止する方法の１つとして、ラジエータの冷却能力を上昇させることが考えられる。しかし、この場合、ラジエータが大型化することになるため、車両に搭載する上で障害となる。すなわち、燃料電池システムを車両に組み込む際に、レイアウトが困難になるなどの問題を生じる。

これに対して、アノードに供給する水素の圧力を利用して水を微粒化し、この微粒化した水によって燃料電池に供給する水素を加湿する方法が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００４−１２７８１６号公報 特開平６−２０３８６１号公報

特許文献１では、水と水素を噴射弁に送り、水素の圧力で水を微粒化してセパレータ内に噴射している。しかしながら、水の供給に加圧ポンプを用いているため、コストや電力消費量の増大を招くという問題があった。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、コストや電力消費量の増大を最小限に抑えて加湿を行うことのできる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本願第１の発明は、燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、
前記燃料電池と前記気液分離器を接続する第１の流路に一端が接続し、前記気液分離器に他端が接続する第２の流路と、
前記燃料電池の下流側および上流側のいずれか一方に前記気液分離器が位置するように、前記燃料電池に供給されるガスの流路を切り替える切り替え手段と、
前記第２の流路に設けられて、前記燃料電池の上流側に前記気液分離器が位置するときに開かれる排出弁とを有することを特徴とする燃料電池システムに関する。

本願第２の発明は、燃料電池と、
前記燃料電池に供給されるガスの流路および前記燃料電池から排出されるガスの流路に設けられた４方弁と、
前記燃料電池と前記４方弁を接続する第１の流路に設けられて、前記燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、
一端が前記燃料電池と前記気液分離器の間で前記第１の流路に接続し、他端が前記気液分離器の貯水部に接続する第２の流路と、
前記第２の流路に設けられた排出弁とを有し、
前記４方弁の操作によって、前記燃料電池の下流側および上流側のいずれか一方に前記気液分離器が位置するように、前記燃料電池に供給されるガスの流路が切り替わり、前記燃料電池の上流側に前記気液分離器が位置するときに前記排出弁が開くことを特徴とする燃料電池システムに関する。

本願第２の発明においては、前記燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を前記４方弁の下流側で回収し、該水分を前記４方弁の上流側で前記燃料電池に供給されるガスに送る加湿器を有することが好ましい。

本願第３の発明は、燃料電池と、
前記燃料電池に供給されるガスの流路に設けられた第１の３方弁と、
前記燃料電池と前記第１の３方弁を接続する第１の流路に設けられた第２の３方弁と、
前記燃料電池から排出されるガスの流路に設けられて、前記第２の３方弁に接続する第３の３方弁と、
前記燃料電池と前記第３の３方弁を接続する第２の流路に設けられて、前記燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、
一端が前記燃料電池と前記気液分離器の間で前記第２の流路に接続し、他端が前記気液分離器の貯水部に接続する第３の流路と、
前記第３の流路に設けられた排出弁と、
一端が前記第３の３方弁と前記気液分離器の間で前記第２の流路に接続し、他端が前記第１の３方弁に接続する第４の流路と、
前記第１の３方弁、前記第２の３方弁および前記第３の３方弁の操作によって、前記燃料電池の下流側および上流側のいずれか一方に前記気液分離器が位置するように、前記燃料電池に供給されるガスの流路が切り替わり、前記燃料電池の上流側に前記気液分離器が位置するときに前記排出弁が開くことを特徴とする燃料電池システムに関する。

本願第３の発明においては、前記燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を前記第３の３方弁の下流側で回収し、該水分を前記第１の３方弁の上流側で前記燃料電池に供給されるガスに送る加湿器を有することが好ましい。

本願第１〜第３の発明における燃料電池システムは、前記燃料電池の加湿量を測定する加湿量測定手段をさらに有し、
前記加湿量が所定値以上である場合に、前記燃料電池の下流側に前記気液分離器が位置するように前記燃料電池に供給されるガスの流路が切り替わり、前記加湿量が所定値未満である場合に、前記燃料電池の上流側に前記気液分離器が位置するように前記燃料電池に供給されるガスの流路が切り替わるようにすることができる。

前記加湿量測定手段は、前記燃料電池から排出されるガスの出口に設けられて該ガスの湿度を測定する湿度計とすることができる。また、前記加湿量測定手段は、前記燃料電池から排出されるガスの出口に設けられて該ガスの温度を測定する温度計とすることもできる。

本願第１の発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の上流側に気液分離器が位置するようにガスの流路を切り替えるとともに排出弁を開くことによって、加湿を積極的に行うことができるようになる。また、この場合、加圧ポンプ等の補機を必要とせずに燃料電池に水分を供給することができるので、コストや電力消費量の増大を最小限に抑えて加湿を行うことが可能となる。

本願第２の発明の燃料電池システムによれば、４方弁の操作によって、燃料電池の下流側および上流側のいずれか一方に気液分離器が位置するように、燃料電池に供給されるガスの流路が切り替わり、また、燃料電池の上流側に気液分離器が位置するときに排出弁が開くので、加湿量が不足しているときに燃料電池の上流側に気液分離器が位置するようにすることによって、加湿を積極的に行うことができるようになる。また、この場合、４方弁と排出弁の操作によって燃料電池に水分を供給することができるので、コストや電力消費量の増大を最小限に抑えて加湿を行うことが可能となる。

本願第３の発明の燃料電池システムによれば、第１の３方弁、第２の３方弁および第３の３方弁の操作によって、燃料電池の下流側および上流側のいずれか一方に気液分離器が位置するように、燃料電池に供給されるガスの流路が切り替わり、燃料電池の上流側に気液分離器が位置するときに排出弁が開くので、加湿量が不足しているときに燃料電池の上流側に気液分離器が位置するようにすることによって、加湿を積極的に行うことができるようになる。また、この場合、３方弁と排出弁の操作によって燃料電池に水分を供給することができるので、コストや電力消費量の増大を最小限に抑えて加湿を行うことが可能となる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の下流側および上流側のいずれか一方に気液分離器が位置するように、燃料電池に供給されるガスの流路を切り替える切り替え手段と、燃料電池の上流側に気液分離器が位置するときに開かれる排出弁とを有することを特徴とする。切り替え手段としては、４方弁や３方弁などを挙げることができる。例えば、燃料電池の加湿量が不足したところで切り替え手段を操作することによって、燃料電池に対して積極的に加湿を行うようにすることができる。具体的には、燃料電池の加湿量を測定する加湿量測定手段としての湿度計を燃料電池から排出されるガスの出口付近に設けておき、湿度が１００％を下回ったところで加湿を行う。また、燃料電池システム内の水バランスが崩れる温度を予め把握しておき、この温度を超えたところで加湿を行うようにしてもよい。この場合は、加湿量測定手段としての温度計を燃料電池から排出されるガスの出口付近に設けることができる。

燃料電池の加湿量が不足する場合とは、具体的には、燃料電池が高出力運転をする場合を挙げることができる。

上述したように、燃料電池内で生じる熱は、ラジエータによって大気中に放出される。しかし、車両が駐車状態から発進する際や、急な上り坂を走行する際などの高出力運転時においては、放熱が不十分となって燃料電池が過熱する。このため、燃料電池は加湿が不足した状態となる。

そこで、本発明の燃料電池システムは、１）燃料電池が通常運転時であるか、高出力運転時であるかを判定し、２）高出力運転時である場合には、切り替え手段を操作することによって、通常運転時に比べて積極的に燃料電池を加湿するシステムとすることもできる。この場合、例えば、車速が所定値を下回り、且つ、アクセル等の車両の走行速度を制御する手段の操作量または操作速度が所定値以上の場合に、高出力運転時であると判定することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の燃料電池システムについて述べる。

実施の形態１．
本実施の形態では、カソードガスおよびアノードガスの供給経路に、それぞれ４方弁を設けることを特徴としている。後述するように、この４方弁を切り替えることによって、通常運転時および高出力運転時のそれぞれに対応した加湿を行うことが可能となる。

図１および図２は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図の一例である。図１は通常運転時に、図２は高出力運転時にそれぞれ対応している。また、これらの図において、矢印はガスの流れる方向を示している。尚、この燃料電池システムは、車載用や据え置き型などの種々の用途に適用可能である。

本実施の形態では、カソードガスとして空気を、アノードガスとして水素をそれぞれ用いる。但し、必ずしもこれらに限られるものではない。

図１および図２において、燃料電池システム１は、水素と酸素を供給されて起電力を生じる燃料電池２と、燃料電池２のカソード（図示せず）に空気を供給するコンプレッサ３と、コンプレッサ３から吐出された空気を冷却するインタークーラ４と、コンプレッサ３から送られる空気の圧力を調整する空気調圧弁５と、燃料電池２から排出されたカソードオフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池２に供給する空気を加湿する加湿器６と、燃料電池２から排出されたカソードオフガス中の水を分離する第１の気液分離器７とを有する。そして、燃料電池２に供給されるカソードガスの流路には、第１の４方弁８が設けられている。すなわち、加湿器６は、燃料電池２から排出されたカソードオフガスに含まれる水分を第１の４方弁８の下流側で回収し、また、回収した水分を第１の４方弁８の上流側で燃料電池２に供給される空気に送るように配置されている。

第１の気液分離器７と、希釈器２９に至る第６の流路２８とを接続する流路には、第１の排出弁３５と第３の排出弁３９が設けられている。第１の排出弁３５は、一端が燃料電池２と第１の気液分離器７の間で第３の流路２５に接続し、他端が第１の気液分離器７の貯水部に接続している。通常運転時においては、第１の排出弁３５および第３の排出弁３９はいずれも閉じている。（尚、図１において、黒色は弁が閉じた状態を表すものとし、白色は弁が開いた状態を表すものとする。以下、本願図面において同じ。）

また、燃料電池システム１は、燃料電池２のアノード（図示せず）に供給する水素を貯蔵する水素タンク９と、水素タンク９から燃料電池２に供給される水素の圧力を調整する水素レギュレータ１０と、燃料電池２から排出されたアノードオフガス中の水を分離する第２の気液分離器１１とを有する。そして、燃料電池２に供給されるアノードガスの流路には、第２の４方弁１２が設けられている。

第２の気液分離器１１と希釈器２９を接続する流路には、第２の排出弁３７と第４の排出弁４０が設けられている。第２の排出弁３７は、一端が燃料電池２と第２の気液分離器１１の間で第９の流路３２に接続し、他端が第２の気液分離器１１の貯水部に接続している。通常運転時においては、第２の排出弁３７および第４の排出弁４０はいずれも閉じている。

さらに、燃料電池システム１は、燃料電池２を冷却する冷却装置１３を有する。冷却装置１３は、燃料電池２に冷却水を送る冷却水ポンプ１４と、冷却水の熱を外部へ放出するラジエータ１５と、冷却水中のイオンを吸着するイオン交換器１６とを有する。イオン交換器１６は、冷却水の電気的絶縁性を維持することによって、冷却水を介した液絡現象を防ぐ役割を果たす。

燃料電池２とラジエータ１５の間には、冷却水が循環する循環路１７が設けられている。また、循環路１７の他に、ラジエータ１５を迂回する第１の迂回路１８と第２の迂回路１９も設けられている。循環路１７と第１の迂回路１８の合流点にはサーモバルブ２０が設けられていて、所定の温度で冷却水の流路がいずれか一方に切り替わるようになっている。また、第２の迂回路１９には、イオン交換器１６が設けられている。これにより、第２の迂回路１９を通る冷却水中のイオンをイオン交換樹脂に吸着させて、冷却水中の電気的絶縁性が維持されるようにしている。

まず、図１を参照しながら、燃料電池２が通常運転をする場合について説明する。

図１において、第１の４方弁８は、第１の流路２３と第２の流路２４を接続し、第４の流路２６と第５の流路２７を接続している。また、第２の４方弁１２は、第７の流路３０と第８の流路３１を接続し、第１０の流路３３と第１１の流路３４を接続している。（尚、図１で、符号ＡおよびＢで示した箇所は、それぞれ互いに接続していることを示している。以下、本願図面において同じ。）

空気は、エアクリーナ２２でゴミなどの異物を除去された後にコンプレッサ３に入る。そして、コンプレッサ３から吐出された空気は、インタークーラ４で冷却された後に、加湿器６を経て第１の流路２３に入る。次いで、第１の流路２３から第１の４方弁８によって第２の流路２４に入る。

第２の流路２４に入った空気は、ここから燃料電池２のカソードへと供給される。そして、所定量の空気がアノードとの間の電極反応に消費される。

通常運転時において、第１の４方弁８は、燃料電池２の下流側に第１の気液分離器７が位置するように作用する。これにより、燃料電池２から排出されたカソードオフガスは、第３の流路２５を経て第１の気液分離器７に入るので、燃料電池２での電極反応で生成した水を第１の気液分離器７で回収することができる。

第１の気液分離器７から排出されたカソードオフガスは、第４の流路２６から第１の４方弁８によって第５の流路２７に入る。その後、加湿器６でカソードオフガスに含まれる水分をさらに除去された後、第６の流路２８から希釈器２９を経由して外部へと排出される。尚、本実施の形態における第３の流路２５および第４の流路２６は、本願第２の発明における第１の流路に対応する。

一方、水素タンク９に貯蔵された水素は、第７の流路３０から第２の４方弁１２によって第８の流路３１に入る。そして、ここから燃料電池２のアノードへと供給される。アノードでは、所定量の水素がカソードとの間の電極反応に消費される。

アノード側においても、カソード側と同様に、第２の４方弁１２が作用する。すなわち、第２の４方弁１２は、通常運転の際に、燃料電池２の下流側に第２の気液分離器１１が位置するように作用する。これにより、燃料電池２から排出されたアノードオフガスは、第９の流路３２を経て第２の気液分離器１１に入るので、燃料電池２での電極反応で生成した水を第２の気液分離器１１で回収することができる。

第２の気液分離器１１から排出されたアノードオフガスは、第１０の流路３３から第２の４方弁１２によって第１１の流路３４に入る。その後、第５の排出弁４３より希釈器２９を経由して外部へと排出される。尚、本実施の形態における第９の流路３２および第１０の流路３３は、本願第２の発明における第１の流路に対応する。

このように、通常運転時における電解質膜の加湿は、加湿器で燃料電池に供給されるガスを加湿することにより行う。また、通常運転の際には、燃料電池の下流に気液分離器が位置するようにし、燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を気液分離器によって回収する。

次に、図２を参照しながら、燃料電池２が高出力運転をする場合について説明する。尚、図２で図１と同じ符号を付した部分は、同じものであることを示している。

図２において、第１の４方弁８は、第１の流路２３と第４の流路２６を接続し、第２の流路２４と第５の流路２７を接続している。また、第２の４方弁１２は、第７の流路３０と第１０の流路３３を接続し、第８の流路３１と第１１の流路３４を接続している。

コンプレッサ３で吐出された空気が、第１の流路２３から第１の４方弁８へ入るまでは、通常運転時と同様である。しかし、高出力運転時においては第１の４方弁８が切り替わり、燃料電池２の上流側に第１の気液分離器７が位置するようになる。これにより、空気は、第４の流路２６から第１の気液分離器７へ入る。このとき第１の排出弁３５を開いておくと、第１の気液分離器７の貯水部に貯蔵された水を、（本願第２の発明における第２の流路としての）第１２の流路３６から、第３の流路２５へ導くことができる。この場合、水が通過する流路は高温となっているので、水は第１２の流路３６内で気化した状態となって第３の流路２５へ流入し、空気とともに第３の流路２５から燃料電池２へと供給される。

上記のようにすることによって、燃料電池２の電解質膜（図示せず）を積極的に加湿することができる。また、第１の気液分離器７から第１２の流路３６を通って第３の流路２５へ導入される水が気化する際には、周囲から潜熱を奪うので、これにより燃料電池２を冷却することもできる。したがって、ラジエータ１５の小型化を図ることが可能となる。

燃料電池２から排出されたカソードオフガスは、第２の流路２４を経て第１の４方弁８によって第５の流路２７に入る。その後、加湿器６でカソードオフガスに含まれる水分を除去された後、第６の流路２８から希釈器２９を経由して外部へと排出される。

一方、アノード側においては、次のようにして電解質膜の加湿が行われる。

水素タンク９に貯蔵された水素が、第７の流路３０から第２の４方弁３０に入るまでは、通常運転時と同様である。しかし、高出力運転時においては、第２の４方弁３０が、燃料電池２の上流側に第２の気液分離器１１が位置するように切り替わる。これにより、空気は、第１０の流路３３から第２の気液分離器１１へ入る。このとき第２の排出弁３７を開いておくと、第２の気液分離器１１の貯水部に貯蔵された水を、（本願第２の発明における第２の流路としての）第１３の流路３８から、第９の流路３２へ導くことができる。この場合、水が通過する流路は高温となっているので、水は第１３の流路３８内で気化した状態となって第９の流路３２へ流入し、水素とともに第９の流路３２から燃料電池２へと供給される。

上記のようにすることによって、燃料電池２の電解質膜を積極的に加湿することができる。また、第２の気液分離器１１から第１３の流路３８を通って第９の流路３２へ導入される水が気化する際には、周囲から潜熱を奪うので、これにより燃料電池２を冷却することもできる。したがって、ラジエータ１５の小型化を図る点で、カソード側と同様に有利に作用する。

燃料電池２から排出されたアノードオフガスは、第８の流路３１を経て第２の４方弁１２によって第１１の流路３４に入る。その後、第５の排出弁４３より希釈器２９を経由して外部へと排出される。

以上述べたように、高出力運転時における電解質膜の加湿は、加湿器による加湿と、気液分離器に貯蔵された水を利用した加湿とによって行う。すなわち、気液分離器内の水をカソードガスやアノードガスとともに燃料電池に供給することによって、より積極的に電解質膜の加湿を行うことが可能となる。

図３は、本実施の形態における燃料電池システムの加湿方法を示すフローチャートである。この図に示すように、本実施の形態においては、４方弁を切り替えることによって、気液分離器が、通常運転時には燃料電池の下流側に位置し、高出力運転時には燃料電池の上流側に位置するようにしている。これにより、エジェクタ等の補機を使用せずに、気液分離器内の水を燃料電池に供給することが可能となる。このことについて、以下に詳述する。

燃料電池で生成した水を回収しようとする場合、燃料電池の下流側に気液分離器を設けなければならない。そして、気液分離器が燃料電池の下流側に位置した状態のままで、燃料電池に気液分離器内の水を供給しようとすると、上流側の圧力以上の圧力で水を送ることが必要となる。このため、エジェクタ等の補機が必要となって、コストや電力消費量の増大を招く。これに対して、本実施の形態では、４方弁を切り替えることによって、気液分離器を燃料電池の上流側に位置させることができるので、補機を設けずに燃料電池に水を供給することができる。したがって、コストや電力消費量の増大を最小限に抑えて、電解質膜の加湿を行うことが可能となる。

尚、本実施の形態の燃料電池システム１では、燃料電池２の運転を停止する際に、第３の排出弁３９および第４の排出弁４０を開いて、第１の気液分離器７および第２の気液分離器１１に貯蔵された水が外部に排出されるようにする。このようにすることによって、燃料電池システム１内で温度低下により水が凍結して流路を塞いでしまうなどの不具合が発生するのを防ぐことができる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。

例えば、図１および図２では、カソード側とアノード側のそれぞれに、電解質膜を積極的に加湿する機構を設けたが、本発明はこれに限られるものではない。カソード側およびアノード側のいずれか一方にのみこの機構を設けてもよい。

図４は、カソード側にのみ上記機構を設けた例であり、通常運転時の状態を表している。尚、図４において、図１および図２と同じ符号を付した部分は、同じものであることを示している。

図４で水素タンク９に貯蔵された水素は、第１４の流路４１から燃料電池２のアノードへと供給される。アノードでは、所定量の水素がカソードとの間の電極反応に消費される。次いで、燃料電池２から排出されたアノードオフガスは、第１５の流路４２を通り、第５の排出弁４３から希釈器２９を経由して外部へと排出される。このような構成であっても、本実施の形態の効果を得ることができる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、カソードオフガスおよびアノードオフガスの少なくとも一方を循環するシステムであってもよい。すなわち、上述したように、燃料電池から排出されるガスには、燃料電池の電極反応で生成した水分が含まれているので、オフガスを循環させることにより、燃料電池に供給されるガスを加湿することができる。したがって、この場合には、加湿器を不要とすることができる。

実施の形態２．
本実施の形態では、カソードガスおよびアノードガスの供給経路に、それぞれ複数の３方弁を設けることを特徴としている。後述するように、これらの３方弁を切り替えることによって、通常運転時および高出力運転時のそれぞれに対応した加湿を行うことが可能となる。

図５および図６は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図の一例である。図５は通常運転時に、図６は高出力運転時にそれぞれ対応している。また、これらの図において、矢印はガスの流れる方向を示している。尚、この燃料電池システムは、車載用や据え置き型などの種々の用途に適用可能である。

本実施の形態では、カソードガスとして空気を、アノードガスとして水素をそれぞれ用いる。但し、必ずしもこれらに限られるものではない。

図５および図６において、燃料電池システム５１は、水素と酸素を供給されて起電力を生じる燃料電池５２と、燃料電池５２のカソード（図示せず）に空気を供給するコンプレッサ５３と、コンプレッサ５３から吐出された空気を冷却するインタークーラ５４と、コンプレッサ５３から送られる空気の圧力を調整する空気調圧弁５５と、燃料電池５２から排出されたカソードオフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池５２に供給する空気を加湿する加湿器５６と、燃料電池５２から排出されたカソードオフガス中の水を分離する第１の気液分離器５７とを有する。そして、カソードガスおよびカソードオフガスの流路には、第１の３方弁５８、第２の３方弁５９および第３の３方弁６０が設けられている。すなわち、加湿器５６は、燃料電池５２から排出されたカソードオフガスに含まれる水分を第３の３方弁５８の下流側で回収し、また、回収した水分を第１の３方弁５８の上流側で燃料電池５２に供給される空気に送るように配置されている。

第１の気液分離器５７と、希釈器８３に至る第２７の流路８２とを接続する流路には、第１の排出弁９２と第３の排出弁１００が設けられている。第１の排出弁９２は、一端が燃料電池５２と第１の気液分離器５７の間で第２４の流路７９に接続し、他端が第１の気液分離器５７の貯水部に接続している。通常運転時においては、第１の排出弁９２および第３の排出弁１００はいずれも閉じている。

また、燃料電池システム５１は、燃料電池５２のアノード（図示せず）に供給する水素を貯蔵する水素タンク６１と、水素タンク６１から燃料電池５２に供給される水素の圧力を調整する水素レギュレータ６２と、燃料電池５２から排出されたアノードオフガス中の水を分離する第２の気液分離器６３とを有する。そして、アノードガスおよびアノードオフガスの流路には、第４の３方弁６４、第５の３方弁６５および第６の３方弁６６が設けられている。

第２の気液分離器６３と希釈器８３とを接続する流路には、第２の排出弁９６と第４の排出弁１０１が設けられている。第２の排出弁９６は、一端が燃料電池５２と第２の気液分離器６３の間で第３１の流路８７に接続し、他端が第２の気液分離器６３の貯水部に接続している。通常運転時においては、第２の排出弁９６および第４の排出弁１０１はいずれも閉じている。

さらに、燃料電池システム５１は、燃料電池５２を冷却する冷却装置６７を有する。冷却装置６７は、燃料電池５２に冷却水を送る冷却水ポンプ６８と、冷却水の熱を外部へ放出するラジエータ６９と、冷却水中のイオンを吸着するイオン交換器７０とを有する。イオン交換器７０は、冷却水の電気的絶縁性を維持することによって、冷却水を介した液絡現象を防ぐ役割を果たす。

燃料電池５２とラジエータ６９の間には、冷却水が循環する循環路７１が設けられている。また、循環路７１の他に、ラジエータ６９を迂回する第１の迂回路７２と第２の迂回路７３も設けられている。循環路７１と第１の迂回路７２の合流点にはサーモバルブ７４が設けられていて、所定の温度で冷却水の流路がいずれか一方に切り替わるようになっている。また、第２の迂回路７３には、イオン交換器７０が設けられている。これにより、第２の迂回路７３を通る冷却水中のイオンをイオン交換樹脂に吸着させて、冷却水中の電気的絶縁性が維持されるようにしている。

まず、図５を参照しながら、燃料電池５２が通常運転をする場合について説明する。

図５において、第１の３方弁５８は、第２１の流路７６と第２２の流路７７を接続している。また、第２の３方弁５９は、第２２の流路７７と第２３の流路７８を接続している。さらに、第３の３方弁６０は、第２５の流路８０と第２６の流路８１を接続している。一方、第４の３方弁６４は、第２８の流路８４と第２９の流路８５を接続している。また、第５の３方弁６５は、第２９の流路８５と第３０の流路８６を接続している。さらに、第６の３方弁６６は、第３２の流路８８と第３３の流路８９を接続している。

空気は、エアクリーナ７５でゴミなどの異物を除去された後にコンプレッサ５３に入る。そして、コンプレッサ５３から吐出された空気は、インタークーラ５４で冷却された後に、加湿器５６を経て第２１の流路７６に入る。次いで、第２１の流路７６から第１の３方弁５８によって第２２の流路７７に入り、さらに、第２の３方弁５９によって第２３の流路７８に入る。尚、本実施の形態における第２２の流路７７および第２３の流路７８は、本願第３の発明における第１の流路に対応する。

第２３の流路７８に入った空気は、ここから燃料電池５２のカソードへと供給される。そして、所定量の空気がアノードとの間の電極反応に消費される。

本実施の形態において、第１の３方弁５８は、通常運転時において、燃料電池５２の下流側に第１の気液分離器５７が位置するように作用する。また、第２の３方弁５９は、第１の３方弁５８によって送られてきた空気を燃料電池５２に供給するように作用する。このようにすることによって、燃料電池５２から排出されたカソードオフガスは、第２４の流路７９を経て第１の気液分離器５７に入るので、燃料電池５２での電極反応で生成した水を第１の気液分離器５７で回収することができる。

第１の気液分離器５７から排出されたカソードオフガスは、第２５の流路８０から第３の３方弁６０によって第２６の流路８１に入る。その後、加湿器５６でカソードオフガスに含まれる水分をさらに除去された後、第２７の流路８２から希釈器８３を経由して外部へと排出される。尚、本実施の形態における第２４の流路７９および第２５の流路８０は、本願第３の発明における第２の流路に対応する。

一方、水素タンク６１に貯蔵された水素は、第２８の流路８４から第４の３方弁６４によって第２９の流路８５に入り、さらに、第５の３方弁６５によって第３０の流路８６に入る。そして、ここから燃料電池５２のアノードへと供給される。アノードでは、所定量の水素がカソードとの間の電極反応に消費される。尚、本実施の形態における第２９の流路８５および第３０の流路８６は、本願第３の発明における第１の流路に対応する。

アノード側においても、カソード側と同様に、第４の３方弁６４および第５の３方弁６５が作用する。すなわち、第４の３方弁６４は、通常運転の際に、燃料電池５２の下流側に第２の気液分離器６３が位置するように作用する。また、第５の３方弁６５は、第４の３方弁６４によって送られてきた水素を燃料電池５２に供給するように作用する。このようにすることによって、燃料電池５２から排出されたアノードオフガスは、第３１の流路８７を経て第２の気液分離器６３に入るので、燃料電池５２での電極反応で生成した水を第２の気液分離器６３で回収することができる。

第２の気液分離器６３から排出されたアノードオフガスは、第３２の流路８８から第６の３方弁６６によって第３３の流路８９に入る。その後、第５の排出弁９０より希釈器８３を経由して外部へと排出される。尚、本実施の形態における第３１の流路８７および第３２の流路８８は、本願第３の発明における第２の流路に対応する。

このように、通常運転時における電解質膜の加湿は、加湿器で燃料電池に供給されるガスを加湿することにより行う。また、通常運転の際には、燃料電池の下流に気液分離器が位置するようにし、燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を気液分離器によって回収する。

次に、図６を参照しながら、燃料電池５２が高出力運転をする場合について説明する。

図６において、第１の３方弁５８は、第２１の流路７６と第３４の流路９１を接続している。また、第２の３方弁５９は、第３６の流路９４と第２３の流路７８を接続している。さらに、第３の３方弁６０は、第３６の流路９４と第２６の流路８１を接続している。一方、第４の３方弁６４は、第２８の流路８４と第３７の流路９５を接続している。また、第５の３方弁６５は、第３０の流路８６と第３９の流路９９を接続している。さらに、第６の３方弁６６は、第３９の流路９９と第３３の流路８９を接続している。

コンプレッサ５３で吐出された空気が第２１の流路７６から第１の３方弁５８へ入るまでは、通常運転時と同様である。しかし、高出力運転時においては第１の３方弁５８が切り替わり、燃料電池５２の上流側に第１の気液分離器５７が位置するようになる。これにより、空気は、（本願第３の発明における第４の流路としての）第３４の流路９１から、第２５の流路８０を経て第１の気液分離器５７へ入る。このとき第１の排出弁９２を開いておくと、第１の気液分離器５７の貯水部に貯蔵された水を、（本願第３の発明における第３の流路としての）第３５の流路９３から、第２４の流路７９へ導くことができる。この際、水が通過する流路は高温となっているので、水は第３５の流路９３内で気化した状態となって第２４の流路７９へ流入し、空気とともに第２４の流路７９から燃料電池５２へと供給される。

上記のようにすることによって、燃料電池５２の電解質膜（図示せず）を積極的に加湿することができる。また、第１の気液分離器５７から第３５の流路９３を通って第２４の流路７９へ導入される水が気化する際に、周囲から潜熱を奪うので、これにより燃料電池５２を冷却することもできる。したがって、ラジエータ６９の小型化を図ることが可能となる。

燃料電池５２から排出されたカソードオフガスは、第２３の流路７８を経て第２の３方弁５９によって第３６の流路９４に入る。その後、第３の３方弁６０によって第２６の流路８１に入り、さらに、加湿器５６でカソードオフガスに含まれる水分を除去された後、第２７の流路８２から希釈器８３を経由して外部へと排出される。

一方、アノード側においては、次のようにして電解質膜の加湿が行われる。

水素タンク６１に貯蔵された水素が、第２８の流路８４から第４の３方弁６４に入るまでは、通常運転時と同様である。しかし、高出力運転時においては第４の３方弁６４が切り替わり、燃料電池５２の上流側に第２の気液分離器６３が位置するようになる。これにより、水素は、（本願第３の発明における第４の流路としての）第３７の流路９５から、第３２の流路８８を経て第２の気液分離器６３へ入る。このとき第２の排出弁９６を開いておくと、第２の気液分離器６３の貯水部に貯蔵された水を、（本願第３の発明における第３の流路としての）第３８の流路９７から、第３１の流路８７へ導くことができる。この場合、水が通過する流路は高温となっているので、水は第３８の流路９７内で気化した状態となって第３１の流路８７へ流入し、水素とともに第３１の流路８７から燃料電池５２へと供給される。

上記のようにすることによって、燃料電池５２の電解質膜を積極的に加湿することができる。また、第２の気液分離器６３から第３８の流路９７を通って第３１の流路８７へ導入される水が気化する際に、周囲から潜熱を奪うので、これにより燃料電池５２を冷却することもできる。したがって、ラジエータ６９の小型化を図る点で、カソード側と同様に有利に作用する。

燃料電池５２から排出されたアノードオフガスは、第３０の流路８６を経て、第５の３方弁６５によって第３９の流路９９に入る。その後、第６の３方弁６６によって第３３の流路８９に入り、希釈器８３を経由して外部へと排出される。

以上述べたように、高出力運転時における電解質膜の加湿は、加湿器と、気液分離器に貯蔵された水を利用した加湿とによって行う。すなわち、気液分離器内の水を空気とともに燃料電池に供給することによって、より積極的に電解質膜の加湿を行うことが可能となる。

図７は、本実施の形態における燃料電池システムの加湿方法を示すフローチャートである。この図に示すように、本実施の形態においては、３方弁を切り替えることによって、気液分離器が、通常運転時には燃料電池の下流側に位置し、高出力運転時には燃料電池の上流側に位置するようにしている。これにより、実施の形態１と同様に、エジェクタ等の補機を使用せずに、気液分離器内の水を燃料電池に供給することが可能となる。

尚、本実施の形態の燃料電池システム５１では、燃料電池５２の運転を停止する際に、第３の排出弁１００および第４の排出弁１０１を開いて、第１の気液分離器５７および第２の気液分離器６３に貯蔵された水が外部に排出されるようにする。このようにすることによって、温度低下により水が凍結して流路を塞いでしまうなどの不具合が発生するのを防ぐことができる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。

例えば、図５および図６では、カソード側とアノード側のそれぞれに、電解質膜を積極的に加湿する機構を設けたが、本発明はこれに限られるものではない。カソード側およびアノード側のいずれか一方にのみこの機構を設けてもよい。

図８は、カソード側にのみ上記機構を設けた例であり、通常運転時の状態を表している。尚、図８において、図５および図６と同じ符号を付した部分は、同じものであることを示している。

図８において、空気は、エアクリーナ７５でゴミなどの異物を除去された後にコンプレッサ５３に入る。そして、コンプレッサ５３から吐出された空気は、インタークーラ５４で冷却された後に、加湿器５６を経て第４０の流路１０２に入る。次いで、ここから燃料電池５２のカソードへと供給され、所定量がアノードとの間の電極反応に消費される。その後、燃料電池５２から排出されたカソードオフガスは、第４１の流路１０３を経て加湿器５６に入る。そして、加湿器５６でカソードオフガスに含まれる水分を除去された後、第２７の流路８２から希釈器８３を経由して外部へと排出される。このような構成であっても、本実施の形態の効果を得ることができる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、カソードオフガスおよびアノードオフガスの少なくとも一方を循環するシステムであってもよい。すなわち、上述したように、燃料電池から排出されるガスには、燃料電池の電極反応で生成した水分が含まれているので、オフガスを循環させることにより、燃料電池に供給されるガスを加湿することができる。したがって、この場合には、加湿器を不要とすることができる。

尚、実施の形態１および２では、燃料電池が通常運転時であるか、高出力運転時であるかによって４方弁または３方弁を切り替える例について述べた。しかしながら、いずれの場合においても、高出力運転時であるか否かにかかわらず、燃料電池の加湿量が所定値より少なくなったところでこれらの弁を切り替えるようにすることもできる。例えば、燃料電池の加湿量を測定する加湿量測定手段としての湿度計を燃料電池から排出されるガスの出口付近に設けておき、湿度が１００％を下回ったところで弁を切り替えて、燃料電池の上流側に気液分離器が位置するようにすることができる。また、燃料電池システム内の水バランスが崩れる温度を予め把握しておき、この温度を超えたところで弁を切り替えて、燃料電池の上流側に気液分離器が位置するようにすることもできる。この場合は、加湿量測定手段としての温度計を燃料電池から排出されるガスの出口付近に設けておけばよい。

また、実施の形態１および２では、４方弁または３方弁によって燃料電池に供給されるガスの流路を切り替える例について述べた。しかし、燃料電池の下流側および上流側のいずれか一方に気液分離器が位置するように、燃料電池に供給されるガスの流路を切り替える切り替え手段であれば、４方弁や３方弁以外の他の手段であってもよい。

実施の形態１における燃料電池システムの構成図の一例であり、通常運転時の状態を示している。 実施の形態１における燃料電池システムの構成図の一例であり、高出力運転時の状態を示している。 実施の形態１における燃料電池システムの加湿方法を示すフローチャートである。 実施の形態１における燃料電池システムの構成図の他の例である。 実施の形態２における燃料電池システムの構成図の一例であり、通常運転時の状態を示している。 実施の形態２における燃料電池システムの構成図の一例であり、高出力運転時の状態を示している。 実施の形態２における燃料電池システムの加湿方法を示すフローチャートである。 実施の形態２における燃料電池システムの構成図の他の例である。

符号の説明

１，５１ 燃料電池システム
２，５２ 燃料電池
３，５３ コンプレッサ
４，５４ インタークーラ
５，５５ 空気調圧弁
６，５６ 加湿器
７，５７ 第１の気液分離器
８ 第１の４方弁
９，６１ 水素タンク
１０，６２ 水素レギュレータ
１１，６３ 第２の気液分離器
１２ 第２の４方弁
１３，６７ 冷却装置
１４，６８ 冷却水ポンプ
１５，６９ ラジエータ
１６，７０ イオン交換器
１７，７１ 循環路
１８，７２ 第１の迂回路
１９，７３ 第２の迂回路
２０，７４ サーモバルブ
５８ 第１の３方弁
５９ 第２の３方弁
６０ 第３の３方弁
６４ 第４の３方弁
６５ 第５の３方弁
６６ 第６の３方弁

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、
   前記燃料電池と前記気液分離器を接続する第１の流路に一端が接続し、前記気液分離器に他端が接続する第２の流路と、
   前記燃料電池の下流側および上流側のいずれか一方に前記気液分離器が位置するように、前記燃料電池に供給されるガスの流路を切り替える切り替え手段と、
   前記第２の流路に設けられて、前記燃料電池の上流側に前記気液分離器が位置するときに開かれる排出弁とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池と、
   前記燃料電池に供給されるガスの流路および前記燃料電池から排出されるガスの流路に設けられた４方弁と、
   前記燃料電池と前記４方弁を接続する第１の流路に設けられて、前記燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、
   一端が前記燃料電池と前記気液分離器の間で前記第１の流路に接続し、他端が前記気液分離器の貯水部に接続する第２の流路と、
   前記第２の流路に設けられた排出弁とを有し、
   前記４方弁の操作によって、前記燃料電池の下流側および上流側のいずれか一方に前記気液分離器が位置するように、前記燃料電池に供給されるガスの流路が切り替わり、前記燃料電池の上流側に前記気液分離器が位置するときに前記排出弁が開くことを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を前記４方弁の下流側で回収し、該水分を前記４方弁の上流側で前記燃料電池に供給されるガスに送る加湿器を有する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料電池と、
   前記燃料電池に供給されるガスの流路に設けられた第１の３方弁と、
   前記燃料電池と前記第１の３方弁を接続する第１の流路に設けられた第２の３方弁と、
   前記燃料電池から排出されるガスの流路に設けられて、前記第２の３方弁に接続する第３の３方弁と、
   前記燃料電池と前記第３の３方弁を接続する第２の流路に設けられて、前記燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、
   一端が前記燃料電池と前記気液分離器の間で前記第２の流路に接続し、他端が前記気液分離器の貯水部に接続する第３の流路と、
   前記第３の流路に設けられた排出弁と、
   一端が前記第３の３方弁と前記気液分離器の間で前記第２の流路に接続し、他端が前記第１の３方弁に接続する第４の流路と、
   前記第１の３方弁、前記第２の３方弁および前記第３の３方弁の操作によって、前記燃料電池の下流側および上流側のいずれか一方に前記気液分離器が位置するように、前記燃料電池に供給されるガスの流路が切り替わり、前記燃料電池の上流側に前記気液分離器が位置するときに前記排出弁が開くことを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記燃料電池から排出されたガスに含まれる水分を前記第３の３方弁の下流側で回収し、該水分を前記第１の３方弁の上流側で前記燃料電池に供給されるガスに送る加湿器を有する請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の加湿量を測定する加湿量測定手段をさらに有し、
   前記加湿量が所定値以上である場合に、前記燃料電池の下流側に前記気液分離器が位置するように前記燃料電池に供給されるガスの流路が切り替わり、前記加湿量が所定値未満である場合に、前記燃料電池の上流側に前記気液分離器が位置するように前記燃料電池に供給されるガスの流路が切り替わる請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記加湿量測定手段は、前記燃料電池から排出されるガスの出口に設けられて該ガスの湿度を測定する湿度計である請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記加湿量測定手段は、前記燃料電池から排出されるガスの出口に設けられて該ガスの温度を測定する温度計である請求項６に記載の燃料電池システム。

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