JP4098486B2 - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP4098486B2 JP4098486B2 JP2001103276A JP2001103276A JP4098486B2 JP 4098486 B2 JP4098486 B2 JP 4098486B2 JP 2001103276 A JP2001103276 A JP 2001103276A JP 2001103276 A JP2001103276 A JP 2001103276A JP 4098486 B2 JP4098486 B2 JP 4098486B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- water
- recovery chamber
- fuel cell
- flow path
- water level
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 114
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 325
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 104
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 88
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 55
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 37
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 31
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 14
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 14
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 12
- 210000005056 cell body Anatomy 0.000 claims description 11
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 6
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 15
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 9
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 4
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に酸化剤極から排出される排ガス中の水分を有効利用できる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギを熱エネルギや機械エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換するため、高いエネルギ変換効率が実現可能な発電装置として知られている。
【０００３】
この燃料電池は、酸化剤極に酸素を含有する酸化剤ガスの供給を受け、燃料極に水素を含有する燃料ガスの供給を受ける。燃料極では（１）式に示す電気化学反応により水素が電離して水素イオンと電子になる。電子は外部回路を通じて酸化剤極に到達し、水素イオンは酸化剤極まで電解質中を移動する。酸化剤極では、（２）式に示す電気化学反応により水が生じる。燃料電池全体としては、（３）式の化学反応が生じたことになる。
【０００４】
【数１】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ …（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …（３）
このように、燃料電池における電気化学反応では、水素と酸素から水が生じる。また燃料電池の電解質層の乾燥によるイオン伝導性の低下を防ぐ目的で、燃料ガスや酸化ガスには水蒸気が加えられている。このため、酸化剤極出口から排出される排ガス中には、加湿された水分に加えて、電気化学反応による生成水が含まれている。通常、この排ガス中の水分は、酸化剤極の出口に備えられた水回収用の熱交換器（コンデンサ）により水分を凝縮させて回収し、加湿器で消費した水分を補うべく再循環させている。
【０００５】
このような従来技術としては、例えば特開２０００−３０７２７号公報記載の燃料電池システムが知られている。この技術によれば、燃料電池スタックから排出される空気中の水蒸気を回収する水回収装置を設け、水供給系のタンクの水量に応じて、水回収装置の電動冷却ファンをオン・オフ制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムを車両に搭載するためには、燃料電池システム中のかなりの重量及び容積を占める燃料電池本体を車両の床下など安全な位置に配置する必要がある。また燃料電池本体の酸化剤極から排出された排ガス中の水分を熱交換器（コンデンサ）によって回収し、この回収された水分を加湿器に供給するための純水タンクに戻す必要がある。上記のことを考慮し、さらに車両搭載性を考慮すると、必然的に、純水タンクの上部に熱交換器を配置することとなる。このため、燃料電池本体が床下近傍で、かつ、熱交換器が燃料電池本体よりも高い位置にあるため、燃料電池システムの運転状態によっては、燃料電池本体の酸化剤極から排出される生成水と水分を含む排ガス中の水分が熱交換器へ至る配管中で凝縮して、溜まる可能性がある。このため、溜まった純水を純水供給タンクに戻すために、わざわざ水ポンプなどを設置しなければならないという問題点があった。
【０００７】
また、燃料電池本体の酸化剤極から排出される排ガスから回収された純水は、比較的高温となっているが、これを直接純水タンクに戻したのでは、この熱エネルギーを利用できないという問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃料電池本体と、燃料電池から水回収用の熱交換器へ至る配管内に溜まる水を、ポンプ等を設けることなく純水タンクへ回収することができる燃料電池システムを提供することである。
【０００９】
また本発明の目的は、燃料電池本体の酸化剤極から排出される排ガスから回収された高温の純水が持つ熱エネルギーを利用し、加湿器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である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、所望の流量及び圧力で水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、空気を圧縮して所望の流量及び圧力で吐出することができる空気コンプレッサと、該空気コンプレッサから吐出された圧縮空気を冷却する空気冷却器と、該空気冷却器で冷却された空気及び前記燃料ガスを密閉型純水タンクから供給された純水でそれぞれ加湿して前記燃料電池本体に供給するための加湿器と、前記燃料電池本体の酸化剤極出口から排出される排ガスを冷却して水分を回収する熱交換器と、前記燃料電池本体の酸化剤極出口と前記熱交換器とを連通する排ガス流路の下方に配設された水回収用チャンバと、該水回収用チャンバと前記排ガス流路との間を開閉する第１の開閉バルブと、を備え、前記空気冷却器と前記加湿器とを接続する空気流路上に、前記水回収用チャンバを経由する流路と該水回収用チャンバをバイパスするバイパス流路とを切り換える流路切換弁を配設し、該流路切換弁が前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えているとき、前記空気冷却器で冷却された空気が前記水回収用チャンバ内で加湿された後に前記加湿器で加湿されることを要旨とする燃料電池システムである。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記密閉型純水タンクと前記水回収用チャンバとの間を開閉する第２の開閉バルブを備えたことを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記水回収用チャンバから前記燃料電池システム外へ余分な水を排出する第３の開閉バルブを備えたことを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記水回収用チャンバの水位を検知する第１の水位センサを備えたことを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項５記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上の場合には、前記第１、第２、及び第３の開閉バルブを全て閉じる一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記水回収用チャンバで加湿を行った空気を前記加湿器に流入させることを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項６記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値未満の場合には、前記第１の開閉バルブを開き、前記第２及び第３の開閉バルブを閉じる一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバをバイパスするバイパス流路に切り換えて、前記水回収用チャンバを通過しない空気を前記加湿器に流入させることを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項７記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記密閉型純水タンクの水位を検出する第２の水位センサを備え、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上で、かつ前記第２の水位センサが検出した前記密閉型純水タンクの水位が所定値未満の場合には、前記第１、及び第３の開閉バルブを閉じ、前記第２の開閉バルブを開く一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記空気コンプレッサの吐出圧力により、前記水回収用チャンバから前記密閉型純水タンクへ水を移送することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項８記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記密閉型純水タンクの水位を検出する第２の水位センサを備え、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上で、かつ前記第２の水位センサが検出した前記密閉型純水タンクの水位が所定値以上の場合には、前記第１、及び第２の開閉バルブを閉じ、前記第３の開閉バルブを開く一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記空気コンプレッサの吐出圧力により、前記水回収用チャンバから余分な水を燃料電池システム外へ排出することを要旨とする。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、所望の流量及び圧力で水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、空気を圧縮して所望の流量及び圧力で吐出することができる空気コンプレッサと、該空気コンプレッサから吐出された圧縮空気を冷却する空気冷却器と、該空気冷却器で冷却された空気及び前記燃料ガスを密閉型純水タンクから供給された純水でそれぞれ加湿して前記燃料電池本体に供給するための加湿器と、前記燃料電池本体の酸化剤極出口から排出される排ガスを冷却して水分を回収する熱交換器と、前記燃料電池本体の酸化剤極出口と前記熱交換器とを連通する排ガス流路の下方に配設された水回収用チャンバと、該水回収用チャンバと前記排ガス流路との間を開閉する第１の開閉バルブと、を備え、前記空気冷却器と前記加湿器とを接続する空気流路上に、前記水回収用チャンバを経由する流路と該水回収用チャンバをバイパスするバイパス流路とを切り換える流路切換弁を配設し、該流路切換弁が前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えているとき、前記空気冷却器で冷却された空気が前記水回収用チャンバ内で加湿された後に前記加湿器で加湿されるようにしたので、排ガスを冷却して水分を回収する熱交換器を例えば燃料電池本体よりも高い位置に配置しても両者を連通する排ガス流路に溜まる凝縮水を第１の開閉バルブを開いて水回収用チャンバへ回収することができるという効果がある。
【００２０】
また、密閉型純水タンクに戻りきらなかった凝縮水を再利用することができるとともに、予め水回収用チャンバ内で加湿された空気を加湿器が加湿するので加湿器の負担が減少し、加湿器を小型化することができるという効果がある。
【００２１】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記密閉型純水タンクと前記水回収用チャンバとの間を開閉する第２の開閉バルブを備えたことにより、水回収用チャンバ内の純水を密閉型純水タンクに戻して再利用することができるという効果がある。
【００２２】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明の効果に加えて、前記水回収用チャンバから前記燃料電池システム外へ余分な水を排出する第３の開閉バルブを備えたことにより、純水の量が過剰となった場合、燃料電池システム外へ排水管から排水して純水の量を適度に保つことができるという効果がある。
【００２３】
請求項４の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、前記水回収用チャンバの水位を検知する第１の水位センサを備えたことにより、水回収用チャンバの水位を正確に制御することができるという効果がある。
【００２４】
請求項５の発明によれば、請求項４の発明の効果に加えて、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上の場合には、前記第１、第２、及び第３の開閉バルブを全て閉じる一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記水回収用チャンバで加湿を行った空気を前記加湿器に流入させるようにしたので、水回収用チャンバ内に純水が充分あるときに、これにより加湿した空気を加湿器へ供給し、加湿器における純水の消費量を低減することができるという効果がある。
【００２５】
請求項６の発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値未満の場合には、前記第１の開閉バルブを開き、前記第２及び第３の開閉バルブを閉じる一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバをバイパスするバイパス流路に切り換えて、前記水回収用チャンバを通過しない空気を前記加湿器に流入させるようにしたので、燃料電池本体の酸化剤極出口と熱交換器とを連通する排ガス流路に滞留した凝縮水を速やかに水回収用チャンバに回収することができるという効果がある。
【００２６】
請求項７の発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、前記密閉型純水タンクの水位を検出する第２の水位センサを備え、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上で、かつ前記第２の水位センサが検出した前記密閉型純水タンクの水位が所定値未満の場合には、前記第１の開閉バルブ及び前記第３の開閉バルブを閉じ、前記第２の開閉バルブを開く一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記空気コンプレッサの吐出圧力により、前記水回収用チャンバから前記密閉型純水タンクへ水を移送するようにしたので、純水回収用のポンプを設けることなく、密閉型純水タンクへ純水を供給することができるという効果がある。
【００２７】
請求項８の発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、前記密閉型純水タンクの水位を検出する第２の水位センサを備え、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上で、かつ前記第２の水位センサが検出した前記密閉型純水タンクの水位が所定値以上の場合には、前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブを閉じ、前記第３の開閉バルブを開く一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記空気コンプレッサの吐出圧力により、前記水回収用チャンバから余分な水を燃料電池システム外へ排出するようにしたので、純水のオーバフローによる空気の圧力上昇などを防止することができるという効果がある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図であり、燃料電池車両に好適な燃料電池システムを示している。同図において、燃料電池本体（燃料電池スタック）２は、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対向配置した燃料電池構造体をセパレータで扶持し、複数これを積層したものである。また、加湿器１は、燃料ガスとしての水素、酸化剤ガスとしての空気をそれぞれ半透膜を介して純水と隣接させ、水分子が半透膜を通過することにより、それぞれのガスに加湿を行うものである。
【００２９】
水素タンク４に貯えられた水素ガスは、図示しない調圧弁により調圧された後、加湿器１により加湿されて、燃料電池本体２の燃料極の入口に供給される。燃料極の出口からの排気は、エゼクタ（水素循環装置）３にて水素タンク４から新たに供給される水素ガスと合流・混合させられて、加湿器１を介して、燃料電池本体２の燃料極に再循環させられる。
【００３０】
酸化剤としての空気は、空気コンプレッサ１２によって圧縮された後、空気冷却器１１により冷却されて、水回収用チャンバ９またはバイパス流路１０のいずれか一方の流路を介して加湿器１に供給される。この空気流路を切り換えるのが３方弁１９及び２２（流路切換弁）である。即ち、空気冷却器１１からの空気は、これら３方弁１９、２２の開状態のとき水回収用チャンバ９を通り、３方弁１９、２２が閉状態のときバイパス流路１０を通って加湿器１に流入する。加湿器１で加湿された空気は、燃料電池本体２の酸化剤極入口へ供給される。
【００３１】
燃料電池本体２の酸化剤極の出口からの排気は、水蒸気と液水を含んでいるため、コンデンサ（熱交換器）５によって水分を凝縮させた後、密閉型純水タンク６へ流入する。排気と水とは密閉型純水タンク６で分離され、排気は排圧調整バルブ２４を介して大気に放出され、水は密閉型純水タンク６に貯留される。密閉型純水タンク６内の水は、水ポンプ７で加湿器１へ圧送され、一部が加湿により消費されて、残った水が密閉型純水タンク６に戻される。また、密閉型純水タンク６の内部には、その水位を検出する水位センサ２６が設けられている。
【００３２】
コンデンサ５は、液冷式のコンデンサであり、コンデンサ５を冷却する冷却液は、ラジエータ１４から、ポンプ１６、電力制御装置１３、空気コンプレッサ１２、空気冷却器１１、コンデンサ５を経て、ラジエータ１４に戻る経路で循環するようになっている。尚、コンデンサ５への冷却水流入口と同流出口との間には、通常閉状態の開閉バルブ２３が設けられている。開閉バルブ２３を開いたとき、冷却水がコンデンサ５をバイパスして、コンデンサ５では殆ど水分が凝縮されないようになっている。電力制御装置１３は、電気自動車の電力を制御する装置であり、燃料電池の高圧直流電圧を補機用の低圧（例えば１２Ｖ）直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ、或いは交流駆動モータ用の交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ等を含むものである。さらに駆動モータ自体に冷却の必要があれば、上記冷却系に組み込んでもかまわない。尚、図示しないが燃料電池本体２を冷却する冷却系が別途設けられている。
【００３３】
ここで、燃料電池本体２とコンデンサ５は排ガス流路８ａの配管で連通しているため、排ガス流路８ａ内部に液水や凝縮した水分が溜まり、排気が円滑にコンデンサ５へ流れにくくなる。特に、燃料電池本体２は、本燃料電池システムのかなりの容積と重量を占めるので、車載用としては、車両の重心を低下させるために車両の底部等の低い位置に配設されているが、コンデンサ５は、燃料電池本体２より小型軽量であるので配置の自由度が大きく、コンデンサ５が燃料電池本体２より高い位置に配設される場合には、排ガス流路８ａ内部に液水や凝縮した水分が溜まり、排気が著しく流れにくくなる。
【００３４】
このため、本発明では、排ガス通路８ａから下方へ分岐する分岐ガス流路である排ガス流路８ｂを設け、排ガス流路８ｂの下端部に水回収用チャンバ９と、排ガス流路８ａと水回収用チャンバ９との連通を開閉する開閉バルブ１８（第１の開閉バルブ）とを設けている。水回収用チャンバ９の内部には、水位センサ２５が設けられ、水位センサ２５が検出した水位に応じて、開閉バルブ２１（第２の開閉バルブ）を介して水回収用チャンバ９から密閉純水タンク６へ送水できるようになっている。さらに過剰な水を水回収用チャンバ９から燃料電池システム外へ排出するための開閉バルブ２０（第３の開閉バルブ）が設けられている。水位センサ２５、２６が検出する各水位の信号は、図示しない制御装置へ入力され、制御装置は、これらの水位に応じて、開閉バルブ１８、２０、２１、２３、及び３方弁１９、２２を制御できるようになっている。
【００３５】
図２、図３は、燃料電池システム起動時の制御を説明するフローチャートである。図２において、燃料電池システムの起動時においては、まず開閉バルブ１８，２０，２１，２３及び三方弁１９，２２は全て閉となるように制御される（Ｓ１０〜Ｓ２０）。次いで密閉型純水タンク６の水位センサ２６が検出する水位：Ｌ２の値が読み込まれ（Ｓ２２）、燃料電池起動に要する最低水位ＴＬ以上か否かを判定する（Ｓ２４）。Ｌ２がＴＬ以上であれば、図３のバルブ制御（Ｓ３０）へ移る。Ｌ２がＴＬ未満であれば、水漏れ等により最低水位に満たなかったものとして、起動を中止しシステム終了する。
【００３６】
図３のＳ３０では、水回収用チャンバ９の水位センサ２５が検出する水位：Ｌ１の値を読み込み（Ｓ３２）、Ｌ１が所定の低レベルしきい値ＣＬを超えているか否かを判定する（Ｓ３４）。Ｌ１がＣＬを超えていなければ、開閉バルブ１８を開いて、燃料電池本体２とコンデンサ５とを連通する排ガス流路８ａと、水回収用チャンバ９と、を連通させ、排ガス流路８ａで凝縮した水分を水回収用チャンバ９に流下させるようにして（Ｓ３６）、Ｓ３２へ戻る。Ｓ３４の判定でＬ１がＣＬを超えていれば、燃料電池の運転モードである定常・過渡バルブ制御を行うため、図４のＳ４０へ移る。
【００３７】
本発明の実施形態として、燃料電池システムの起動時においては、空気コンプレッサ１２から所定の流量および圧力にて酸化剤ガスを吐出して、加湿器１にて所定の露点まで加湿して燃料電池本体２に供給する。ここで、三方弁１９，２２が閉じているので、酸化剤ガスは、水回収用チャンバ９内を通過しないでバイパス流路１０を介して加湿器１に流入するようになっている。一方、水素タンク４から吐出された燃料ガスも、加湿器１にて所定の露点まで加湿して燃料電池本体２に供給する。このとき、排圧調整バルブ１７および２４にて燃料電池本体２へ供給する各々のガス供給圧力を調整する。
【００３８】
このようにして燃料電池で発電を開始すると、燃料電池システム全体が定常運転温度まで暖まっていないので、燃料電池本体２の酸化剤極から排出される酸化ガス中に含まれる水分が排ガス流路８ａ内で凝縮し、コンデンサ５に至らず排ガス流路８ａ中に溜まり、さらに、燃料電池の発電によって生成した純水もコンデンサ５に至らず排ガス流路８ａ中に溜まることが予想される。この要因は、燃料電池本体２とコンデンサ５の車両レイアウトでの相対的な位置（高低差）が大きく寄与しており、かつ、起動時においては燃料電池本体２に供給する酸化剤ガスおよび燃料ガスの流量および圧力は高くないことから上記の現象が起きる。
【００３９】
そこで、燃料電池システム起動時は、開閉バルブ１８を開き、排ガス流路８ａで凝縮する水を水回収用チャンバ９内に流下させる。このように制御することによって、排ガス流路８ａ内で凝縮する、あるいは、コンデンサ５まで至らない純水によって、酸化剤極の圧力上昇や、圧力変動などを防止することが可能となる。
【００４０】
次に、水回収用チャンバ９に一時的に溜まった純水が水位センサ２５によりある所定の低レベルしきい値ＣＬを超えた場合、三方弁１９，２２を開にし、開閉バルブ１８を閉じ、空気コンプレッサ１２により吐出された酸化剤ガスを水回収用チャンバ９を通過させることによって、一時的に溜めた純水により加湿器１に入る前に空気を予め加湿して加湿器１に流入させる。このように制御することで加湿器１での純水の消費量を削減することができ、かつ、余剰水となっている純水を再利用することができる。以上についてのバルブ制御のフローチャートを図４に示す。
【００４１】
図４の定常・過渡バルブ制御（Ｓ４０）において、まず、水回収用チャンバ９の水位センサ２５が検出する水位：Ｌ１の値を読み込み（Ｓ４２）、Ｌ１が所定の高レベルしきい値ＣＨを超えているか否かを判定する（Ｓ４４）。Ｌ１がＣＨを超えていれば、図５の水の移動制御（Ｓ６０）へ移る。Ｌ１がＣＨを超えていなければ、Ｌ１が所定の低レベルしきい値ＣＬ未満か否かを判定する（Ｓ４６）。Ｌ１がＣＬ未満であれば、３方弁１９、２２を閉じて空気冷却器１１で冷却された空気が水回収用チャンバ９をバイパスするバイパス流路１０を通じて加湿器１に供給されるようにし（Ｓ５４、Ｓ５６）、開閉バルブ１８を開いて排ガス流路８ａに溜まった凝縮水を水回収用チャンバ９へ流下させるようにして（Ｓ５８）、Ｓ３０のバルブ制御へ移る。
【００４２】
Ｓ４６の判定で、Ｌ１がＣＬ未満でなければ、水回収用チャンバ９の水位が適切であるので、水回収用チャンバ９で空気に対して補助的な加湿を行った後、加湿器１で加湿されるように、開閉バルブ１８を閉じて水回収チャンバ９から排ガス流路８ａへの空気の逆流を防ぎ（Ｓ４８）、３方弁１９、２２を開くことにより空気冷却器１１からの空気が水回収用チャンバ９を通って加湿器１へ供給されるようにして（Ｓ５０、Ｓ５２）、Ｓ４２へ戻る。
【００４３】
一方、水回収用チャンバ９に一時的に溜まる純水量が多く、ある所定の高レベルしきい値ＣＨより高くなった場合は、密閉型純水タンク６内の純水の量を水位センサ２６により検知し、所定の高レベルしきい値ＴＨ以下であれば、水回収用チャンバ９に溜まった純水を密閉型純水タンク６に移動させる。この場合、水回収用チャンバ９と密閉型純水タンク６との間を連通するため開閉バルブ２１を開き、空気コンプレッサ１２により吐出された空気の圧力を利用して、密閉型純水タンク６に純水を戻す。そして、水回収用チャンバ９に溜まった純水を密閉型純水タンク６に戻した後、再度、図４に示した定常・過渡バルブ制御を行う。
【００４４】
図５は、水回収用チャンバ９から密閉型純水タンク６への水の移動制御を説明するフローチャートである。まず、密閉型純水タンク６の水位センサ２６が検出する水位：Ｌ２の値を読み込み（Ｓ６２）、Ｌ２が所定の高レベルしきい値ＴＨを超えているか否かを判定する（Ｓ６４）。Ｌ２がＴＨを超えていれば、水分過剰なので図６の水排出制御（Ｓ８０）へ移る。Ｌ２がＴＨを超えていなければ、開閉バルブ２１を開いて（Ｓ６６）、水回収用チャンバ９の水位センサ２５が検出する水位：Ｌ１の値を読み込み（Ｓ６８）、Ｌ１が所定の高レベルしきい値ＣＨ未満か否かを判定する（Ｓ７０）。Ｌ１がＣＨ未満となれば、開閉バルブ２１を閉じて水の移動を終了し（Ｓ７２）、定常・過渡バルブ制御（Ｓ４０）へ戻る。Ｓ７０の判定で、Ｌ１がＣＨ未満でなければ、未満となるまで水の移動を続けるため、Ｓ６８へ戻る。
【００４５】
このように制御を行うことによって、水回収用チャンバ９と密閉型純水タンク６との間に水ポンプなどを必要とせず、純水を密閉型純水タンク６に戻すことが可能となる。
【００４６】
次に、水回収用チャンバ９および密閉型純水タンク６内の純水量が水位センサ２５，２６によりあらかじめ定められた所定値より大きい場合は、開閉バルブ２０を開き、水回収用チャンバ９から燃料電池システム外へ純水を排出する。この時、コンデンサ５にて燃料電池本体２の酸化剤極から排出される排ガスに含まれる水蒸気を液水として回収しないように、冷却水バイパス用の開閉バルブ２３を開き、コンデンサ５に冷却水を流さないように制御する。
【００４７】
図６は、上記の水分過剰時の水排出制御を説明するフローチャートである。まず、開閉バルブ２３、２０を開き（Ｓ８２、Ｓ８４）、水回収用チャンバ９の水位センサ２５が検出する水位：Ｌ１の値を読み込み（Ｓ８６）、Ｌ１が所定の高レベルしきい値ＣＨを超えるか否かを判定する（Ｓ８８）。Ｌ１がＣＨを超えていれば、水位を監視しつつ排水を続けるためＳ８６へ戻る。Ｌ１がＣＨを超えていなければ、開閉バルブ２０、２３を閉じて排水を終了し（Ｓ９０、Ｓ９２）、定常・過渡バルブ制御（Ｓ４０）へ戻る。
【００４８】
以上の制御により水分過剰時には、コンデンサ５で酸化剤極の排ガス中の水分を回収しないため、冷却系のラジエータ１４における放熱量を低減させることができ、省燃費化につながる。また、水余り現象に伴う酸化剤極の圧力上昇や圧力変動を回避でき、省燃費化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。
【図２】燃料電池起動時の動作を説明するフローチャートである。
【図３】燃料電池起動時の動作を説明するフローチャートである。
【図４】燃料電池システムの定常運転時及び過渡運転時のバルブ制御を説明するフローチャートである。
【図５】水回収用チャンバから密閉型純水タンクへの水の移動制御を説明するフローチャートである。
【図６】過剰な水分を排出する水排出制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１ 加湿器
２ 燃料電池本体
３ エゼクタ
４ 水素タンク
５ コンデンサ
６ 密閉型純水タンク
７ 水ポンプ
８ａ、８ｂ 排ガス流路
９ 水回収用チャンバ
１０ バイパス流路
１１ 空気冷却器
１２ 空気コンプレッサ
１３ 電力制御装置
１４ ラジエータ
１５ ラジエータファン
１６ 冷却水ポンプ
１７ 排圧調整バルブ
１８ 開閉バルブ（第１の開閉バルブ）
１９ 三方弁（流路切換弁）
２０ 開閉バルブ（第３の開閉バルブ）
２１ 開閉バルブ（第２の開閉バルブ）
２２ 三方弁（流路切換弁）
２３ 開閉バルブ
２４ 排圧調整バルブ
２５ 水位センサ
２６ 水位センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に酸化剤極から排出される排ガス中の水分を有効利用できる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギを熱エネルギや機械エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換するため、高いエネルギ変換効率が実現可能な発電装置として知られている。
【０００３】
この燃料電池は、酸化剤極に酸素を含有する酸化剤ガスの供給を受け、燃料極に水素を含有する燃料ガスの供給を受ける。燃料極では（１）式に示す電気化学反応により水素が電離して水素イオンと電子になる。電子は外部回路を通じて酸化剤極に到達し、水素イオンは酸化剤極まで電解質中を移動する。酸化剤極では、（２）式に示す電気化学反応により水が生じる。燃料電池全体としては、（３）式の化学反応が生じたことになる。
【０００４】
【数１】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ …（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …（３）
このように、燃料電池における電気化学反応では、水素と酸素から水が生じる。また燃料電池の電解質層の乾燥によるイオン伝導性の低下を防ぐ目的で、燃料ガスや酸化ガスには水蒸気が加えられている。このため、酸化剤極出口から排出される排ガス中には、加湿された水分に加えて、電気化学反応による生成水が含まれている。通常、この排ガス中の水分は、酸化剤極の出口に備えられた水回収用の熱交換器（コンデンサ）により水分を凝縮させて回収し、加湿器で消費した水分を補うべく再循環させている。
【０００５】
このような従来技術としては、例えば特開２０００−３０７２７号公報記載の燃料電池システムが知られている。この技術によれば、燃料電池スタックから排出される空気中の水蒸気を回収する水回収装置を設け、水供給系のタンクの水量に応じて、水回収装置の電動冷却ファンをオン・オフ制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムを車両に搭載するためには、燃料電池システム中のかなりの重量及び容積を占める燃料電池本体を車両の床下など安全な位置に配置する必要がある。また燃料電池本体の酸化剤極から排出された排ガス中の水分を熱交換器（コンデンサ）によって回収し、この回収された水分を加湿器に供給するための純水タンクに戻す必要がある。上記のことを考慮し、さらに車両搭載性を考慮すると、必然的に、純水タンクの上部に熱交換器を配置することとなる。このため、燃料電池本体が床下近傍で、かつ、熱交換器が燃料電池本体よりも高い位置にあるため、燃料電池システムの運転状態によっては、燃料電池本体の酸化剤極から排出される生成水と水分を含む排ガス中の水分が熱交換器へ至る配管中で凝縮して、溜まる可能性がある。このため、溜まった純水を純水供給タンクに戻すために、わざわざ水ポンプなどを設置しなければならないという問題点があった。
【０００７】
また、燃料電池本体の酸化剤極から排出される排ガスから回収された純水は、比較的高温となっているが、これを直接純水タンクに戻したのでは、この熱エネルギーを利用できないという問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃料電池本体と、燃料電池から水回収用の熱交換器へ至る配管内に溜まる水を、ポンプ等を設けることなく純水タンクへ回収することができる燃料電池システムを提供することである。
【０００９】
また本発明の目的は、燃料電池本体の酸化剤極から排出される排ガスから回収された高温の純水が持つ熱エネルギーを利用し、加湿器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である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、所望の流量及び圧力で水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、空気を圧縮して所望の流量及び圧力で吐出することができる空気コンプレッサと、該空気コンプレッサから吐出された圧縮空気を冷却する空気冷却器と、該空気冷却器で冷却された空気及び前記燃料ガスを密閉型純水タンクから供給された純水でそれぞれ加湿して前記燃料電池本体に供給するための加湿器と、前記燃料電池本体の酸化剤極出口から排出される排ガスを冷却して水分を回収する熱交換器と、前記燃料電池本体の酸化剤極出口と前記熱交換器とを連通する排ガス流路の下方に配設された水回収用チャンバと、該水回収用チャンバと前記排ガス流路との間を開閉する第１の開閉バルブと、を備え、前記空気冷却器と前記加湿器とを接続する空気流路上に、前記水回収用チャンバを経由する流路と該水回収用チャンバをバイパスするバイパス流路とを切り換える流路切換弁を配設し、該流路切換弁が前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えているとき、前記空気冷却器で冷却された空気が前記水回収用チャンバ内で加湿された後に前記加湿器で加湿されることを要旨とする燃料電池システムである。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記密閉型純水タンクと前記水回収用チャンバとの間を開閉する第２の開閉バルブを備えたことを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記水回収用チャンバから前記燃料電池システム外へ余分な水を排出する第３の開閉バルブを備えたことを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記水回収用チャンバの水位を検知する第１の水位センサを備えたことを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項５記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上の場合には、前記第１、第２、及び第３の開閉バルブを全て閉じる一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記水回収用チャンバで加湿を行った空気を前記加湿器に流入させることを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項６記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値未満の場合には、前記第１の開閉バルブを開き、前記第２及び第３の開閉バルブを閉じる一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバをバイパスするバイパス流路に切り換えて、前記水回収用チャンバを通過しない空気を前記加湿器に流入させることを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項７記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記密閉型純水タンクの水位を検出する第２の水位センサを備え、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上で、かつ前記第２の水位センサが検出した前記密閉型純水タンクの水位が所定値未満の場合には、前記第１、及び第３の開閉バルブを閉じ、前記第２の開閉バルブを開く一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記空気コンプレッサの吐出圧力により、前記水回収用チャンバから前記密閉型純水タンクへ水を移送することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項８記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記密閉型純水タンクの水位を検出する第２の水位センサを備え、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上で、かつ前記第２の水位センサが検出した前記密閉型純水タンクの水位が所定値以上の場合には、前記第１、及び第２の開閉バルブを閉じ、前記第３の開閉バルブを開く一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記空気コンプレッサの吐出圧力により、前記水回収用チャンバから余分な水を燃料電池システム外へ排出することを要旨とする。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、所望の流量及び圧力で水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、空気を圧縮して所望の流量及び圧力で吐出することができる空気コンプレッサと、該空気コンプレッサから吐出された圧縮空気を冷却する空気冷却器と、該空気冷却器で冷却された空気及び前記燃料ガスを密閉型純水タンクから供給された純水でそれぞれ加湿して前記燃料電池本体に供給するための加湿器と、前記燃料電池本体の酸化剤極出口から排出される排ガスを冷却して水分を回収する熱交換器と、前記燃料電池本体の酸化剤極出口と前記熱交換器とを連通する排ガス流路の下方に配設された水回収用チャンバと、該水回収用チャンバと前記排ガス流路との間を開閉する第１の開閉バルブと、を備え、前記空気冷却器と前記加湿器とを接続する空気流路上に、前記水回収用チャンバを経由する流路と該水回収用チャンバをバイパスするバイパス流路とを切り換える流路切換弁を配設し、該流路切換弁が前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えているとき、前記空気冷却器で冷却された空気が前記水回収用チャンバ内で加湿された後に前記加湿器で加湿されるようにしたので、排ガスを冷却して水分を回収する熱交換器を例えば燃料電池本体よりも高い位置に配置しても両者を連通する排ガス流路に溜まる凝縮水を第１の開閉バルブを開いて水回収用チャンバへ回収することができるという効果がある。
【００２０】
また、密閉型純水タンクに戻りきらなかった凝縮水を再利用することができるとともに、予め水回収用チャンバ内で加湿された空気を加湿器が加湿するので加湿器の負担が減少し、加湿器を小型化することができるという効果がある。
【００２１】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記密閉型純水タンクと前記水回収用チャンバとの間を開閉する第２の開閉バルブを備えたことにより、水回収用チャンバ内の純水を密閉型純水タンクに戻して再利用することができるという効果がある。
【００２２】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明の効果に加えて、前記水回収用チャンバから前記燃料電池システム外へ余分な水を排出する第３の開閉バルブを備えたことにより、純水の量が過剰となった場合、燃料電池システム外へ排水管から排水して純水の量を適度に保つことができるという効果がある。
【００２３】
請求項４の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、前記水回収用チャンバの水位を検知する第１の水位センサを備えたことにより、水回収用チャンバの水位を正確に制御することができるという効果がある。
【００２４】
請求項５の発明によれば、請求項４の発明の効果に加えて、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上の場合には、前記第１、第２、及び第３の開閉バルブを全て閉じる一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記水回収用チャンバで加湿を行った空気を前記加湿器に流入させるようにしたので、水回収用チャンバ内に純水が充分あるときに、これにより加湿した空気を加湿器へ供給し、加湿器における純水の消費量を低減することができるという効果がある。
【００２５】
請求項６の発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値未満の場合には、前記第１の開閉バルブを開き、前記第２及び第３の開閉バルブを閉じる一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバをバイパスするバイパス流路に切り換えて、前記水回収用チャンバを通過しない空気を前記加湿器に流入させるようにしたので、燃料電池本体の酸化剤極出口と熱交換器とを連通する排ガス流路に滞留した凝縮水を速やかに水回収用チャンバに回収することができるという効果がある。
【００２６】
請求項７の発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、前記密閉型純水タンクの水位を検出する第２の水位センサを備え、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上で、かつ前記第２の水位センサが検出した前記密閉型純水タンクの水位が所定値未満の場合には、前記第１の開閉バルブ及び前記第３の開閉バルブを閉じ、前記第２の開閉バルブを開く一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記空気コンプレッサの吐出圧力により、前記水回収用チャンバから前記密閉型純水タンクへ水を移送するようにしたので、純水回収用のポンプを設けることなく、密閉型純水タンクへ純水を供給することができるという効果がある。
【００２７】
請求項８の発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、前記密閉型純水タンクの水位を検出する第２の水位センサを備え、前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上で、かつ前記第２の水位センサが検出した前記密閉型純水タンクの水位が所定値以上の場合には、前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブを閉じ、前記第３の開閉バルブを開く一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記空気コンプレッサの吐出圧力により、前記水回収用チャンバから余分な水を燃料電池システム外へ排出するようにしたので、純水のオーバフローによる空気の圧力上昇などを防止することができるという効果がある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図であり、燃料電池車両に好適な燃料電池システムを示している。同図において、燃料電池本体（燃料電池スタック）２は、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対向配置した燃料電池構造体をセパレータで扶持し、複数これを積層したものである。また、加湿器１は、燃料ガスとしての水素、酸化剤ガスとしての空気をそれぞれ半透膜を介して純水と隣接させ、水分子が半透膜を通過することにより、それぞれのガスに加湿を行うものである。
【００２９】
水素タンク４に貯えられた水素ガスは、図示しない調圧弁により調圧された後、加湿器１により加湿されて、燃料電池本体２の燃料極の入口に供給される。燃料極の出口からの排気は、エゼクタ（水素循環装置）３にて水素タンク４から新たに供給される水素ガスと合流・混合させられて、加湿器１を介して、燃料電池本体２の燃料極に再循環させられる。
【００３０】
酸化剤としての空気は、空気コンプレッサ１２によって圧縮された後、空気冷却器１１により冷却されて、水回収用チャンバ９またはバイパス流路１０のいずれか一方の流路を介して加湿器１に供給される。この空気流路を切り換えるのが３方弁１９及び２２（流路切換弁）である。即ち、空気冷却器１１からの空気は、これら３方弁１９、２２の開状態のとき水回収用チャンバ９を通り、３方弁１９、２２が閉状態のときバイパス流路１０を通って加湿器１に流入する。加湿器１で加湿された空気は、燃料電池本体２の酸化剤極入口へ供給される。
【００３１】
燃料電池本体２の酸化剤極の出口からの排気は、水蒸気と液水を含んでいるため、コンデンサ（熱交換器）５によって水分を凝縮させた後、密閉型純水タンク６へ流入する。排気と水とは密閉型純水タンク６で分離され、排気は排圧調整バルブ２４を介して大気に放出され、水は密閉型純水タンク６に貯留される。密閉型純水タンク６内の水は、水ポンプ７で加湿器１へ圧送され、一部が加湿により消費されて、残った水が密閉型純水タンク６に戻される。また、密閉型純水タンク６の内部には、その水位を検出する水位センサ２６が設けられている。
【００３２】
コンデンサ５は、液冷式のコンデンサであり、コンデンサ５を冷却する冷却液は、ラジエータ１４から、ポンプ１６、電力制御装置１３、空気コンプレッサ１２、空気冷却器１１、コンデンサ５を経て、ラジエータ１４に戻る経路で循環するようになっている。尚、コンデンサ５への冷却水流入口と同流出口との間には、通常閉状態の開閉バルブ２３が設けられている。開閉バルブ２３を開いたとき、冷却水がコンデンサ５をバイパスして、コンデンサ５では殆ど水分が凝縮されないようになっている。電力制御装置１３は、電気自動車の電力を制御する装置であり、燃料電池の高圧直流電圧を補機用の低圧（例えば１２Ｖ）直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ、或いは交流駆動モータ用の交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ等を含むものである。さらに駆動モータ自体に冷却の必要があれば、上記冷却系に組み込んでもかまわない。尚、図示しないが燃料電池本体２を冷却する冷却系が別途設けられている。
【００３３】
ここで、燃料電池本体２とコンデンサ５は排ガス流路８ａの配管で連通しているため、排ガス流路８ａ内部に液水や凝縮した水分が溜まり、排気が円滑にコンデンサ５へ流れにくくなる。特に、燃料電池本体２は、本燃料電池システムのかなりの容積と重量を占めるので、車載用としては、車両の重心を低下させるために車両の底部等の低い位置に配設されているが、コンデンサ５は、燃料電池本体２より小型軽量であるので配置の自由度が大きく、コンデンサ５が燃料電池本体２より高い位置に配設される場合には、排ガス流路８ａ内部に液水や凝縮した水分が溜まり、排気が著しく流れにくくなる。
【００３４】
このため、本発明では、排ガス通路８ａから下方へ分岐する分岐ガス流路である排ガス流路８ｂを設け、排ガス流路８ｂの下端部に水回収用チャンバ９と、排ガス流路８ａと水回収用チャンバ９との連通を開閉する開閉バルブ１８（第１の開閉バルブ）とを設けている。水回収用チャンバ９の内部には、水位センサ２５が設けられ、水位センサ２５が検出した水位に応じて、開閉バルブ２１（第２の開閉バルブ）を介して水回収用チャンバ９から密閉純水タンク６へ送水できるようになっている。さらに過剰な水を水回収用チャンバ９から燃料電池システム外へ排出するための開閉バルブ２０（第３の開閉バルブ）が設けられている。水位センサ２５、２６が検出する各水位の信号は、図示しない制御装置へ入力され、制御装置は、これらの水位に応じて、開閉バルブ１８、２０、２１、２３、及び３方弁１９、２２を制御できるようになっている。
【００３５】
図２、図３は、燃料電池システム起動時の制御を説明するフローチャートである。図２において、燃料電池システムの起動時においては、まず開閉バルブ１８，２０，２１，２３及び三方弁１９，２２は全て閉となるように制御される（Ｓ１０〜Ｓ２０）。次いで密閉型純水タンク６の水位センサ２６が検出する水位：Ｌ２の値が読み込まれ（Ｓ２２）、燃料電池起動に要する最低水位ＴＬ以上か否かを判定する（Ｓ２４）。Ｌ２がＴＬ以上であれば、図３のバルブ制御（Ｓ３０）へ移る。Ｌ２がＴＬ未満であれば、水漏れ等により最低水位に満たなかったものとして、起動を中止しシステム終了する。
【００３６】
図３のＳ３０では、水回収用チャンバ９の水位センサ２５が検出する水位：Ｌ１の値を読み込み（Ｓ３２）、Ｌ１が所定の低レベルしきい値ＣＬを超えているか否かを判定する（Ｓ３４）。Ｌ１がＣＬを超えていなければ、開閉バルブ１８を開いて、燃料電池本体２とコンデンサ５とを連通する排ガス流路８ａと、水回収用チャンバ９と、を連通させ、排ガス流路８ａで凝縮した水分を水回収用チャンバ９に流下させるようにして（Ｓ３６）、Ｓ３２へ戻る。Ｓ３４の判定でＬ１がＣＬを超えていれば、燃料電池の運転モードである定常・過渡バルブ制御を行うため、図４のＳ４０へ移る。
【００３７】
本発明の実施形態として、燃料電池システムの起動時においては、空気コンプレッサ１２から所定の流量および圧力にて酸化剤ガスを吐出して、加湿器１にて所定の露点まで加湿して燃料電池本体２に供給する。ここで、三方弁１９，２２が閉じているので、酸化剤ガスは、水回収用チャンバ９内を通過しないでバイパス流路１０を介して加湿器１に流入するようになっている。一方、水素タンク４から吐出された燃料ガスも、加湿器１にて所定の露点まで加湿して燃料電池本体２に供給する。このとき、排圧調整バルブ１７および２４にて燃料電池本体２へ供給する各々のガス供給圧力を調整する。
【００３８】
このようにして燃料電池で発電を開始すると、燃料電池システム全体が定常運転温度まで暖まっていないので、燃料電池本体２の酸化剤極から排出される酸化ガス中に含まれる水分が排ガス流路８ａ内で凝縮し、コンデンサ５に至らず排ガス流路８ａ中に溜まり、さらに、燃料電池の発電によって生成した純水もコンデンサ５に至らず排ガス流路８ａ中に溜まることが予想される。この要因は、燃料電池本体２とコンデンサ５の車両レイアウトでの相対的な位置（高低差）が大きく寄与しており、かつ、起動時においては燃料電池本体２に供給する酸化剤ガスおよび燃料ガスの流量および圧力は高くないことから上記の現象が起きる。
【００３９】
そこで、燃料電池システム起動時は、開閉バルブ１８を開き、排ガス流路８ａで凝縮する水を水回収用チャンバ９内に流下させる。このように制御することによって、排ガス流路８ａ内で凝縮する、あるいは、コンデンサ５まで至らない純水によって、酸化剤極の圧力上昇や、圧力変動などを防止することが可能となる。
【００４０】
次に、水回収用チャンバ９に一時的に溜まった純水が水位センサ２５によりある所定の低レベルしきい値ＣＬを超えた場合、三方弁１９，２２を開にし、開閉バルブ１８を閉じ、空気コンプレッサ１２により吐出された酸化剤ガスを水回収用チャンバ９を通過させることによって、一時的に溜めた純水により加湿器１に入る前に空気を予め加湿して加湿器１に流入させる。このように制御することで加湿器１での純水の消費量を削減することができ、かつ、余剰水となっている純水を再利用することができる。以上についてのバルブ制御のフローチャートを図４に示す。
【００４１】
図４の定常・過渡バルブ制御（Ｓ４０）において、まず、水回収用チャンバ９の水位センサ２５が検出する水位：Ｌ１の値を読み込み（Ｓ４２）、Ｌ１が所定の高レベルしきい値ＣＨを超えているか否かを判定する（Ｓ４４）。Ｌ１がＣＨを超えていれば、図５の水の移動制御（Ｓ６０）へ移る。Ｌ１がＣＨを超えていなければ、Ｌ１が所定の低レベルしきい値ＣＬ未満か否かを判定する（Ｓ４６）。Ｌ１がＣＬ未満であれば、３方弁１９、２２を閉じて空気冷却器１１で冷却された空気が水回収用チャンバ９をバイパスするバイパス流路１０を通じて加湿器１に供給されるようにし（Ｓ５４、Ｓ５６）、開閉バルブ１８を開いて排ガス流路８ａに溜まった凝縮水を水回収用チャンバ９へ流下させるようにして（Ｓ５８）、Ｓ３０のバルブ制御へ移る。
【００４２】
Ｓ４６の判定で、Ｌ１がＣＬ未満でなければ、水回収用チャンバ９の水位が適切であるので、水回収用チャンバ９で空気に対して補助的な加湿を行った後、加湿器１で加湿されるように、開閉バルブ１８を閉じて水回収チャンバ９から排ガス流路８ａへの空気の逆流を防ぎ（Ｓ４８）、３方弁１９、２２を開くことにより空気冷却器１１からの空気が水回収用チャンバ９を通って加湿器１へ供給されるようにして（Ｓ５０、Ｓ５２）、Ｓ４２へ戻る。
【００４３】
一方、水回収用チャンバ９に一時的に溜まる純水量が多く、ある所定の高レベルしきい値ＣＨより高くなった場合は、密閉型純水タンク６内の純水の量を水位センサ２６により検知し、所定の高レベルしきい値ＴＨ以下であれば、水回収用チャンバ９に溜まった純水を密閉型純水タンク６に移動させる。この場合、水回収用チャンバ９と密閉型純水タンク６との間を連通するため開閉バルブ２１を開き、空気コンプレッサ１２により吐出された空気の圧力を利用して、密閉型純水タンク６に純水を戻す。そして、水回収用チャンバ９に溜まった純水を密閉型純水タンク６に戻した後、再度、図４に示した定常・過渡バルブ制御を行う。
【００４４】
図５は、水回収用チャンバ９から密閉型純水タンク６への水の移動制御を説明するフローチャートである。まず、密閉型純水タンク６の水位センサ２６が検出する水位：Ｌ２の値を読み込み（Ｓ６２）、Ｌ２が所定の高レベルしきい値ＴＨを超えているか否かを判定する（Ｓ６４）。Ｌ２がＴＨを超えていれば、水分過剰なので図６の水排出制御（Ｓ８０）へ移る。Ｌ２がＴＨを超えていなければ、開閉バルブ２１を開いて（Ｓ６６）、水回収用チャンバ９の水位センサ２５が検出する水位：Ｌ１の値を読み込み（Ｓ６８）、Ｌ１が所定の高レベルしきい値ＣＨ未満か否かを判定する（Ｓ７０）。Ｌ１がＣＨ未満となれば、開閉バルブ２１を閉じて水の移動を終了し（Ｓ７２）、定常・過渡バルブ制御（Ｓ４０）へ戻る。Ｓ７０の判定で、Ｌ１がＣＨ未満でなければ、未満となるまで水の移動を続けるため、Ｓ６８へ戻る。
【００４５】
このように制御を行うことによって、水回収用チャンバ９と密閉型純水タンク６との間に水ポンプなどを必要とせず、純水を密閉型純水タンク６に戻すことが可能となる。
【００４６】
次に、水回収用チャンバ９および密閉型純水タンク６内の純水量が水位センサ２５，２６によりあらかじめ定められた所定値より大きい場合は、開閉バルブ２０を開き、水回収用チャンバ９から燃料電池システム外へ純水を排出する。この時、コンデンサ５にて燃料電池本体２の酸化剤極から排出される排ガスに含まれる水蒸気を液水として回収しないように、冷却水バイパス用の開閉バルブ２３を開き、コンデンサ５に冷却水を流さないように制御する。
【００４７】
図６は、上記の水分過剰時の水排出制御を説明するフローチャートである。まず、開閉バルブ２３、２０を開き（Ｓ８２、Ｓ８４）、水回収用チャンバ９の水位センサ２５が検出する水位：Ｌ１の値を読み込み（Ｓ８６）、Ｌ１が所定の高レベルしきい値ＣＨを超えるか否かを判定する（Ｓ８８）。Ｌ１がＣＨを超えていれば、水位を監視しつつ排水を続けるためＳ８６へ戻る。Ｌ１がＣＨを超えていなければ、開閉バルブ２０、２３を閉じて排水を終了し（Ｓ９０、Ｓ９２）、定常・過渡バルブ制御（Ｓ４０）へ戻る。
【００４８】
以上の制御により水分過剰時には、コンデンサ５で酸化剤極の排ガス中の水分を回収しないため、冷却系のラジエータ１４における放熱量を低減させることができ、省燃費化につながる。また、水余り現象に伴う酸化剤極の圧力上昇や圧力変動を回避でき、省燃費化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。
【図２】燃料電池起動時の動作を説明するフローチャートである。
【図３】燃料電池起動時の動作を説明するフローチャートである。
【図４】燃料電池システムの定常運転時及び過渡運転時のバルブ制御を説明するフローチャートである。
【図５】水回収用チャンバから密閉型純水タンクへの水の移動制御を説明するフローチャートである。
【図６】過剰な水分を排出する水排出制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１ 加湿器
２ 燃料電池本体
３ エゼクタ
４ 水素タンク
５ コンデンサ
６ 密閉型純水タンク
７ 水ポンプ
８ａ、８ｂ 排ガス流路
９ 水回収用チャンバ
１０ バイパス流路
１１ 空気冷却器
１２ 空気コンプレッサ
１３ 電力制御装置
１４ ラジエータ
１５ ラジエータファン
１６ 冷却水ポンプ
１７ 排圧調整バルブ
１８ 開閉バルブ（第１の開閉バルブ）
１９ 三方弁（流路切換弁）
２０ 開閉バルブ（第３の開閉バルブ）
２１ 開閉バルブ（第２の開閉バルブ）
２２ 三方弁（流路切換弁）
２３ 開閉バルブ
２４ 排圧調整バルブ
２５ 水位センサ
２６ 水位センサ
Claims (8)
- 電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池本体と、
所望の流量及び圧力で水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
空気を圧縮して所望の流量及び圧力で吐出することができる空気コンプレッサと、
該空気コンプレッサから吐出された圧縮空気を冷却する空気冷却器と、
該空気冷却器で冷却された空気及び前記燃料ガスを密閉型純水タンクから供給された純水でそれぞれ加湿して前記燃料電池本体に供給するための加湿器と、
前記燃料電池本体の酸化剤極出口から排出される排ガスを冷却して水分を回収する熱交換器と、
前記燃料電池本体の酸化剤極出口と前記熱交換器とを連通する排ガス流路の下方に配設された水回収用チャンバと、
該水回収用チャンバと前記排ガス流路との間を開閉する第１の開閉バルブと、を備え、
前記空気冷却器と前記加湿器とを接続する空気流路上に、前記水回収用チャンバを経由する流路と該水回収用チャンバをバイパスするバイパス流路とを切り換える流路切換弁を配設し、
該流路切換弁が前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えているとき、前記空気冷却器で冷却された空気が前記水回収用チャンバ内で加湿された後に前記加湿器で加湿されることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記密閉型純水タンクと前記水回収用チャンバとの間を開閉する第２の開閉バルブを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。
- 前記水回収用チャンバから前記燃料電池システム外へ余分な水を排出する第３の開閉バルブを備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
- 前記水回収用チャンバの水位を検知する第１の水位センサを備えたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
- 前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上の場合には、前記第１、第２、及び第３の開閉バルブを全て閉じる一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記水回収用チャンバで加湿を行った空気を前記加湿器に流入させることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
- 前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値未満の場合には、前記第１の開閉バルブを開き、前記第２及び第３の開閉バルブを閉じる一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバをバイパスするバイパス流路に切り換えて、前記水回収用チャンバを通過しない空気を前記加湿器に流入させることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
- 前記密閉型純水タンクの水位を検出する第２の水位センサを備え、
前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上で、かつ前記第２の水位センサが検出した前記密閉型純水タンクの水位が所定値未満の場合には、前記第１、及び第３の開閉バルブを閉じ、前記第２の開閉バルブを開く一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記空気コンプレッサの吐出圧力により、前記水回収用チャンバから前記密閉型純水タンクへ水を移送することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。 - 前記密閉型純水タンクの水位を検出する第２の水位センサを備え、
前記第１の水位センサが検出した前記水回収用チャンバ内の水位が所定値以上で、かつ前記第２の水位センサが検出した前記密閉型純水タンクの水位が所定値以上の場合には、前記第１、及び第２の開閉バルブを閉じ、前記第３の開閉バルブを開く一方、前記流路切換弁を前記水回収用チャンバを経由する流路に切り換えて、前記空気コンプレッサの吐出圧力により、前記水回収用チャンバから余分な水を燃料電池システム外へ排出することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001103276A JP4098486B2 (ja) | 2001-04-02 | 2001-04-02 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001103276A JP4098486B2 (ja) | 2001-04-02 | 2001-04-02 | 燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002298896A JP2002298896A (ja) | 2002-10-11 |
| JP4098486B2 true JP4098486B2 (ja) | 2008-06-11 |
Family
ID=18956357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001103276A Expired - Fee Related JP4098486B2 (ja) | 2001-04-02 | 2001-04-02 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4098486B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006114261A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-04-27 | Yamaha Motor Co Ltd | 燃料電池システムおよびそれを用いた輸送機器 |
| JP5033323B2 (ja) * | 2005-11-11 | 2012-09-26 | 株式会社Ｅｎｅｏｓセルテック | 燃料電池装置 |
| JP4991165B2 (ja) * | 2006-02-27 | 2012-08-01 | アイシン精機株式会社 | 燃料電池システム |
| JP2010282904A (ja) * | 2009-06-08 | 2010-12-16 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2014203789A (ja) * | 2013-04-09 | 2014-10-27 | 東芝燃料電池システム株式会社 | 燃料電池発電システム及びその運転方法 |
-
2001
- 2001-04-02 JP JP2001103276A patent/JP4098486B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002298896A (ja) | 2002-10-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3077618B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP3722019B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2009200026A (ja) | 蒸発冷却式の燃料電池システムとその冷却方法 | |
| JP3706937B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2007250374A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4098484B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP3832271B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2011008916A (ja) | 燃料電池冷却システム | |
| JP4225112B2 (ja) | 燃料電池コージェネレーション装置 | |
| JP4140269B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4098486B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP3705182B2 (ja) | 水循環装置 | |
| JP2009110684A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2000106206A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2002280029A (ja) | 燃料電池システムの制御装置 | |
| JP2007258020A (ja) | 固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの停止方法 | |
| JP2000030727A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2008251216A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2005116256A (ja) | 燃料電池コージェネレーションシステム | |
| KR20100132956A (ko) | 향상된 작동 효율을 가진 연료전지 발전기 | |
| JP4517414B2 (ja) | 燃料電池システムおよび水回収方法 | |
| JP2008218242A (ja) | 燃料電池システム | |
| JPH11154528A (ja) | 燃料電池 | |
| JP2008251439A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2000357530A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050330 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070529 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070727 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080311 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080313 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110321 Year of fee payment: 3 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110321 Year of fee payment: 3 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |