JP2002280032A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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JP2002280032A
JP2002280032A JP2001080122A JP2001080122A JP2002280032A JP 2002280032 A JP2002280032 A JP 2002280032A JP 2001080122 A JP2001080122 A JP 2001080122A JP 2001080122 A JP2001080122 A JP 2001080122A JP 2002280032 A JP2002280032 A JP 2002280032A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で、かつ効率の良好な燃料電池シ
ステムを提供する。 【解決手段】 改質ガスを供給される燃料極と空気を供
給される空気極とを備え発電を行う燃料電池（２）と、
空気極に空気を供給する第１流路（１５）と、空気極か
ら排出される排空気を排出する第２流路（２０）と、第
１流路（１５）の途中に設置され、空気極に空気を供給
するための空気供給装置（７）とを備えた燃料電池シス
テムにおいて、第２流路（２０）を流れる排空気と第１
流路（１５）を流れる空気供給装置（７）上流の吸込側
空気とで水分の交換を行う水分交換器（３０）を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システ
ム、特に炭化水素系燃料を改質して水素を主成分とする
改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池に供給し発電を
行う燃料電池システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の燃料電池システムには、例えば、
特開２０００−１５６２３６号公報に開示されたものが
ある。
【０００３】これについて図１３を用いて説明すると、
燃料電池システムは水素リッチの改質ガスと空気を用い
て発電を行う燃料電池５１と、改質ガスを生成する水素
生成装置５２と、水素生成装置５２を所定温度に昇温す
るバーナー５３と、改質ガスを加湿するための燃料側加
湿器５４と、燃料電池５１に空気を供給する空気供給装
置５５と、空気を加湿する空気側加湿器５６とからな
る。
【０００４】このように構成され、空気側加湿器５６
は、燃料電池５１から排出される排空気から水蒸気を回
収し、これを供給空気中に還元して加湿する湿度交換型
熱交換器で構成され、燃料電池５１から排出された空気
側加湿器５６で湿度を下げた空気は、空気側水回収器５
７で外気により冷却され、更に除湿される。得られた凝
縮水は水タンク５８に蓄えられ、燃料側水ポンプ５９に
より水素生成装置５２及び燃料側加湿器５４に供給され
て燃料改質及び燃料側加湿に利用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな燃料電池システムにおいては、空気供給装置から燃
料電池へ空気を圧送する吐出経路の途中に湿度交換型熱
交換器を設けているため、空気供給装置側の圧力が高
く、燃料電池供給空気の水蒸気分圧が高くなり、燃料電
池から排出された空気の水蒸気分圧との差圧が小さく、
湿度の交換が効率的に実施できず、十分に水分を回収す
ることができないという問題があった。
【０００６】そこで本発明の目的は、上記問題点を解決
する燃料電池システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、改質ガス
を供給される燃料極と空気を供給される空気極とを備え
発電を行う燃料電池と、空気極に空気を供給する第１流
路と、空気極から排出される排空気を排出する第２流路
と、第１流路の途中に設置され、空気極に空気を供給す
るための空気供給装置と、を備えた燃料電池システムに
おいて、第２流路を流れる排空気と第１流路を流れる空
気供給装置上流の吸込側空気とで水分の交換を行う水分
交換器を備える。
【０００８】第２の発明は、第１の発明において、前記
水分交換器は、空気が通過する空気流路と、排空気が通
過する排空気流路と、空気流路と排空気流路との間に冷
媒を通過させる冷媒流路とからなり、水分交換器で回収
した水分の一部を回収する水タンクを備える。
【０００９】第３の発明は、第１の発明において、前記
水分交換器は、空気が通過する空気流路と、排空気が通
過する排空気流路と、空気流路と排空気流路との間に設
置されて排空気中の水蒸気を透過する水蒸気透過膜とか
らなる。
【００１０】第４の発明は、第１の発明において、前記
水分交換器は、空気が通過する空気流路と、排空気が通
過する排空気流路と、空気流路と排空気流路との間に設
置されて水分を保持する保水膜とからなる。
【００１１】第５の発明は、第１の発明において、前記
水分交換器は、空気が通過する空気流路と、排空気が通
過する排空気流路と、空気流路と排空気流路との間に設
置されて排空気中の水蒸気を透過する多孔質金属とから
なる。
【００１２】第６の発明は、第１から５のいずれか一つ
の発明において、第１流路の空気供給装置下流に空気供
給装置から排出された空気を冷却する冷却器と、水を貯
蔵する水タンクと、冷却器下流の第１流路と水タンクと
を連通する第３流路を設ける。
【００１３】第７の発明は、第１の発明において、第２
流路の燃料電池と水分交換器との間に排空気を凝縮して
水分を回収するコンデンサを設ける。
【００１４】第８の発明は、第１の発明において、第２
流路の水分交換器の下流に排空気を凝縮して水分を回収
するコンデンサを設ける。
【００１５】第９の発明は、第１から８のいずれか一つ
の発明において、燃料極に供給する改質ガスを生成する
改質反応器と、改質反応器に水を供給する水タンクと、
水タンクの水量を検知する手段と、水タンク内の水収支
を演算する手段と、水量検知手段と水収支演算手段との
結果に基づき水タンクの水量の過不足を演算する手段
と、第１流路から分岐し、水分交換器をバイパスするバ
イパス流路と、を備え、水タンクの水量が不足しないと
推測される場合に第１流路内を通過する空気をバイパス
流路を通過させるように制御する。
【００１６】第１０の発明は、第１から９のいずれか一
つの発明において、燃料極に供給する改質ガスを生成す
る改質反応器と、改質反応器に水を供給する水タンク
と、水タンクの水量を検知する手段と、水タンク内の水
収支を演算する手段と、水量検知手段と水収支演算手段
との結果に基づき水タンクの水量の過不足を演算する手
段と、第２流路の水分交換器の下流に設置された圧力制
御弁と、を備え、水タンクの水量が不足すると推測され
る場合に水分交換器内の排空気の圧力を上昇させるよう
に圧力制御弁を制御する。
【００１７】
【発明の効果】第１の発明は、燃料電池において、改質
ガスを供給される燃料極と、第１流路から空気を供給さ
れるとともに、第２流路から排空気が排出される空気極
とを備える。第１流路の途中には空気極に空気を供給す
るための空気供給装置が設置され、第２流路を流れる排
空気中の水分と空気供給装置の吸込側の第１流路を流れ
る空気中の水分とを交換する水分交換器を備える。この
ような構成としたので、水分交換器の排空気側の圧力は
流路の圧力損失分大気圧より高くなる一方、水分交換器
の吸込側の空気圧力は大気圧よりも低くなるため、排空
気側の圧力が吸入空気側の圧力よりも常に高くなる。こ
の圧力差により、排空気中の水蒸気分圧と吸入空気側の
水蒸気分圧との差圧をより大きくすることができ、排空
気から供給空気への水分交換を促進できる。
【００１８】また空気供給装置から吐出する空気圧は燃
料電池内の圧力損失や流路内の圧力損失分だけ高圧とな
っており、対して空気供給装置の入口側は出口側より低
圧となるため、水分交換器の吸入空気側での水分の蒸発
が促進されて排空気側との水分の交換が促進される。さ
らに空気供給装置から排出される空気は圧力が高くその
温度も入口側よりも高くなる。したがって、熱交換型水
分交換器を用いた場合には、入口側の温度が低いほど、
排空気側の排空気の温度が低くなり、凝縮量が増加し、
水分の交換が促進される。
【００１９】第２の発明では、水分交換器は、空気が通
過する空気流路と、排空気が通過する排空気流路と、空
気流路と排空気流路との間に冷媒を通過させる冷媒流路
とからなり、水分交換器で回収した水分の一部を回収す
る水タンクを備えたので、大気中の湿度が高く、空気流
路での空気への水分蒸発が少ない場合に空気中への蒸発
水分量以上に排空気からの凝縮水分量が多くなる場合が
生じるが、この余剰の水分を水タンクに回収することが
できる。
【００２０】第３から５の発明では、水分交換器は、空
気が通過する空気流路と、排空気が通過する排空気流路
と、空気流路と排空気流路との間に設置されて排空気中
の水蒸気を透過する水蒸気透過膜、または保水膜、また
は多孔質金属からなる構成とすることで、簡易な構成で
大きな水凝縮量を得ることができる。
【００２１】第６の発明では、第１流路の空気供給装置
下流に空気供給装置から排出された空気を冷却する冷却
器と、水を貯蔵する水タンクと、冷却器下流の第１流路
と水タンクとを連通する第３流路を設けたので、水分交
換器で水分を多量に含んだ空気は冷却器で冷却されて相
対湿度が１００％を越え、第１流路中に凝縮水が発生
し、これを第３流路を通して水タンクに排出する。この
水タンクの水を燃料電池に供給される空気や改質ガスの
加湿や改質ガスを生成する際に用いることができる。
【００２２】第７の発明では、第２流路の燃料電池と水
分交換器との間に排空気を凝縮して水分を回収するコン
デンサを設ける構成としたので、コンデンサ及び水分交
換器の両方を用いて燃料電池システムに必要とされる水
分を回収することができ、外部に排出される水分量を低
減し、燃料電池システムの水収支を改善することができ
る。また、コンデンサから排出される排空気は、ほぼ飽
和水蒸気圧となっており、この排空気が水分交換器に供
給されるので、水分交換器の排空気流路での水蒸気分圧
は高くなり、空気流路側の水蒸気分圧との差圧が大きく
なり、水分交換が促進される。
【００２３】さらに、熱交換器型の水分交換器を用いた
場合には、コンデンサによって排空気は冷却されるた
め、水分交換器内での排空気冷却に必要とされた面積を
減少することができ、水分交換器を小型化することがで
きる。
【００２４】コンデンサの冷却性能が十分で、コンデン
サによる排空気の冷却で十分に排空気が冷却されるシス
テムの運転状態の場合に、水分交換器に流入する排空気
の温度と水蒸気分圧は低く、水分交換器での水分交換量
も少ない。したがって空気供給装置に供給される空気中
の水分量が低下し、空気を燃料電池に送るのに必要な空
気供給装置の動力が小さくて済み、燃料電池システムと
しての効率が向上する。
【００２５】第８の発明では、第２流路の水分交換器の
下流に排空気を凝縮して水分を回収するコンデンサを設
ける構成としたので、伝熱型の水分交換器を用いた場合
に、水分交換器にはコンデンサによって冷却されていな
い排空気が供給され、水分交換器内で空気流路内の空気
がより高温まで加熱され、したがって、同一の吸入空気
圧での飽和水蒸気圧が上昇し、吸入空気中に含まれる水
分量を増加することができる。また、水分交換器で排空
気の水分交換が行われた後にコンデンサに排空気が供給
されるので、コンデンサでの排空気からの放熱量が減少
し、コンデンサの冷媒を冷やす熱交換器の放熱量を低減
し、熱交換器を小型化できる。
【００２６】第９の発明では、システムに必要な水が十
分に確保されると判断されるときに、バイパス流路に空
気を流すようにすることで、水分交換器での圧力損失を
減少させ、同じ空気供給装置の必要動力を酸素量を燃料
電池に供給するために必要な動力を小さくすることがで
き、システムとしての効率を向上することができる。
【００２７】第１０の発明では、水不足が生じると推測
される時には水分交換器内の圧力を上昇させて排空気の
水蒸気分圧を上昇させて水分交換を促進できる。水が十
分なときはシステム中の圧力を下げて全体的に効率のよ
い運転が可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池システム
の構成を添付図面に基づいて説明する。
【００２９】図１は本発明の第１実施形態の構成を説明
する図である。燃料電池２には燃料極と空気極とが設け
られて、それぞれの極には水素リッチの改質ガスと空気
とが供給され、発電が行われる。
【００３０】空気は流路(第１流路)１５を通って空気極
に供給され、流路１５にはフィルタ６と、その下流に空
気を空気極に供給する空気供給装置７、さらにその下流
に冷却器１０が設置され、空気は適正な温度に調整され
て空気極に供給される。
【００３１】一方、燃料極に供給される改質ガスは改質
反応器４で生成され、このため燃料タンク８０と水タン
ク８１から供給された燃料と水が蒸発器３において気化
され、気化燃料と水蒸気となって改質反応器４に供給さ
れるとともに、改質反応器４には冷却器１０からの空気
が供給される。
【００３２】燃料と水蒸気と空気が供給された改質反応
器４では、水蒸気改質反応と部分酸化反応が生じて水素
リッチの改質ガスが生成され、この改質ガスはその下流
に設けられた一酸化炭素（以下、ＣＯと示す）除去器１
６で所定のＣＯ濃度に調整されて燃料電池２の燃料極に
供給される。
【００３３】燃料電池２での発電後に空気極から排出さ
れる排空気は、排空気流路（第２流路）２０を通って燃
焼器１に供給され、同様に燃料極から排出される余剰の
排水素は排水素流路２１を通って燃焼器１に供給され、
燃焼器１で排水素と排空気が燃焼される。この燃焼ガス
が蒸発器３に供給され、燃焼ガスの熱量によってタンク
８０、８１から供給される燃料と水が気化される。燃焼
ガスは燃料と水の気化に用いられた後に、外部に排出さ
れる。
【００３４】排空気流路２０と排水素流路２１にはそれ
ぞれ上流側からコンデンサ６０、６２、圧力制御弁４
０、４１が設置される。コンデンサ６０、６２で凝縮し
た水は水タンク８１に貯蔵され、冷却器１０で凝縮した
水が冷却器１０の下流で流路１５から分岐した流路１１
を経由して水タンク８１に送られる。
【００３５】なおコンデンサ６０、６２は燃料電池シス
テムの効率向上のために設置されるものであり、コンデ
ンサを用いなくともシステムは機能するものである。
【００３６】さらに、排空気流路２０に設置されたコン
デンサ６０の下流と空気供給装置７の上流の吸込側との
間で水分をやりとりする水分交換器３０が設置される。
水分交換器３０の構成については、詳しく後述する。
【００３７】水タンク８１はその水位を検出する検出手
段８２を備えており、またシステム中に水タンク８１内
の水収支を演算する手段８３と、これら水位検出手段８
２と水収支演算手段８３の出力に基づき、水の過不足を
推測する推測演算手段８４と、水タンク中の水が不足す
ると判定された場合に水の交換量を増やすため水分交換
器３０に加わる排空気の圧力を上昇させるように圧力制
御弁４０を制御するコントローラ８５を備える。
【００３８】次に水分交換器３０の構成について図２か
ら図５を用いて説明する。
【００３９】図２に示した水分交換器３０の構成は、水
分交換器３０の中央部に水蒸気透過膜３１ａを設置し、
この膜３１ａの両側にそれぞれ排空気と空気供給装置７
に供給される吸入空気がそれぞれ通過するような構成と
なっている。
【００４０】このような構成とすることで、コンデンサ
６０から排出される多量に水分を含有した排空気と水分
の含有量の少ない低圧の吸入空気の水蒸気分圧差によっ
て、排空気中の水蒸気が水蒸気透過膜３１ａを透過して
吸入空気中に透過するものである。したがって、従来技
術のように加湿器を用いることなく、吸入空気中に多量
の水蒸気を含有させることができる。
【００４１】図３に示した水分交換器３０の構成は、図
２に示した構成の水蒸気透過膜３１ａに代えて保水膜３
１ｂを設置したものである。保水膜３１ｂの吸入空気側
の表面では、飽和状態にない吸入空気中の水分が蒸発
し、この水分は吸入空気によって冷却された保水膜３１
ｂにより排空気が冷却されて排空気側の保水膜表面に水
分が凝縮して保水膜３１ｂに取り込まれることで補充さ
れる。
【００４２】このように保水膜３１ｂを挟んで凝縮と蒸
発が同時に生じることで外部からの冷却を行うことなし
に保水膜３１ｂの温度上昇を抑制することができ、単に
吸入空気を利用して熱交換器で排空気を冷却することで
水分を凝縮させる場合と比較して、大きな凝縮量を得る
ことができる。
【００４３】図４に示す水分交換器３０の構成は、図２
に示した構成の水蒸気透過膜３１ａに代えて多孔質金属
としての焼結金属３１ｃを設置したものである。図３に
示した保水膜３１ｂの場合と同様に多孔質金属３１ｃの
吸入空気側の表面では水分が蒸発し、吸入空気により冷
却された多孔質金属３１ｃにより排空気が冷却されるこ
とで排空気側の多孔質金属表面で水が凝縮する。凝縮し
た水は高圧の排空気と低圧の吸入空気間の圧力差によっ
て多孔質金属中に押し込まれ、吸入空気中に蒸発する。
【００４４】このように、排空気側の多孔質金属表面で
凝縮した水が吸入空気側に排出されるため排空気側多孔
質金属表面での排空気と多孔質金属表面との接触面積が
確保され、効率的に凝縮が促進される。
【００４５】図５に示す水分交換器３０の構成は、図２
に示した構成の水蒸気透過膜３１ａに代えて水タンク８
１から供給される水を蓄えた冷却層３１ｄを備えたもの
である。このとき水と排空気及び吸入空気を隔てる膜を
水蒸気は透過するが、空気は透過しないような材料によ
って構成される。
【００４６】このような構成により、排空気側の冷却層
表面では凝縮が生じ、凝縮水が冷却層中に排出され、吸
入空気側の表面では水が蒸発して吸入空気中に水蒸気が
含有される。
【００４７】なお、冷却層中の余剰の水分は水タンク８
１に戻される。また、冷却層中に供給される冷媒はより
低温の別の熱交換器からの冷媒を用いることでより効率
的に凝縮量を増加することができる。
【００４８】このような水分交換器を有する本発明の燃
料電池システムの効果を以下に述べる。
【００４９】燃料システムに外部から水の補給を受けな
い場合には、燃料電池システムに出入りする水量の関
係、水収支は以下の関係で表される。
【００５０】燃料電池システムに流入する水量＞燃料電
池システムから流出する水量 ここで、燃料電池システムに流入する水量としては、供
給された空気中の水分（）と改質反応及びシフト反応
等の改質反応器４の反応に必要となる水分（）の総量
であり、一方、燃料電池システムから流出する水量とし
ては、発電反応に伴う生成水分（）、排空気から大気
中に排出される水分（）と排水素から大気中に排出さ
れる水分（）の総量である。
【００５１】よって水収支の関係を上記項目で表すと、 ＋ ＞ ＋＋ となり、したがって、 ＋−（＋＋）＞ ０ の水収支の関係にある。
【００５２】ここで、燃料電池に流入する空気及び改質
ガスを加湿した場合を検討すると、燃料電池の通常の運
転温度で排出された排空気及び排改質ガス（排水素）中
には多量の水分を含有しており、水収支は逆転し、 ＋−（＋＋）＜ ０ となり、燃料電池システム中の水が不足し、燃料電池に
運転が維持できなくなるおそれがある。したがって少な
くとも排空気または排水素のいずれかにコンデンサ６
０、６２を設置し、排空気または排水素中に含まれる水
分を回収し、大気中に排出される水分を減少して、水収
支の関係を＋−（＋＋）＞０に戻す燃料電池
システムとする必要がある。
【００５３】しかしながら、燃料電池システムを例え
ば、車両のような燃料電池システムを搭載するスペース
に制限のあるものに搭載する場合には、コンデンサ６
０、６２での排空気、排水素の冷却を行う冷媒の容量に
制限が設けられ、例えば、排空気、排水素の冷却に車両
のラジエータを用いた場合には、ラジエータの搭載寸
法、ラジエータの通過風量が制限されて、冷媒の冷却能
力が制限されることになる。このため、燃料電池の運転
状態によっては、コンデンサ６０、６２の温度を＋
−（＋＋）＞０の水収支関係とするのに必要な水
を回収することができる温度まで低下させることができ
なくなる場合がある。
【００５４】本発明のように水分交換器３０を設置した
場合には、排空気中に含まれる水分を空気供給装置７に
供給される空気中に補給することができるので、水収支
を＋−（＋＋）＞０の関係に維持することが
可能となる。
【００５５】例として、車両に本発明の水分交換器３０
を備えた燃料電池システムでのある運転条件での水収支
をモデルを使って計算する。
【００５６】水分交換器３０を設置していない燃料電池
システムモデルが、コンデンサ出口の排空気温度が５２
℃以上でしか＋−（＋＋）＞０の水収支関係
を成立させることができないのに対して、水分交換器３
０下流の空気の湿度を５０℃、５０％ＲＨにする性能を
有する水分交換器３０を燃料電池システムモデルに設置
した燃料電池システムモデルでは、コンデンサ６０出口
での排空気温度は６２℃で水収支関係を成立させること
ができる。
【００５７】したがって、たとえばラジエータでコンデ
ンサ６０の冷媒の放熱を行う場合には、冷媒と排空気と
の気水温度差を１０℃大きく設定することができ、これ
は、例えばコンデンサ６０の放熱に用いる熱交換器の放
熱率が０．３ｋＷ／Ｋである時に、３ｋＷだけ多く熱を
捨てられることを示しており、これは水をより多く回収
できることを意味し、または単位面積当りでの放熱量が
向上したことにより熱交換器を小型化することができ、
燃料電池システムの車両搭載性を向上できる。
【００５８】このように本発明の水分交換器３０を設置
した燃料電池システムにおいては、コンデンサ６０で回
収した水に加えて、水分交換器３０によって水を回収す
ることができるため、水不足による燃料電池の運転中止
の可能性を低減でき、また、コンデンサの冷媒を冷却す
る放熱器の負担を低減することで、熱放熱器を小型化す
ることができ、燃料電池システムの車両搭載性を向上で
きる。
【００５９】燃料電池システムとしての放熱量が大きく
コンデンサ６０から排出される冷媒６１の温度が十分に
低下することができない場合には、コンデンサ６０での
熱交換量が相対的に低下し、コンデンサ６０から排出さ
れた排空気中の水分量が増加することになる。しかしな
がらコンデンサ６０の下流に設置された水分交換器３０
での水分交換量が増加することで、コンデンサでの水分
の交換量の低下分を補い、燃料電池システムとして水分
の不足は防止され、運転を継続することができる。
【００６０】この燃料電池システムの放熱量増加による
コンデンサ６０での冷媒温の上昇から水交換器３０での
水交換量の増加までの流れを図６のフローチャートを用
いて簡単に説明する。まずステップ１でコンデンサ６０
から排出される冷媒を十分に冷却できないと、ステップ
Ｓ２で冷媒が上昇する。ステップＳ３で冷媒温の上昇に
よりコンデンサ６０での熱交換量が低下し、ステップＳ
４でコンデンサ６０出口での排空気温度が上昇すること
になる。続いてステップＳ５ではコンデンサ６０から排
出される排空気中の水分量が増加することになり、結果
としてステップＳ６で水分交換器３０に供給される排空
気中の水分量が増加することになる。よって、ステップ
Ｓ７で水分交換器３０によって排空気中の水分交換量が
増加することになり、燃料電池システムトータルとして
の水分量を維持することができる。
【００６１】さらに、熱交換器型の水分交換器を用いた
場合には、コンデンサ６０によって排空気は冷却される
ため、コンデンサを有さない場合に水分交換器３０内で
の排空気の冷却に必要とされた面積を減少することがで
き、水分交換器３０を小型化することができる。
【００６２】またコンデンサ６０の冷却性能が十分で、
コンデンサ６０による排空気の冷却で十分に排空気が冷
却されるシステムの運転状態の場合に、水分交換器３０
に流入する排空気の温度と水蒸気分圧は低く、水分交換
器３０での水分交換量も少ない。したがって空気供給装
置７に供給される空気中の水分量が低下し、空気を燃料
電池２に送るのに必要な空気供給装置７の動力が小さく
て済み、燃料電池システムとしての効率が向上する。
【００６３】図７にはフィルタ６を通って、燃料電池２
に供給され、外部に排出されるまでの各部での空気の圧
力と水蒸気分圧を示している。空気供給装置入口７の圧
力は大気と空気供給装置７に供給される空気との変化代
を示しており、水蒸気分圧は変化しないが、吸入負圧及
びフィルタ６等による圧力損失によって空気圧は大気よ
り低くなる。空気供給装置７出口での圧力は空気供給装
置７の作用により空気圧は燃料電池システムの運転に必
要とされる運転圧まで上昇し、水蒸気圧もまた上昇す
る。燃料電池２出口での空気圧は燃料電池２中の圧力損
失により低下するが、水蒸気分圧は燃料電池２の発電反
応による生成水が加わるために上昇し、飽和水蒸気圧を
越え、コンデンサ６０の出口で水蒸気分圧は飽和水蒸気
圧まで低下する。
【００６４】したがって、空気供給装置７の前後では入
口側の水蒸気分圧が常に出口側より低くなるので、水分
交換器３０を空気供給装置７の入口側とコンデンサ６０
の出口側との間に設けることで、これらの部位間での水
蒸気分圧の差圧を大きくすることができる。これにより
コンデンサ６０から排出された排空気中の水蒸気を吸入
空気側に透過するために必要な水蒸気分圧差を水分交換
器３０に設定することができ、回収水分量を大きくする
ことができる。
【００６５】水分交換器３０に供給される排空気の圧力
は、燃焼器１、蒸発器３や各流路での圧力損失分だけ燃
料電池を排出されたときの圧力よりも上昇している。し
たがって、水分交換器３０に供給される排空気の圧力は
水分交換器３０を出た吸入空気の圧力（つまり、空気供
給装置７の入口の圧力）より高くなり、図４に示したよ
うな多孔質金属を用いた水分交換器３０を使用した場
合、水分交換器３０の排空気側で凝縮した凝縮水をこの
拡大した圧力差分だけより多く吸入空気側に供給するこ
とができ、水分の交換をより促進することができる。
【００６６】燃料電池内での発電反応を均一にするため
に燃料電池２内は細かく流路が形成されており、そのた
め圧力損失が大きくなっている。燃料電池２に空気を供
給する空気供給装置７は、燃料電池２内での圧力損失分
を補正して空気を供給する必要があるために、空気供給
装置から排出された空気の圧力は発電に必要な圧力以上
の高い圧力となっている。しかし水分交換器３０の設置
される空気供給装置７の入口側は、出口側の圧力が高く
なっても一定圧の負圧状態となっているため、水分交換
器３０は常に安定した水分交換を行うことが可能とな
る。
【００６７】また水分交換器３０から排出される水分を
多量に含んだ空気が空気供給装置７によって圧縮されて
排出されると、空気供給器に供給された空気の相対湿度
を６０％、空気供給装置７の圧縮比を２として考えると
空気供給装置７から排出される空気は、その下流に設置
された冷却器１０により空気の温度が低下し、相対湿度
が１００％を越え、凝縮する。この凝縮水を冷却器１０
の下流と水タンク８１とを連通する流路１１から水タン
ク８１に排出する。水タンク８１に貯蔵された水は燃料
電池に供給される空気や改質ガスの加湿や改質反応器４
での改質反応やシフト反応に用いることができる。
【００６８】さらに、図８は空気供給装置７の出口での
空気の圧力と温度の関係を示し、空気供給装置７は燃料
電池２の発電要求圧力で空気を燃料電池２に供給しなけ
ればならない。図８にあるように空気供給装置７は出口
側の方が入口側より圧力が高く、温度も高温となってい
る。また車両において、ラジエータで冷却された冷媒に
よりコンデンサと空気供給装置を冷却する時には、冷却
後の空気供給装置出口での空気の温度とコンデンサ出口
での空気の温度はほぼ等しくなり、温度差はほとんどな
い。さらに特開２０００−１５６２３６号公報に開示さ
れた従来技術では、空気供給装置の下流側に水分交換器
として空気加湿器５６が設置されており、水分交換器の
吸入空気側の入口空気温度と排気空気側の入口空気温度
の差は小さくならず、吸入空気側の温度が排空気側の温
度より高い時には、十分な水交換ができない恐れがあ
る。
【００６９】これに対して本発明では、水分交換器３０
に熱交換型を用いて、空気供給装置７の上流に水分交換
器３０を設置したので、水分交換器３０の吸入空気側の
入口空気温度、即ち、大気温度が低いほど、図８に示す
ΔＴｃ−ａが大きくなり、排空気が低い温度まで冷却さ
れ、水分交換器３０内の排空気側での水凝縮量が多くな
り、水分の交換効率が向上する。
【００７０】図９に示す第２実施形態の構成は、第１実
施形態の構成に対して、水分交換器３０の排空気側の配
置をコンデンサ６０の上流に配置した点が異なり、他の
構成は第１実施形態の構成と同様である。
【００７１】このような構成とすることで、水分交換器
３０にコンデンサ６０で冷却される前の排空気が供給さ
れて水分交換器３０に伝熱型を用いた場合に、吸入空気
側の空気がより高い温度まで加熱されることになる。し
たがって同じ吸入空気側の空気圧力において飽和水蒸気
圧力が上昇することになる。例えば、６０℃で飽和水蒸
気圧力は約０．１９９ｂａｒとなり、この飽和水蒸気圧
が吸入空気側の蒸発量の限界となる。また、８０℃では
飽和水蒸気圧は約０．４７４ｂａｒとなり、吸入空気側
の空気に取り込める水分量が増加する。
【００７２】コンデンサ６０の上流側に設置された水分
交換器３０において、排空気が冷却及び水回収された結
果、コンデンサ６０での排空気からの放熱量は小さくな
り、コンデンサ６０の冷媒を冷却するための熱交換器の
放熱量を低減できる。このため、コンデンサ６０の冷媒
を同一の温度に冷却するのに必要な熱交換器の伝熱面積
を小さくでき、小型の熱交換器を採用することができ
る。
【００７３】図１０には第３実施形態の構成を示し、こ
れは第２実施形態の構成に対して、排空気側流路２０の
コンデンサ６０を廃止し、代わって水交換器３０を図５
に示すような冷却層３１ｄを持った構成として、その冷
却層３１ｄの冷媒を水タンク８１に戻す流路７０を設
け、また、冷却層３１ｄの冷媒を冷却するための熱交換
器としてのラジエータ７１を備えた点が異なっている。
【００７４】このような構成とすることで、コンデンサ
を廃止することができ、燃料電池システムを小型、軽量
に構成することができる。また水分交換器３０において
余剰に凝縮した水分を水タンク８１に回収することがで
き、吸入空気側の蒸発量に制限されることなく、水凝縮
量を大きくすることができる。
【００７５】図１１には第４実施形態の構成を示し、こ
の実施形態の構成は第１実施形態の構成に対して吸入空
気側の水交換器３０をバイパスする流路３１を設け、こ
の流路３１の途中に圧力制御弁３２が設置されている点
が異なっている。この圧力制御弁はコントローラ８５に
よってその開閉を制御されるように構成される。
【００７６】このような構成において、水タンク８１内
の水量が不足していないと推測演算手段８４が判断した
時には、図１２に示すフローチャートに則って運転条件
をコントローラ８５は判断し、圧力制御弁３２を開放す
るように指示することで、吸入空気は水交換器３０をバ
イパスする。
【００７７】図１２に示すコントローラ８５が実施する
制御内容のフローチャートを簡単に説明すると、まずス
テップＳ１で推測演算手段８４の判定結果より水タンク
８４の水量を確認する。ステップＳ２で、水タンク内の
水収支を予測する演算を実施する。ステップＳ３で、ス
テップＳ２の演算結果より、水タンク８１の水量が燃料
電池システムの運転ための適性範囲に維持可能であるか
どうか判定し、維持可能である時にはステップＳ４に進
んで、現状の運転条件を維持する。維持不可能である時
にはステップＳ５に進んで、水タンク８１内の水量が減
少傾向にあるかどうかを判定し、減少傾向の時にはステ
ップＳ６に、増加傾向または変化なしの時にはステップ
Ｓ７に進む。ステップＳ６では、水収支改善方法を判断
し、ステップＳ８で、ラジエータファンの風量増加等の
冷媒冷却強化や燃料電池２の運転圧力増加を行うように
システムを制御する。一方、ステップＳ７ではシステム
効率向上方法を判断し、ステップＳ９で、吸入空気が水
交換器３０をバイパスするようにしたり、燃料電池２の
運転圧力を低下させるようにシステムを制御する。
【００７８】このような構成とすることで、燃料電池シ
ステムの運転に必要な水の過不足を推測でき、不足が予
想される場合にのみ、水分交換器３０に吸入空気が供給
されるように制御する。水分が不足している時には、水
分交換機３０を吸入空気がバイパスするように制御し、
水分交換器３０の圧力損失分だけ吸入空気の圧力の低下
を防止できる。したがって、圧力損失が少ない分だけ、
燃料電池に空気を供給する空気供給装置７の必要動力を
少なくすることができ、燃料電池システムとしての効率
を向上することができる。
【００７９】一方、水不足の心配がない場合には、バイ
パス流路３１に空気を流すようにすることで、水分交換
器３０による圧力損失を減少させ、空気供給装置７の酸
素を燃料電池に供給するために必要な動力を小さくする
ことができ、システムとしての効率を向上することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する燃料電池シス
テム概要図である。
【図２】同じく水分交換器の構成の一例を示す図であ
る。
【図３】同じく水分交換器の構成の他の一例を示す図で
ある。
【図４】同じく水分交換器の構成の他の一例を示す図で
ある。
【図５】同じく水分交換器の構成の他の一例を示す図で
ある。
【図６】同じく水分交換器の水分交換量の増加を判定す
るフローチャートである。
【図７】第２実施形態を説明する燃料電池システム概要
図である。
【図８】第３実施形態を説明する燃料電池システム概要
図である。
【図９】第４実施形態を説明する燃料電池システム概要
図である。
【図１０】同じくコントローラが実施する制御内容を説
明するフローチャートである。
【図１１】水分交換器の取付位置による水蒸気分圧の違
いを説明する図である。
【図１２】空気供給装置の吐出圧力の変化に伴う各部温
度の変化を示す図である。
【図１３】従来技術の構成を説明する燃料電池システム
概要図である。
【符号の説明】
１ ＰＥＭＦＣ １ａ 燃料極 １ｂ 空気極 ２ 改質器 ３ 燃料蒸発器 ４ 触媒燃焼器 ７ 空気供給装置 １０ 冷却器 ２０、２１ 流路 ３１ 水分交換器

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】改質ガスを供給される燃料極と空気を供給
    される空気極とを備え発電を行う燃料電池と、 空気極に空気を供給する第１流路と、 空気極から排出される排空気を排出する第２流路と、 第１流路の途中に設置され、空気極に空気を供給するた
    めの空気供給装置と、を備えた燃料電池システムにおい
    て、 第２流路を流れる排空気と第１流路を流れる空気供給装
    置上流の吸込側空気とで水分の交換を行う水分交換器を
    備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 【請求項２】前記水分交換器は、空気が通過する空気流
    路と、排空気が通過する排空気流路と、空気流路と排空
    気流路との間に冷媒を通過させる冷媒流路とからなり、 水分交換器で回収した水分の一部を回収する水タンクを
    備え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。
  3. 【請求項３】前記水分交換器は、空気が通過する空気流
    路と、排空気が通過する排空気流路と、空気流路と排空
    気流路との間に設置されて排空気中の水蒸気を透過する
    水蒸気透過膜とからなることを特徴とする請求項１に記
    載の燃料電池システム。
  4. 【請求項４】前記水分交換器は、空気が通過する空気流
    路と、排空気が通過する排空気流路と、空気流路と排空
    気流路との間に設置されて水分を保持する保水膜とから
    なることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システ
    ム。
  5. 【請求項５】前記水分交換器は、空気が通過する空気流
    路と、排空気が通過する排空気流路と、空気流路と排空
    気流路との間に設置されて排空気中の水蒸気を透過する
    多孔質金属とからなることを特徴とする請求項１に記載
    の燃料電池システム。
  6. 【請求項６】第１流路の空気供給装置下流に空気供給装
    置から排出された空気を冷却する冷却器と、 水を貯蔵する水タンクと、 冷却器下流の第１流路と水タンクとを連通する第３流路
    を設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一
    つに記載の燃料電池システム。
  7. 【請求項７】第２流路の燃料電池と水分交換器との間に
    排空気を凝縮して水分を回収するコンデンサを設けたこ
    とを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  8. 【請求項８】第２流路の水分交換器の下流に排空気を凝
    縮して水分を回収するコンデンサを設けたことを特徴と
    する請求項１に記載の燃料電池システム。
  9. 【請求項９】燃料極に供給する改質ガスを生成する改質
    反応器と、 改質反応器に水を供給する水タンクと、 水タンクの水量を検知する手段と、 水タンク内の水収支を演算する手段と、 水量検知手段と水収支演算手段との結果に基づき水タン
    クの水量の過不足を演算する手段と、 第１流路から分岐し、水分交換器をバイパスするバイパ
    ス流路と、を備え、 水タンクの水量が不足しないと推測される場合に第１流
    路内を通過する空気をバイパス流路を通過させるように
    制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか一
    つに記載の燃料電池システム。
  10. 【請求項１０】燃料極に供給する改質ガスを生成する改
    質反応器と、 改質反応器に水を供給する水タンクと、 水タンクの水量を検知する手段と、 水タンク内の水収支を演算する手段と、 水量検知手段と水収支演算手段との結果に基づき水タン
    クの水量の過不足を演算する手段と、 第２流路の水分交換器の下流に設置された圧力制御弁
    と、を備え、 水タンクの水量が不足すると推測される場合に水分交換
    器内の排空気の圧力を上昇させるように圧力制御弁を制
    御することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つ
    に記載の燃料電池システム。
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