JP4222116B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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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関し、特に、燃料電池で生成される水の凍結を抑制するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給部と、酸化ガス供給部と、を備えている。燃料電池は、燃料ガス供給部から供給された燃料ガスに含まれる水素ガスと、酸化ガス供給部から供給された酸化ガス（空気）に含まれる酸素ガスと、を利用して発電する。
【０００３】
燃料電池内部で水素ガスと酸素ガスとが反応すると、水（生成水）が生成される。生成水は、酸化オフガス通路や燃料オフガス通路を介して、外部に排出される。しかしながら、寒冷地で燃料電池システムの運転が実行される場合には、生成される水が酸化オフガス通路や燃料オフガス通路内で凍結してしまう虞がある。
【０００４】
特許文献１では、燃料ガス供給部は、メタノールを改質することによって水素ガスを生成する。そして、原料であるメタノールを凍結抑制剤として酸化オフガス通路内に供給することにより、生成水の凍結を抑制している。
【特許文献１】
特開平１０−２２３２４９号公報
【０００５】
また、他の従来技術としては、以下の文献が挙げられる。
【特許文献２】
特開平８−１８５８７７号公報
【特許文献３】
特開２０００−３１３６０３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置では、生成水とメタノールとの混合液は、改質原料として消費される。このため、メタノールが不足する場合には、生成水が凍結してしまう虞がある。そして、生成水が凍結すると、酸化オフガス通路や燃料オフガス通路が塞がれ、燃料電池システムの運転が妨げられてしまう。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、凍結抑制剤の不足に起因する水の凍結を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排出ガスが通る排出ガス通路と、
前記燃料電池から排出され、前記排出ガス通路を通る水の凍結を抑制するために、前記排出ガス通路内に凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この装置では、凍結抑制剤循環部が設けられているため、凍結抑制剤の不足を防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、排出ガス通路内で水が凍結するのを抑制することができる。
【００１０】
上記の装置において、
前記凍結抑制剤循環部は、
前記排出ガス通路の上流側部分に凍結抑制剤を供給するための供給部と、
前記排出ガス通路の下流側部分から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、
を備えることが好ましい。
【００１１】
こうすれば、排出ガス通路内に供給される凍結抑制剤の濃度の低下を抑制することができ、排出ガス通路の上流側部分から下流側部分までにおける水の凍結を抑制することができる。
【００１２】
本発明の第２の装置は、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排出ガスが通る排出ガス通路と、
前記排出ガス通路に設けられ、前記燃料電池から排出された水を貯留するための水貯留部と、
前記水貯留部に貯留される水の凍結を抑制するために、前記水貯留部内に凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
この装置では、凍結抑制剤循環部が設けられているため、凍結抑制剤の不足を防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、水貯留部内で水が凍結するのを抑制することができる。
【００１４】
上記の装置において、さらに、
前記排出ガス通路に設けられ、排出ガスに含まれる水蒸気を分離するための気液分離部を備え、
前記気液分離部は、分離後の水を貯留するための前記水貯留部を含むようにしてもよい。
【００１５】
上記の装置において、
前記凍結抑制剤循環部は、
前記水貯留部内に凍結抑制剤を供給するための供給部と、
前記水貯留部から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、
を備えることが好ましい。
【００１６】
こうすれば、水貯留部内に供給される凍結抑制剤の濃度の低下を抑制することができ、水貯留部における水の凍結を抑制することができる。
【００１７】
上記の第１および第２の装置において、さらに、
前記回収精製部によって精製された凍結抑制剤を貯蔵するための貯蔵部を備えることが好ましい。
【００１８】
こうすれば、貯蔵部内に精製済みの凍結抑制剤を貯蔵することができるため、貯蔵部内で精製済みの凍結抑制剤が水と混合して精製済みの凍結抑制剤の濃度が低下してしまうのを抑制することができる。
【００１９】
上記の第１および第２の装置において、
前記回収精製部は、ヒータを備えており、
前記回収精製部は、水と凍結抑制剤との沸点の相違を利用して、前記精製を実行するようにしてもよい。
【００２０】
あるいは、上記の第１および第２の装置において、
前記回収精製部は、分離膜を備えており、
前記回収精製部は、水と凍結抑制剤との分子サイズの相違を利用して、前記精製を実行するようにしてもよい。
【００２１】
このように、回収精製部は、種々の手法で混合液中の凍結抑制剤を精製することができる。
【００２２】
なお、本発明は、燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載した移動体などの装置、燃料電池システムにおける凍結抑制剤の循環方法、等の種々の態様で実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
【００２４】
図示するように、燃料電池システムは、燃料電池１００と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部２００と、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部３００と、燃料電池システム全体の動作を制御するための制御部６００と、を備えている。
【００２５】
燃料電池１００には、燃料ガス供給部２００から供給される燃料ガスが通る燃料ガス通路２０１と、使用済みの燃料オフガスが通る燃料オフガス通路２０２と、が接続されている。なお、燃料ガス通路２０１と燃料オフガス通路２０２との間には、循環通路２０３が設けられている。また、燃料電池１００には、酸化ガス供給部３００から供給される酸化ガスが通る酸化ガス通路３０１と、使用済みの酸化オフガスが通る酸化オフガス通路３０２と、が接続されている。
【００２６】
燃料電池１００（図１）は、発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。図２は、図１に示す燃料電池１００の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、燃料電池１００は、複数の単電池（単セル）１１０が積層されて形成されている。そして、各単セル間には、セパレータ１２０が配置されている。
【００２７】
単セル１１０は、電解質膜１１２と、アノード（水素極）１１４ａと、カソード（酸素極）１１４ｃと、を含んでおり、電解質膜１１２は、２つの電極１１４ａ，１１４ｃによって挟まれている。各セパレータ１２０は、隣接する一方の単セル内のアノード１１４ａに接するとともに、他方の単セル内のカソード１１４ｃに接するように、配置されている。セパレータ１２０の両面には、複数の溝が形成されており、アノード１１４ａとセパレータ１２０との間、および、カソード１１４ｃとセパレータ１２０との間には、それぞれ複数の小通路１２１，１２２が形成される。
【００２８】
アノード側通路１２１には、燃料ガス供給部２００から水素ガスを含む燃料ガスが供給され、カソード側通路１２２には、酸化ガス供給部３００から酸素ガスを含む酸化ガスが供給される。そして、以下に示す電気化学反応が進行する。
【００２９】
Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2 ＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００３０】
式（１）はアノード１１４ａにおける反応を示しており、式（２）はカソード１１４ｃにおける反応を示している。そして、全体では、式（３）に示す反応が進行する。なお、カソード１１４ｃにおいて生成される水（水蒸気）は、「生成水」と呼ばれる。
【００３１】
燃料ガス供給部２００（図１）は、水素ガスを含む燃料ガスを燃料電池１００に供給する。燃料ガス供給部２００は、水素タンク２１０と、減圧器２２０と、流量制御弁２３０と、を備えている。
【００３２】
水素タンク２１０は、水素ガスを高い圧力で貯蔵する。減圧器２２０は、水素タンクから供給された水素ガスを所定の圧力に減圧する。流量制御弁２３０は、燃料電池システムの運転期間中には、間欠的に開状態に設定され、運転停止期間中には閉状態に設定される。流量制御弁２３０が開状態に設定される場合には、燃料ガスは、燃料ガス通路２０１を介して、燃料電池１００に供給される。
【００３３】
燃料ガス供給部２００は、さらに、循環ポンプ２７０と、気液分離部２８０と、遮断弁２９０と、を備えている。循環ポンプ２７０は、循環通路２０３に設けられており、気液分離部２８０と遮断弁２９０とは、燃料オフガス通路２０２に設けられている。循環ポンプ２７０は、水素ガス濃度の比較的低い燃料オフガスを、燃料ガスとして燃料ガス通路２０１内に戻す機能を有している。この構成によって、燃料ガスは、循環ポンプ２７０と燃料電池１００との間の環状通路内を循環する。このように燃料ガスを循環させることにより、燃料電池１００内部に単位時間当たりに供給される水素ガス流量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を増大させることができ、この結果、燃料電池１００における反応効率を向上させることができる。ただし、燃料電池１００における電気化学反応が進むに連れて、環状通路内の燃料ガスに含まれる水素ガス量（ｍｏｌ）は低減する。また、燃料電池１００内部の電解質膜１１２を介して、カソード側通路１２２内の酸化ガスに含まれる窒素ガスや水蒸気（生成水）などがアノード側通路１２１内の燃料ガス中に侵入する。このため、燃料ガス中の水素ガス濃度（体積百分率）は次第に低下する。そこで、本実施例では、流量制御弁２３０と遮断弁２９０とを間欠的に開状態に設定して、水素ガス濃度の高い燃料ガスを燃料電池１００に供給すると共に、水素ガス濃度の低い燃料オフガスを燃料電池１００から排出する。使用済みの燃料オフガスは、燃料オフガス通路２０２を介して大気に排出される。なお、気液分離部２８０は、燃料オフガス中に含まれる水蒸気を除去する機能を有している。具体的には、気液分離部２８０は、例えば、サイクロン方式によって気液分離を実行する。分離後の水は、一旦、水貯留部２８２に蓄えられ、排水弁２８４を介して外部に排出される。
【００３４】
酸化ガス供給部３００（図１）は、空気ブロワ３１０を備えており、酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を、酸化ガス通路３０１を介して燃料電池１００に供給する。使用済みの酸化オフガスは、酸化オフガス通路３０２を介して大気に排出される。なお、酸化オフガス通路３０２には、排気音を低減させるためのマフラ３２０が設けられている。
【００３５】
燃料電池システムは、さらに、凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部４００を備えている。燃料電池システムでは、上記の式（２）に示すように、カソード側で生成水が生成される。生成水は、酸化オフガス通路３０２を通る。燃料電池システムの運転が寒冷地で実行される場合には、生成水は、酸化オフガス通路３０２内で凍結し得る。そして、生成水が凍結すると、酸化オフガス通路３０２が閉塞されたり、酸化オフガス通路３０２内のガスが流通可能な領域が狭くなったりする虞がある。このような場合には、燃料電池１００内部に酸化ガスを供給することが困難となり、燃料電池１００は、発電を行うことが困難となる。このため、本実施例では、生成水の凍結を抑制するために、凍結抑制剤が使用されている。なお、本実施例では、凍結抑制剤としてエチレングリコールが利用されている。
【００３６】
Ａ−２．凍結抑制剤循環部の構成：
図１に示すように、凍結抑制剤循環部４００は、酸化オフガス通路３０２内に凍結抑制剤を供給するための凍結抑制剤供給部４１０と、酸化オフガス通路３０２を通る生成水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための凍結抑制剤回収精製部４２０と、を備えている。
【００３７】
凍結抑制剤供給部（以下、単に「供給部」と呼ぶ）４１０は、酸化オフガス通路３０２の上流側部分に凍結抑制剤を注入する。具体的には、供給部４１０は、注入通路４１２と、注入通路４１２の途中に設けられたポンプ４１４と、を備えている。供給部４１０は、酸化オフガス通路３０２と注入通路４１２との接続部分に形成された注入口を介して、酸化オフガス通路３０２の上流側部分に凍結抑制剤を注入する。なお、凍結抑制剤は、酸化オフガス通路３０２の上流側の端部付近で供給されることが好ましい。また、注入口にインジェクタを設け、インジェクタが酸化オフガス通路内に凍結抑制剤を噴霧するようにしてもよい。
【００３８】
凍結抑制剤回収精製部（以下、単に「回収精製部」と呼ぶ）４２０は、酸化オフガス通路３０２の下流側部分から生成水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、混合液を加熱することによって生成水と凍結抑制剤とを分離する。すなわち、本実施例の回収精製部４２０は、加熱濃縮部として機能する。具体的には、回収精製部４２０は、回収した混合液が蓄えられる混合液タンク４２２と、混合液タンク内の混合液を加熱することによって水を蒸発させるためのヒータ４２４と、を備えている。混合液が加熱されると、混合液中の生成水は、蒸発し、酸化オフガス通路３０２を介して大気へ排出される。一方、混合液中の凍結抑制剤は、混合液タンク４２２に残り、生成水の蒸発に伴って、その濃度が高められる。すなわち、本実施例の回収精製部４２０は、生成水の沸点（１００℃）と凍結抑制剤（エチレングリコール）の沸点（約１９７．６℃）との相違を利用して、凍結抑制剤を精製する。混合液タンク４２２内の凍結抑制剤濃度が高められた精製済み混合液は、ポンプ４１４によって、注入通路４１２を介して酸化オフガス通路３０２内に注入される。なお、混合液は、酸化オフガス通路３０２の下流側の端部付近で回収されることが好ましい。上記のように、回収精製部４２０が凍結抑制剤を精製することにより、供給部４１０によって供給される凍結抑制剤の濃度の低下が抑制される。
【００３９】
このように、凍結抑制剤を酸化オフガス通路３０２内に供給すれば、生成水の凝固点が低下するため、生成水の凍結を抑制することができる。また、凍結抑制剤を循環させれば、凍結抑制剤が不足することを防止することができる。この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、酸化オフガス通路３０２内で水が凍結するのを確実に防止することが可能となる。さらに、凍結抑制剤を循環させれば、凍結抑制剤を補充する手間を省略することができると共に、環境汚染を防止することもできるという利点がある。
【００４０】
ところで、本実施例の燃料電池システムでは、外気の温度を検出するための温度センサ６１０と、燃料電池１００から出力される電流を検出するための電流計６２０とが、設けられている。制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果と、電流計６２０からの検出結果と、に応じて、凍結抑制剤循環部４００を制御する。
【００４１】
具体的には、制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果が所定の温度以下である場合には、生成水が凍結する虞があると判断して、凍結抑制剤循環部４００に凍結抑制剤を循環させる。そして、制御部６００は、電流計６２０からの検出結果に応じて、ポンプ４１４およびヒータ４２４を動作させる。上記の式（２）に示すように、燃料電池１００から出力される単位時間あたりの電流は、生成水の生成量に比例する。このため、燃料電池１００の単位時間あたりの出力電流に応じて、ポンプ４１４およびヒータ４２４の動作を決定すれば、単位時間あたりに生成される生成水の量に応じて、凍結抑制剤を精製して供給することが可能となる。例えば、燃料電池１００の単位時間あたりの出力電流が比較的大きい場合には、ヒータ４２４の出力が比較的大きく設定される。このとき、ヒータ４２４は、比較的多く生成される生成水を迅速に蒸発させることによって、混合液タンク４２２内の凍結抑制剤濃度をほぼ一定に維持する。そして、ポンプ４１４は、酸化オフガス通路３０２内に、比較的多くの精製済み混合液を注入する。このようにすれば、酸化オフガス通路３０２を通る混合液の凍結抑制剤濃度を、ほぼ所定の濃度に維持することができる。なお、混合液の凍結温度は、凍結抑制剤濃度に依存する。このため、酸化オフガス通路３０２を通る混合液の凍結抑制剤濃度は、温度センサ６１０からの検出結果に応じて変更されることが好ましい。
【００４２】
一方、制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果が所定の温度以上である場合には、生成水が凍結する虞が無いと判断して、凍結抑制剤循環部４００に凍結抑制剤の循環を停止させる。具体的には、制御部６００は、ポンプ４１４の動作を停止させ、ヒータ４２４のみを動作させる。このように、ヒータ４２４を動作させれば、混合液タンク４２２に順次流入する生成水を順次蒸発させて、大気に排出することができる。
【００４３】
なお、本実施例では、凍結抑制剤は、連続的に循環しているが、これに代えて、間欠的に循環するようにしてもよい。この場合には、ポンプ４１４の動作は、凍結抑制剤を注入する直前における燃料電池１００の単位時間あたりの出力電流に応じて決定されればよい。こうすれば、酸化オフガス通路３０２を通る現行の生成水量に応じて、凍結抑制剤を供給することができる。また、ヒータ４２４の動作は、燃料電池１００の累積出力電流量に応じて決定されればよい。こうすれば、混合液タンク４２２内に既に蓄えられた生成水を蒸発させることができる。
【００４４】
また、本実施例では、凍結抑制剤は、燃料電池システムの運転期間中に注入されているが、これに代えて、燃料電池システムの運転停止の際のみに注入されるようにしてもよい。この場合には、次回の燃料電池システムの運転期間中に凍結抑制剤を精製し、次回の燃料電池システムの運転停止の際に精製された凍結抑制剤を再度注入すればよい。こうすれば、燃料電池システムの運転停止期間中における酸化オフガス通路３０２内の凍結を確実に抑制することができる。もちろん、燃料電池システムの運転期間中および運転停止時の双方で、凍結抑制剤が注入されるようにしてもよい。
【００４５】
Ａ−３．第１実施例の第１の変形例：
図３は、第１実施例の第１の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図３は、図１とほぼ同じであるが、凍結抑制剤循環部４００Ａに含まれる回収精製部４３０が変更されている。
【００４６】
具体的には、回収精製部４３０では、移送弁４３２と、貯蔵タンク４３４と、が追加されている。移送弁４３２は、混合液タンク４２２内で凍結抑制剤濃度が高められた精製済み混合液を、貯蔵タンク４３４に移送する。貯蔵タンク４３４は、移送された精製済み混合液を蓄える。そして、供給部４１０は、貯蔵タンク４３４内の精製済み混合液を酸化オフガス通路３０２内に注入する。
【００４７】
この構成を採用する場合にも、凍結抑制剤を循環させることによって、凍結抑制剤が不足することを防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、酸化オフガス通路３０２内で水が凍結するのを確実に防止することができる。
【００４８】
また、図３では、貯蔵タンク４３４が設けられているため、精製済み混合液の凍結抑制剤濃度の低下を防止することができるという利点がある。すなわち、混合液タンク４２２には、常に生成水が流入する。このため、ヒータ４２４による加熱が比較的長い期間中断される場合には、混合液タンク４２２内の凍結抑制剤濃度は、次第に低下してしまう。一方、図３に示すように、貯蔵タンク４３４が設けられている場合には、精製済み混合液を貯蔵タンク４３４内に蓄えることができるため、混合液タンク４２２への生成水の流入に起因して、貯蔵タンク４３４内の精製済み混合液の凍結抑制剤濃度が低下することが無い。
【００４９】
Ａ−４．第１実施例の第２の変形例：
図４は、第１実施例の第２の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図４は、図１とほぼ同じであるが、凍結抑制剤循環部４００Ｂに含まれる回収精製部４４０が変更されている。
【００５０】
具体的には、図１の回収精製部４２０は、水と凍結抑制剤との沸点の相違を利用して凍結抑制剤を精製しているが、図４の回収精製部４４０は、水と凍結抑制剤との分子サイズの相違を利用して凍結抑制剤を精製している。
【００５１】
図示するように、回収精製部４４０は、混合液タンク４４２と、移送弁４４４と、濾過器４４６と、ポンプ４４８と、排水弁４４９と、を備えている。
【００５２】
混合液タンク４４２は、回収された混合液を蓄える。移送弁４４４は、蓄えられた混合液の少なくとも一部を濾過器４４６に移送する。濾過器４４６は、限外濾過膜４４６ｆを備えており、移送された混合液の凍結抑制剤濃度を高める。具体的には、ポンプ４４８によって、濾過器４４６内部の圧力が高められると、限外濾過膜４４６ｆは、混合液中の水のみを選択的に透過させる。限外濾過膜４４６ｆを透過した水は、排水弁４４９を介して外部に排出される。一方、混合液中の凍結抑制剤は、濾過器４４６内に残り、水の透過に伴って、その濃度が高められる。このように、本実施例の回収精製部４４０は、水と凍結抑制剤（エチレングリコール）との分子サイズの相違を利用して、凍結抑制剤を精製する。濾過器４４６内の凍結抑制剤濃度が高められた精製済み混合液は、ポンプ４１４によって、注入通路４１２を介して酸化オフガス通路３０２内に注入される。なお、限外濾過膜４４６ｆが本発明における分離膜に相当する。
【００５３】
この構成を採用する場合にも、凍結抑制剤を循環させることによって、凍結抑制剤が不足することを防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、酸化オフガス通路３０２内で水が凍結するのを確実に防止することができる。
【００５４】
Ｂ．第２実施例：
前述したように、カソード側通路１２２（図２）内で生成された生成水（水蒸気）は、アノード側通路１２１内に侵入する。なお、この現象は、電解質膜１１２の両側における水蒸気の濃度差に起因して発生する。アノード側通路１２１に侵入した生成水（水蒸気）は、燃料オフガス通路２０２を通る。このため、燃料オフガス通路２０２には、燃料オフガス中の水蒸気（生成水）を分離するための気液分離部２８０が設けられている。
【００５５】
気液分離部２８０において分離された水（生成水）は、水貯留部２８２において凍結し得る。水貯留部２８２内で生成水が凍結すると、燃料電池１００内部に燃料ガスを供給することが困難となる場合があり、このとき、燃料電池１００は、発電を行うことが困難となる。そこで、本実施例では、水貯留部２８２に蓄えられた生成水の凍結を抑制できるように工夫している。
【００５６】
図５は、第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図５は、図１とほぼ同じであるが、第１の凍結抑制剤循環部４００に加えて、第２の凍結抑制剤循環部５００が設けられている。なお、第２の凍結抑制剤循環部５００は、水貯留部２８２に接続されている。
【００５７】
第２の凍結抑制剤循環部５００は、第１の凍結抑制剤循環部４００と同様の構成を有している。具体的には、凍結抑制剤循環部５００は、水貯留部２８２内に凍結抑制剤を供給するための供給部５１０と、水貯留部２８２から生成水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部５２０と、を備えている。
【００５８】
供給部５１０は、供給部４１０と同様に、注入通路５１２と、注入通路５１２の途中に設けられたポンプ５１４と、を備えている。供給部５１０は、注入通路５１２の先端に形成された注入口を介して、水貯留部２８２内に凍結抑制剤を注入する。
【００５９】
回収精製部５２０は、回収精製部４２０と同様に、混合液タンク５２２と、ヒータ５２４と、を備えている。また、回収精製部５２０は、回収通路５２６と、回収通路５２６の途中に設けられたポンプ５２８と、を備えている。ポンプ５２８によって回収通路５２６を介して回収された混合液は、混合液タンク５２２に蓄えられる。ヒータ５２４によって混合液が加熱されると、混合液中の生成水は、蒸発し、排気弁５２３を介して大気へ排出される。一方、混合液中の凍結抑制剤は、混合液タンク５２２に残り、生成水の蒸発に伴って、その濃度が高められる。このように、本実施例の回収精製部５２０も、生成水と凍結抑制剤との沸点の相違を利用して、凍結抑制剤を精製する。混合液タンク５２２内の精製済み混合液は、ポンプ５１４によって、注入通路５１２を介して水貯留部２８２内に注入される。上記のように、回収精製部５２０が凍結抑制剤を精製することにより、供給部５１０から供給される凍結抑制剤の濃度の低下が抑制される。
【００６０】
このように、凍結抑制剤を水貯留部２８２内に供給すれば、気液分離部２８０で分離された生成水の凍結を抑制することが可能となる。また、凍結抑制剤を循環させることによって、凍結抑制剤が不足することを防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、水貯留部２８２内で水が凍結するのを確実に防止することができる。
【００６１】
本実施例の燃料電池システムでも、制御部６００は、第１実施例で説明したように、第２の凍結抑制剤循環部５００を制御する。具体的には、制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果に応じて、凍結抑制剤を循環させ、電流計６２０からの検出結果に応じて、２つのポンプ５１４，５２８とヒータ５２４とを動作させる。なお、凍結抑制剤は、連続的に循環するように設定されていてもよいし、間欠的に循環するように設定されていてもよい。また、凍結抑制剤は、燃料電池システムの運転期間中に注入されるようにしてもよいし、燃料電池システムの運転停止の際に注入されるようにしてもよい。
【００６２】
なお、本実施例では、気液分離部２８０内部の水貯留部２８２に、図１に示す凍結抑制剤循環部４００と同様の凍結抑制剤循環部５００が接続される場合について説明したが、これに代えて、図３に示す凍結抑制剤循環部４００Ａと同様の貯蔵タンク４３４を有する凍結抑制剤循環部が接続されるようにしてもよいし、図４に示す凍結抑制剤循環部４００Ｂと同様の限外濾過膜を有する凍結抑制剤循環部が接続されるようにしてもよい。
【００６３】
また、本実施例の燃料電池システムでは、第１の凍結抑制剤循環部４００と第２の凍結抑制剤循環部５００との双方が設けられているが、第１の凍結抑制剤循環部４００を省略するようにしてもよい。
【００６４】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６５】
（１）上記実施例では、凍結抑制剤としてエチレングリコールが利用されているが、これに代えて、プロピレングリコールなどの他のアルコールを利用するようにしてもよい。なお、本実施例では、水よりも沸点の高いエチレングリコールが利用されているが、水よりも沸点の低いアルコールを利用するようにしてもよい。
【００６６】
（２）上記実施例では、回収精製部は、水と凍結抑制剤との沸点の相違、または、水と凍結抑制剤との分子サイズの相違を利用して、凍結抑制剤の精製を実行しているが、他の手法を利用するようにしいてもよい。また、複数種類の手法を組み合わせて、凍結抑制剤の精製を実行するようにしてもよい。
【００６７】
（３）上記実施例では、対象部位から凍結抑制剤濃度が比較的低い混合液が回収され、凍結抑制剤濃度が比較的高い精製済み混合液が対象部位に供給されている。すなわち、供給部は、水を含む精製済みの混合液を対象部位に供給している。しかしながら、これに代えて、供給部は、水を含まない高濃度の凍結抑制剤を、対象部位に供給するようにしてもよい。なお、この場合には、回収精製部は、混合液中の凍結抑制剤を単独で抽出すればよい。
【００６８】
一般には、凍結抑制剤循環部は、対象部位に凍結抑制剤を供給するための供給部と、対象部位から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、を備えていればよい。
【００６９】
（４）第１実施例では、凍結抑制剤循環部は、酸化オフガス通路内に凍結抑制剤を循環させているが、これに代えて、燃料オフガス通路内に凍結抑制剤を循環させるようにしてもよい。
【００７０】
一般には、凍結抑制剤循環部は、燃料電池から排出され、排出ガス通路を通る水の凍結を抑制するために、排出ガス通路内に凍結抑制剤を循環させればよい。
【００７１】
（５）第２実施例では、水貯留部は、燃料オフガスに含まれる水蒸気を分離するための気液分離部内に設けられているが、水貯留部は、単独で燃料オフガス通路に設けられていてもよい。
【００７２】
また、第２実施例では、凍結抑制剤循環部は、燃料オフガス通路に設けられた水貯留部内に凍結抑制剤を循環させているが、酸化オフガス通路に水貯留部が設けられている場合には、酸化オフガス通路に設けられた水貯留部に凍結抑制剤を循環させるようにしてもよい。
【００７３】
一般には、燃料電池システムは、燃料電池から排出された水を貯留するための水貯留部と、水貯留部内に凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、を備えていればよい。
【００７４】
（６）上記実施例では、燃料電池で生成される生成水に注目して説明したが、実際には、燃料電池システムでは、加湿器が設けられている場合が多い。この場合には、加湿器からの水蒸気も、混合液タンクに回収される。そして、回収精製部は、加湿に利用された水を含む混合液中の凍結抑制剤を精製する。一般には、凍結抑制剤は、燃料電池から排出された水の凍結を抑制するために利用されればよい。
【００７５】
（７）上記実施例では、燃料ガス供給部２００は、水素タンク２１０を備えているが、これに代えて、水素吸蔵合金を備えていてもよいし、アルコールや、天然ガス、ガソリン、エーテル、アルデヒドなどを改質して水素ガスを生成する改質部を備えていてもよい。
【００７６】
（８）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、他のタイプの燃料電池にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】 図１に示す燃料電池１００の内部構成を模式的に示す説明図である。
【図３】 第１実施例の第１の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図４】 第１実施例の第２の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図５】 第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１００…燃料電池
１１０…単セル
１１２…電解質膜
１１４ａ…アノード
１１４ｃ…カソード
１２０…セパレータ
１２１…アノード側通路
１２２…カソード側通路
２００…燃料ガス供給部
２０１…燃料ガス通路
２０２…燃料オフガス通路
２０３…循環通路
２１０…水素タンク
２２０…減圧器
２３０…流量制御弁
２７０…循環ポンプ
２８０…気液分離部
２８２…水貯留部
２８４…排水弁
２９０…遮断弁
３００…酸化ガス供給部
３０１…酸化ガス通路
３０２…酸化オフガス通路
３１０…空気ブロワ
３２０…マフラ
４００，４００Ａ，４００Ｂ…凍結抑制剤循環部
４１０…凍結抑制剤供給部
４１２…注入通路
４１４…ポンプ
４２０…凍結抑制剤回収精製部
４２２…混合液タンク
４２４…ヒータ
４３０…凍結抑制剤回収精製部
４３２…移送弁
４３４…貯蔵タンク
４４０…凍結抑制剤回収精製部
４４２…混合液タンク
４４６…濾過器
４４６ｆ…限外濾過膜
４４８…ポンプ
４４９…排水弁
５００…凍結抑制剤循環部
５１０…凍結抑制剤供給部
５１２…注入通路
５１４…ポンプ
５２０…凍結抑制剤回収精製部
５２２…混合液タンク
５２３…排気弁
５２４…ヒータ
５２６…回収通路
５２８…ポンプ
６００…制御部
６１０…温度センサ
６２０…電流計
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池で生成される水の凍結を抑制するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給部と、酸化ガス供給部と、を備えている。燃料電池は、燃料ガス供給部から供給された燃料ガスに含まれる水素ガスと、酸化ガス供給部から供給された酸化ガス（空気）に含まれる酸素ガスと、を利用して発電する。
【０００３】
燃料電池内部で水素ガスと酸素ガスとが反応すると、水（生成水）が生成される。生成水は、酸化オフガス通路や燃料オフガス通路を介して、外部に排出される。しかしながら、寒冷地で燃料電池システムの運転が実行される場合には、生成される水が酸化オフガス通路や燃料オフガス通路内で凍結してしまう虞がある。
【０００４】
特許文献１では、燃料ガス供給部は、メタノールを改質することによって水素ガスを生成する。そして、原料であるメタノールを凍結抑制剤として酸化オフガス通路内に供給することにより、生成水の凍結を抑制している。
【特許文献１】
特開平１０−２２３２４９号公報
【０００５】
また、他の従来技術としては、以下の文献が挙げられる。
【特許文献２】
特開平８−１８５８７７号公報
【特許文献３】
特開２０００−３１３６０３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置では、生成水とメタノールとの混合液は、改質原料として消費される。このため、メタノールが不足する場合には、生成水が凍結してしまう虞がある。そして、生成水が凍結すると、酸化オフガス通路や燃料オフガス通路が塞がれ、燃料電池システムの運転が妨げられてしまう。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、凍結抑制剤の不足に起因する水の凍結を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排出ガスが通る排出ガス通路と、
前記燃料電池から排出され、前記排出ガス通路を通る水の凍結を抑制するために、前記排出ガス通路内に凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この装置では、凍結抑制剤循環部が設けられているため、凍結抑制剤の不足を防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、排出ガス通路内で水が凍結するのを抑制することができる。
【００１０】
上記の装置において、
前記凍結抑制剤循環部は、
前記排出ガス通路の上流側部分に凍結抑制剤を供給するための供給部と、
前記排出ガス通路の下流側部分から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、
を備えることが好ましい。
【００１１】
こうすれば、排出ガス通路内に供給される凍結抑制剤の濃度の低下を抑制することができ、排出ガス通路の上流側部分から下流側部分までにおける水の凍結を抑制することができる。
【００１２】
本発明の第２の装置は、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排出ガスが通る排出ガス通路と、
前記排出ガス通路に設けられ、前記燃料電池から排出された水を貯留するための水貯留部と、
前記水貯留部に貯留される水の凍結を抑制するために、前記水貯留部内に凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
この装置では、凍結抑制剤循環部が設けられているため、凍結抑制剤の不足を防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、水貯留部内で水が凍結するのを抑制することができる。
【００１４】
上記の装置において、さらに、
前記排出ガス通路に設けられ、排出ガスに含まれる水蒸気を分離するための気液分離部を備え、
前記気液分離部は、分離後の水を貯留するための前記水貯留部を含むようにしてもよい。
【００１５】
上記の装置において、
前記凍結抑制剤循環部は、
前記水貯留部内に凍結抑制剤を供給するための供給部と、
前記水貯留部から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、
を備えることが好ましい。
【００１６】
こうすれば、水貯留部内に供給される凍結抑制剤の濃度の低下を抑制することができ、水貯留部における水の凍結を抑制することができる。
【００１７】
上記の第１および第２の装置において、さらに、
前記回収精製部によって精製された凍結抑制剤を貯蔵するための貯蔵部を備えることが好ましい。
【００１８】
こうすれば、貯蔵部内に精製済みの凍結抑制剤を貯蔵することができるため、貯蔵部内で精製済みの凍結抑制剤が水と混合して精製済みの凍結抑制剤の濃度が低下してしまうのを抑制することができる。
【００１９】
上記の第１および第２の装置において、
前記回収精製部は、ヒータを備えており、
前記回収精製部は、水と凍結抑制剤との沸点の相違を利用して、前記精製を実行するようにしてもよい。
【００２０】
あるいは、上記の第１および第２の装置において、
前記回収精製部は、分離膜を備えており、
前記回収精製部は、水と凍結抑制剤との分子サイズの相違を利用して、前記精製を実行するようにしてもよい。
【００２１】
このように、回収精製部は、種々の手法で混合液中の凍結抑制剤を精製することができる。
【００２２】
なお、本発明は、燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載した移動体などの装置、燃料電池システムにおける凍結抑制剤の循環方法、等の種々の態様で実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
【００２４】
図示するように、燃料電池システムは、燃料電池１００と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部２００と、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部３００と、燃料電池システム全体の動作を制御するための制御部６００と、を備えている。
【００２５】
燃料電池１００には、燃料ガス供給部２００から供給される燃料ガスが通る燃料ガス通路２０１と、使用済みの燃料オフガスが通る燃料オフガス通路２０２と、が接続されている。なお、燃料ガス通路２０１と燃料オフガス通路２０２との間には、循環通路２０３が設けられている。また、燃料電池１００には、酸化ガス供給部３００から供給される酸化ガスが通る酸化ガス通路３０１と、使用済みの酸化オフガスが通る酸化オフガス通路３０２と、が接続されている。
【００２６】
燃料電池１００（図１）は、発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。図２は、図１に示す燃料電池１００の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、燃料電池１００は、複数の単電池（単セル）１１０が積層されて形成されている。そして、各単セル間には、セパレータ１２０が配置されている。
【００２７】
単セル１１０は、電解質膜１１２と、アノード（水素極）１１４ａと、カソード（酸素極）１１４ｃと、を含んでおり、電解質膜１１２は、２つの電極１１４ａ，１１４ｃによって挟まれている。各セパレータ１２０は、隣接する一方の単セル内のアノード１１４ａに接するとともに、他方の単セル内のカソード１１４ｃに接するように、配置されている。セパレータ１２０の両面には、複数の溝が形成されており、アノード１１４ａとセパレータ１２０との間、および、カソード１１４ｃとセパレータ１２０との間には、それぞれ複数の小通路１２１，１２２が形成される。
【００２８】
アノード側通路１２１には、燃料ガス供給部２００から水素ガスを含む燃料ガスが供給され、カソード側通路１２２には、酸化ガス供給部３００から酸素ガスを含む酸化ガスが供給される。そして、以下に示す電気化学反応が進行する。
【００２９】
Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2 ＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００３０】
式（１）はアノード１１４ａにおける反応を示しており、式（２）はカソード１１４ｃにおける反応を示している。そして、全体では、式（３）に示す反応が進行する。なお、カソード１１４ｃにおいて生成される水（水蒸気）は、「生成水」と呼ばれる。
【００３１】
燃料ガス供給部２００（図１）は、水素ガスを含む燃料ガスを燃料電池１００に供給する。燃料ガス供給部２００は、水素タンク２１０と、減圧器２２０と、流量制御弁２３０と、を備えている。
【００３２】
水素タンク２１０は、水素ガスを高い圧力で貯蔵する。減圧器２２０は、水素タンクから供給された水素ガスを所定の圧力に減圧する。流量制御弁２３０は、燃料電池システムの運転期間中には、間欠的に開状態に設定され、運転停止期間中には閉状態に設定される。流量制御弁２３０が開状態に設定される場合には、燃料ガスは、燃料ガス通路２０１を介して、燃料電池１００に供給される。
【００３３】
燃料ガス供給部２００は、さらに、循環ポンプ２７０と、気液分離部２８０と、遮断弁２９０と、を備えている。循環ポンプ２７０は、循環通路２０３に設けられており、気液分離部２８０と遮断弁２９０とは、燃料オフガス通路２０２に設けられている。循環ポンプ２７０は、水素ガス濃度の比較的低い燃料オフガスを、燃料ガスとして燃料ガス通路２０１内に戻す機能を有している。この構成によって、燃料ガスは、循環ポンプ２７０と燃料電池１００との間の環状通路内を循環する。このように燃料ガスを循環させることにより、燃料電池１００内部に単位時間当たりに供給される水素ガス流量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を増大させることができ、この結果、燃料電池１００における反応効率を向上させることができる。ただし、燃料電池１００における電気化学反応が進むに連れて、環状通路内の燃料ガスに含まれる水素ガス量（ｍｏｌ）は低減する。また、燃料電池１００内部の電解質膜１１２を介して、カソード側通路１２２内の酸化ガスに含まれる窒素ガスや水蒸気（生成水）などがアノード側通路１２１内の燃料ガス中に侵入する。このため、燃料ガス中の水素ガス濃度（体積百分率）は次第に低下する。そこで、本実施例では、流量制御弁２３０と遮断弁２９０とを間欠的に開状態に設定して、水素ガス濃度の高い燃料ガスを燃料電池１００に供給すると共に、水素ガス濃度の低い燃料オフガスを燃料電池１００から排出する。使用済みの燃料オフガスは、燃料オフガス通路２０２を介して大気に排出される。なお、気液分離部２８０は、燃料オフガス中に含まれる水蒸気を除去する機能を有している。具体的には、気液分離部２８０は、例えば、サイクロン方式によって気液分離を実行する。分離後の水は、一旦、水貯留部２８２に蓄えられ、排水弁２８４を介して外部に排出される。
【００３４】
酸化ガス供給部３００（図１）は、空気ブロワ３１０を備えており、酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を、酸化ガス通路３０１を介して燃料電池１００に供給する。使用済みの酸化オフガスは、酸化オフガス通路３０２を介して大気に排出される。なお、酸化オフガス通路３０２には、排気音を低減させるためのマフラ３２０が設けられている。
【００３５】
燃料電池システムは、さらに、凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部４００を備えている。燃料電池システムでは、上記の式（２）に示すように、カソード側で生成水が生成される。生成水は、酸化オフガス通路３０２を通る。燃料電池システムの運転が寒冷地で実行される場合には、生成水は、酸化オフガス通路３０２内で凍結し得る。そして、生成水が凍結すると、酸化オフガス通路３０２が閉塞されたり、酸化オフガス通路３０２内のガスが流通可能な領域が狭くなったりする虞がある。このような場合には、燃料電池１００内部に酸化ガスを供給することが困難となり、燃料電池１００は、発電を行うことが困難となる。このため、本実施例では、生成水の凍結を抑制するために、凍結抑制剤が使用されている。なお、本実施例では、凍結抑制剤としてエチレングリコールが利用されている。
【００３６】
Ａ−２．凍結抑制剤循環部の構成：
図１に示すように、凍結抑制剤循環部４００は、酸化オフガス通路３０２内に凍結抑制剤を供給するための凍結抑制剤供給部４１０と、酸化オフガス通路３０２を通る生成水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための凍結抑制剤回収精製部４２０と、を備えている。
【００３７】
凍結抑制剤供給部（以下、単に「供給部」と呼ぶ）４１０は、酸化オフガス通路３０２の上流側部分に凍結抑制剤を注入する。具体的には、供給部４１０は、注入通路４１２と、注入通路４１２の途中に設けられたポンプ４１４と、を備えている。供給部４１０は、酸化オフガス通路３０２と注入通路４１２との接続部分に形成された注入口を介して、酸化オフガス通路３０２の上流側部分に凍結抑制剤を注入する。なお、凍結抑制剤は、酸化オフガス通路３０２の上流側の端部付近で供給されることが好ましい。また、注入口にインジェクタを設け、インジェクタが酸化オフガス通路内に凍結抑制剤を噴霧するようにしてもよい。
【００３８】
凍結抑制剤回収精製部（以下、単に「回収精製部」と呼ぶ）４２０は、酸化オフガス通路３０２の下流側部分から生成水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、混合液を加熱することによって生成水と凍結抑制剤とを分離する。すなわち、本実施例の回収精製部４２０は、加熱濃縮部として機能する。具体的には、回収精製部４２０は、回収した混合液が蓄えられる混合液タンク４２２と、混合液タンク内の混合液を加熱することによって水を蒸発させるためのヒータ４２４と、を備えている。混合液が加熱されると、混合液中の生成水は、蒸発し、酸化オフガス通路３０２を介して大気へ排出される。一方、混合液中の凍結抑制剤は、混合液タンク４２２に残り、生成水の蒸発に伴って、その濃度が高められる。すなわち、本実施例の回収精製部４２０は、生成水の沸点（１００℃）と凍結抑制剤（エチレングリコール）の沸点（約１９７．６℃）との相違を利用して、凍結抑制剤を精製する。混合液タンク４２２内の凍結抑制剤濃度が高められた精製済み混合液は、ポンプ４１４によって、注入通路４１２を介して酸化オフガス通路３０２内に注入される。なお、混合液は、酸化オフガス通路３０２の下流側の端部付近で回収されることが好ましい。上記のように、回収精製部４２０が凍結抑制剤を精製することにより、供給部４１０によって供給される凍結抑制剤の濃度の低下が抑制される。
【００３９】
このように、凍結抑制剤を酸化オフガス通路３０２内に供給すれば、生成水の凝固点が低下するため、生成水の凍結を抑制することができる。また、凍結抑制剤を循環させれば、凍結抑制剤が不足することを防止することができる。この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、酸化オフガス通路３０２内で水が凍結するのを確実に防止することが可能となる。さらに、凍結抑制剤を循環させれば、凍結抑制剤を補充する手間を省略することができると共に、環境汚染を防止することもできるという利点がある。
【００４０】
ところで、本実施例の燃料電池システムでは、外気の温度を検出するための温度センサ６１０と、燃料電池１００から出力される電流を検出するための電流計６２０とが、設けられている。制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果と、電流計６２０からの検出結果と、に応じて、凍結抑制剤循環部４００を制御する。
【００４１】
具体的には、制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果が所定の温度以下である場合には、生成水が凍結する虞があると判断して、凍結抑制剤循環部４００に凍結抑制剤を循環させる。そして、制御部６００は、電流計６２０からの検出結果に応じて、ポンプ４１４およびヒータ４２４を動作させる。上記の式（２）に示すように、燃料電池１００から出力される単位時間あたりの電流は、生成水の生成量に比例する。このため、燃料電池１００の単位時間あたりの出力電流に応じて、ポンプ４１４およびヒータ４２４の動作を決定すれば、単位時間あたりに生成される生成水の量に応じて、凍結抑制剤を精製して供給することが可能となる。例えば、燃料電池１００の単位時間あたりの出力電流が比較的大きい場合には、ヒータ４２４の出力が比較的大きく設定される。このとき、ヒータ４２４は、比較的多く生成される生成水を迅速に蒸発させることによって、混合液タンク４２２内の凍結抑制剤濃度をほぼ一定に維持する。そして、ポンプ４１４は、酸化オフガス通路３０２内に、比較的多くの精製済み混合液を注入する。このようにすれば、酸化オフガス通路３０２を通る混合液の凍結抑制剤濃度を、ほぼ所定の濃度に維持することができる。なお、混合液の凍結温度は、凍結抑制剤濃度に依存する。このため、酸化オフガス通路３０２を通る混合液の凍結抑制剤濃度は、温度センサ６１０からの検出結果に応じて変更されることが好ましい。
【００４２】
一方、制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果が所定の温度以上である場合には、生成水が凍結する虞が無いと判断して、凍結抑制剤循環部４００に凍結抑制剤の循環を停止させる。具体的には、制御部６００は、ポンプ４１４の動作を停止させ、ヒータ４２４のみを動作させる。このように、ヒータ４２４を動作させれば、混合液タンク４２２に順次流入する生成水を順次蒸発させて、大気に排出することができる。
【００４３】
なお、本実施例では、凍結抑制剤は、連続的に循環しているが、これに代えて、間欠的に循環するようにしてもよい。この場合には、ポンプ４１４の動作は、凍結抑制剤を注入する直前における燃料電池１００の単位時間あたりの出力電流に応じて決定されればよい。こうすれば、酸化オフガス通路３０２を通る現行の生成水量に応じて、凍結抑制剤を供給することができる。また、ヒータ４２４の動作は、燃料電池１００の累積出力電流量に応じて決定されればよい。こうすれば、混合液タンク４２２内に既に蓄えられた生成水を蒸発させることができる。
【００４４】
また、本実施例では、凍結抑制剤は、燃料電池システムの運転期間中に注入されているが、これに代えて、燃料電池システムの運転停止の際のみに注入されるようにしてもよい。この場合には、次回の燃料電池システムの運転期間中に凍結抑制剤を精製し、次回の燃料電池システムの運転停止の際に精製された凍結抑制剤を再度注入すればよい。こうすれば、燃料電池システムの運転停止期間中における酸化オフガス通路３０２内の凍結を確実に抑制することができる。もちろん、燃料電池システムの運転期間中および運転停止時の双方で、凍結抑制剤が注入されるようにしてもよい。
【００４５】
Ａ−３．第１実施例の第１の変形例：
図３は、第１実施例の第１の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図３は、図１とほぼ同じであるが、凍結抑制剤循環部４００Ａに含まれる回収精製部４３０が変更されている。
【００４６】
具体的には、回収精製部４３０では、移送弁４３２と、貯蔵タンク４３４と、が追加されている。移送弁４３２は、混合液タンク４２２内で凍結抑制剤濃度が高められた精製済み混合液を、貯蔵タンク４３４に移送する。貯蔵タンク４３４は、移送された精製済み混合液を蓄える。そして、供給部４１０は、貯蔵タンク４３４内の精製済み混合液を酸化オフガス通路３０２内に注入する。
【００４７】
この構成を採用する場合にも、凍結抑制剤を循環させることによって、凍結抑制剤が不足することを防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、酸化オフガス通路３０２内で水が凍結するのを確実に防止することができる。
【００４８】
また、図３では、貯蔵タンク４３４が設けられているため、精製済み混合液の凍結抑制剤濃度の低下を防止することができるという利点がある。すなわち、混合液タンク４２２には、常に生成水が流入する。このため、ヒータ４２４による加熱が比較的長い期間中断される場合には、混合液タンク４２２内の凍結抑制剤濃度は、次第に低下してしまう。一方、図３に示すように、貯蔵タンク４３４が設けられている場合には、精製済み混合液を貯蔵タンク４３４内に蓄えることができるため、混合液タンク４２２への生成水の流入に起因して、貯蔵タンク４３４内の精製済み混合液の凍結抑制剤濃度が低下することが無い。
【００４９】
Ａ−４．第１実施例の第２の変形例：
図４は、第１実施例の第２の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図４は、図１とほぼ同じであるが、凍結抑制剤循環部４００Ｂに含まれる回収精製部４４０が変更されている。
【００５０】
具体的には、図１の回収精製部４２０は、水と凍結抑制剤との沸点の相違を利用して凍結抑制剤を精製しているが、図４の回収精製部４４０は、水と凍結抑制剤との分子サイズの相違を利用して凍結抑制剤を精製している。
【００５１】
図示するように、回収精製部４４０は、混合液タンク４４２と、移送弁４４４と、濾過器４４６と、ポンプ４４８と、排水弁４４９と、を備えている。
【００５２】
混合液タンク４４２は、回収された混合液を蓄える。移送弁４４４は、蓄えられた混合液の少なくとも一部を濾過器４４６に移送する。濾過器４４６は、限外濾過膜４４６ｆを備えており、移送された混合液の凍結抑制剤濃度を高める。具体的には、ポンプ４４８によって、濾過器４４６内部の圧力が高められると、限外濾過膜４４６ｆは、混合液中の水のみを選択的に透過させる。限外濾過膜４４６ｆを透過した水は、排水弁４４９を介して外部に排出される。一方、混合液中の凍結抑制剤は、濾過器４４６内に残り、水の透過に伴って、その濃度が高められる。このように、本実施例の回収精製部４４０は、水と凍結抑制剤（エチレングリコール）との分子サイズの相違を利用して、凍結抑制剤を精製する。濾過器４４６内の凍結抑制剤濃度が高められた精製済み混合液は、ポンプ４１４によって、注入通路４１２を介して酸化オフガス通路３０２内に注入される。なお、限外濾過膜４４６ｆが本発明における分離膜に相当する。
【００５３】
この構成を採用する場合にも、凍結抑制剤を循環させることによって、凍結抑制剤が不足することを防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、酸化オフガス通路３０２内で水が凍結するのを確実に防止することができる。
【００５４】
Ｂ．第２実施例：
前述したように、カソード側通路１２２（図２）内で生成された生成水（水蒸気）は、アノード側通路１２１内に侵入する。なお、この現象は、電解質膜１１２の両側における水蒸気の濃度差に起因して発生する。アノード側通路１２１に侵入した生成水（水蒸気）は、燃料オフガス通路２０２を通る。このため、燃料オフガス通路２０２には、燃料オフガス中の水蒸気（生成水）を分離するための気液分離部２８０が設けられている。
【００５５】
気液分離部２８０において分離された水（生成水）は、水貯留部２８２において凍結し得る。水貯留部２８２内で生成水が凍結すると、燃料電池１００内部に燃料ガスを供給することが困難となる場合があり、このとき、燃料電池１００は、発電を行うことが困難となる。そこで、本実施例では、水貯留部２８２に蓄えられた生成水の凍結を抑制できるように工夫している。
【００５６】
図５は、第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図５は、図１とほぼ同じであるが、第１の凍結抑制剤循環部４００に加えて、第２の凍結抑制剤循環部５００が設けられている。なお、第２の凍結抑制剤循環部５００は、水貯留部２８２に接続されている。
【００５７】
第２の凍結抑制剤循環部５００は、第１の凍結抑制剤循環部４００と同様の構成を有している。具体的には、凍結抑制剤循環部５００は、水貯留部２８２内に凍結抑制剤を供給するための供給部５１０と、水貯留部２８２から生成水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部５２０と、を備えている。
【００５８】
供給部５１０は、供給部４１０と同様に、注入通路５１２と、注入通路５１２の途中に設けられたポンプ５１４と、を備えている。供給部５１０は、注入通路５１２の先端に形成された注入口を介して、水貯留部２８２内に凍結抑制剤を注入する。
【００５９】
回収精製部５２０は、回収精製部４２０と同様に、混合液タンク５２２と、ヒータ５２４と、を備えている。また、回収精製部５２０は、回収通路５２６と、回収通路５２６の途中に設けられたポンプ５２８と、を備えている。ポンプ５２８によって回収通路５２６を介して回収された混合液は、混合液タンク５２２に蓄えられる。ヒータ５２４によって混合液が加熱されると、混合液中の生成水は、蒸発し、排気弁５２３を介して大気へ排出される。一方、混合液中の凍結抑制剤は、混合液タンク５２２に残り、生成水の蒸発に伴って、その濃度が高められる。このように、本実施例の回収精製部５２０も、生成水と凍結抑制剤との沸点の相違を利用して、凍結抑制剤を精製する。混合液タンク５２２内の精製済み混合液は、ポンプ５１４によって、注入通路５１２を介して水貯留部２８２内に注入される。上記のように、回収精製部５２０が凍結抑制剤を精製することにより、供給部５１０から供給される凍結抑制剤の濃度の低下が抑制される。
【００６０】
このように、凍結抑制剤を水貯留部２８２内に供給すれば、気液分離部２８０で分離された生成水の凍結を抑制することが可能となる。また、凍結抑制剤を循環させることによって、凍結抑制剤が不足することを防止することができ、この結果、凍結抑制剤の不足に起因して、水貯留部２８２内で水が凍結するのを確実に防止することができる。
【００６１】
本実施例の燃料電池システムでも、制御部６００は、第１実施例で説明したように、第２の凍結抑制剤循環部５００を制御する。具体的には、制御部６００は、温度センサ６１０からの検出結果に応じて、凍結抑制剤を循環させ、電流計６２０からの検出結果に応じて、２つのポンプ５１４，５２８とヒータ５２４とを動作させる。なお、凍結抑制剤は、連続的に循環するように設定されていてもよいし、間欠的に循環するように設定されていてもよい。また、凍結抑制剤は、燃料電池システムの運転期間中に注入されるようにしてもよいし、燃料電池システムの運転停止の際に注入されるようにしてもよい。
【００６２】
なお、本実施例では、気液分離部２８０内部の水貯留部２８２に、図１に示す凍結抑制剤循環部４００と同様の凍結抑制剤循環部５００が接続される場合について説明したが、これに代えて、図３に示す凍結抑制剤循環部４００Ａと同様の貯蔵タンク４３４を有する凍結抑制剤循環部が接続されるようにしてもよいし、図４に示す凍結抑制剤循環部４００Ｂと同様の限外濾過膜を有する凍結抑制剤循環部が接続されるようにしてもよい。
【００６３】
また、本実施例の燃料電池システムでは、第１の凍結抑制剤循環部４００と第２の凍結抑制剤循環部５００との双方が設けられているが、第１の凍結抑制剤循環部４００を省略するようにしてもよい。
【００６４】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６５】
（１）上記実施例では、凍結抑制剤としてエチレングリコールが利用されているが、これに代えて、プロピレングリコールなどの他のアルコールを利用するようにしてもよい。なお、本実施例では、水よりも沸点の高いエチレングリコールが利用されているが、水よりも沸点の低いアルコールを利用するようにしてもよい。
【００６６】
（２）上記実施例では、回収精製部は、水と凍結抑制剤との沸点の相違、または、水と凍結抑制剤との分子サイズの相違を利用して、凍結抑制剤の精製を実行しているが、他の手法を利用するようにしいてもよい。また、複数種類の手法を組み合わせて、凍結抑制剤の精製を実行するようにしてもよい。
【００６７】
（３）上記実施例では、対象部位から凍結抑制剤濃度が比較的低い混合液が回収され、凍結抑制剤濃度が比較的高い精製済み混合液が対象部位に供給されている。すなわち、供給部は、水を含む精製済みの混合液を対象部位に供給している。しかしながら、これに代えて、供給部は、水を含まない高濃度の凍結抑制剤を、対象部位に供給するようにしてもよい。なお、この場合には、回収精製部は、混合液中の凍結抑制剤を単独で抽出すればよい。
【００６８】
一般には、凍結抑制剤循環部は、対象部位に凍結抑制剤を供給するための供給部と、対象部位から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、を備えていればよい。
【００６９】
（４）第１実施例では、凍結抑制剤循環部は、酸化オフガス通路内に凍結抑制剤を循環させているが、これに代えて、燃料オフガス通路内に凍結抑制剤を循環させるようにしてもよい。
【００７０】
一般には、凍結抑制剤循環部は、燃料電池から排出され、排出ガス通路を通る水の凍結を抑制するために、排出ガス通路内に凍結抑制剤を循環させればよい。
【００７１】
（５）第２実施例では、水貯留部は、燃料オフガスに含まれる水蒸気を分離するための気液分離部内に設けられているが、水貯留部は、単独で燃料オフガス通路に設けられていてもよい。
【００７２】
また、第２実施例では、凍結抑制剤循環部は、燃料オフガス通路に設けられた水貯留部内に凍結抑制剤を循環させているが、酸化オフガス通路に水貯留部が設けられている場合には、酸化オフガス通路に設けられた水貯留部に凍結抑制剤を循環させるようにしてもよい。
【００７３】
一般には、燃料電池システムは、燃料電池から排出された水を貯留するための水貯留部と、水貯留部内に凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、を備えていればよい。
【００７４】
（６）上記実施例では、燃料電池で生成される生成水に注目して説明したが、実際には、燃料電池システムでは、加湿器が設けられている場合が多い。この場合には、加湿器からの水蒸気も、混合液タンクに回収される。そして、回収精製部は、加湿に利用された水を含む混合液中の凍結抑制剤を精製する。一般には、凍結抑制剤は、燃料電池から排出された水の凍結を抑制するために利用されればよい。
【００７５】
（７）上記実施例では、燃料ガス供給部２００は、水素タンク２１０を備えているが、これに代えて、水素吸蔵合金を備えていてもよいし、アルコールや、天然ガス、ガソリン、エーテル、アルデヒドなどを改質して水素ガスを生成する改質部を備えていてもよい。
【００７６】
（８）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、他のタイプの燃料電池にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】 図１に示す燃料電池１００の内部構成を模式的に示す説明図である。
【図３】 第１実施例の第１の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図４】 第１実施例の第２の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図５】 第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１００…燃料電池
１１０…単セル
１１２…電解質膜
１１４ａ…アノード
１１４ｃ…カソード
１２０…セパレータ
１２１…アノード側通路
１２２…カソード側通路
２００…燃料ガス供給部
２０１…燃料ガス通路
２０２…燃料オフガス通路
２０３…循環通路
２１０…水素タンク
２２０…減圧器
２３０…流量制御弁
２７０…循環ポンプ
２８０…気液分離部
２８２…水貯留部
２８４…排水弁
２９０…遮断弁
３００…酸化ガス供給部
３０１…酸化ガス通路
３０２…酸化オフガス通路
３１０…空気ブロワ
３２０…マフラ
４００，４００Ａ，４００Ｂ…凍結抑制剤循環部
４１０…凍結抑制剤供給部
４１２…注入通路
４１４…ポンプ
４２０…凍結抑制剤回収精製部
４２２…混合液タンク
４２４…ヒータ
４３０…凍結抑制剤回収精製部
４３２…移送弁
４３４…貯蔵タンク
４４０…凍結抑制剤回収精製部
４４２…混合液タンク
４４６…濾過器
４４６ｆ…限外濾過膜
４４８…ポンプ
４４９…排水弁
５００…凍結抑制剤循環部
５１０…凍結抑制剤供給部
５１２…注入通路
５１４…ポンプ
５２０…凍結抑制剤回収精製部
５２２…混合液タンク
５２３…排気弁
５２４…ヒータ
５２６…回収通路
５２８…ポンプ
６００…制御部
６１０…温度センサ
６２０…電流計
Claims (8)
- 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排出ガスが通る排出ガス通路と、
前記燃料電池から排出され前記排出ガス通路を通る水の凍結を抑制するために、前記排出ガス通路に凍結抑制剤を投入し、前記排出ガス通路に投入され前記排出ガス通路を流通した前記凍結抑制剤を前記排出ガス通路から回収し、再び前記排出ガス通路に投入することによって、前記排出ガス通路内に前記凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記凍結抑制剤循環部は、
前記排出ガス通路の上流側部分に凍結抑制剤を供給するための供給部と、
前記排出ガス通路の下流側部分から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、
を備える、燃料電池システム。 - 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から排出される排出ガスが通る排出ガス通路と、
前記排出ガス通路に設けられ、前記燃料電池から排出された水を貯留するための水貯留部と、
前記水貯留部に貯留される水の凍結を抑制するために、前記排出ガス通路に凍結抑制剤を投入し、前記排出ガス通路に投入され前記排出ガス通路を流通した前記凍結抑制剤を前記排出ガス通路から回収し、再び前記排出ガス通路に投入することによって、前記水貯留部内に凍結抑制剤を循環させるための凍結抑制剤循環部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項３記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記排出ガス通路に設けられ、排出ガスに含まれる水蒸気を分離するための気液分離部を備え、
前記気液分離部は、分離後の水を貯留するための前記水貯留部を含む、燃料電池システム。 - 請求項３または４記載の燃料電池システムであって、
前記凍結抑制剤循環部は、
前記水貯留部内に凍結抑制剤を供給するための供給部と、
前記水貯留部から水と凍結抑制剤とを含む混合液を回収して、凍結抑制剤を精製するための回収精製部と、
を備える、燃料電池システム。 - 請求項２または５記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記回収精製部によって精製された凍結抑制剤を貯蔵するための貯蔵部を備える、燃料電池システム。 - 請求項２，５，６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記回収精製部は、ヒータを備えており、
前記回収精製部は、水と凍結抑制剤との沸点の相違を利用して、前記精製を実行する、燃料電池システム。 - 請求項２，５，６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記回収精製部は、分離膜を備えており、
前記回収精製部は、水と凍結抑制剤との分子サイズの相違を利用して、前記精製を実行する、燃料電池システム。
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