JP2002117881A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池から排出される排出ガスを、燃料電
池に供給される反応ガスに対する加湿ガスとして利用す
る際に要求される加湿量を確保する。 【解決手段】 燃料電池システム１０を、燃料電池１１
と、燃料電池１１から排出される排出ガスを燃料ガスに
混合して燃料電池１１へ再循環させるエゼクタ１５と、
排出ガスに含まれる水分により燃料ガスを加湿する加湿
部１８と、加湿部１８から流出される排出ガスから凝縮
水を回収する気液分離部１７と、エゼクタ１５の上流側
で燃料ガスの流路を分岐する燃料ガス流路分岐部２０
と、分岐されてなる一方の燃料ガスに、気液分離部１７
により回収した凝縮水を混合する水吸収エゼクタ１６
と、加湿部１８から流出される燃料ガスに、水吸収エゼ
クタ１６から流出される燃料ガスを混合して燃料電池１
１に供給する燃料ガス流路合流部２４とを備えて構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば固体高分子
膜を電解質膜として用いた燃料電池システムに係り、特
に、固体高分子膜を加湿する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、固体高分子膜型燃料電池は、固体
高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み
込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構
成されたスタック（以下において、燃料電池スタック、
又は、単に、燃料電池と呼ぶ。）を備えており、アノー
ドに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤とし
て空気が供給されて、アノードで触媒反応により発生し
た水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソー
ドまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こ
して発電するようになっている。

【０００３】ここで、発電効率を高く維持するために
は、固体高分子電解質膜を飽和含水状態に維持して、イ
オン導電性電解質膜としての機能を確保する必要があ
る。このため、例えば特開平８−２７３６８７号公報に
開示された固体高分子膜型燃料電池のように、燃料電池
に供給される水素や酸素等の反応ガスに水を添加して、
反応ガス中の水蒸気濃度（水蒸気分圧）を高く設定する
加湿装置を備えた燃料電池が知られている。この燃料電
池では、燃料電池から排出される排出ガス（オフガス）
を加湿ガスとして、中空糸膜を介して反応ガスと排出ガ
スとを接触させた際に、排出ガス中に含まれる水分が中
空糸膜の膜穴を透過して反応ガス中に水蒸気として拡散
することによって反応ガスが加湿されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技
術の一例に係る固体高分子膜型燃料電池のように、燃料
電池から排出される排出ガスを加湿ガスとして利用する
場合には、排出ガス中の水蒸気分圧が高く設定されてい
る必要がある。ここで、所定の湿潤状態に加湿された反
応ガス、例えば燃料ガスとしての水素が燃料電池に供給
されると、燃料電池内において水素が消費されるため、
燃料ガス中に含有可能な水蒸気量が減少して、この減少
分に相当する量の凝縮水が発生する。これにより、燃料
電池から排出される排出ガスには気体状の水蒸気と液体
状の凝縮水とが混在して含まれている。このため、例え
ば排出ガス中の水蒸気を利用して反応ガスを加湿する場
合には、たとえ燃料電池に供給される反応ガスの加湿量
が燃料電池スタックに要求される加湿量を確保すること
ができる程度の値に設定されている場合であっても、反
応ガス中の水分量のうち、排出ガスにおいて水蒸気から
凝縮水へと転移した分を利用することができず、燃料電
池スタックに要求される加湿量を確保することができな
くなる恐れがある。本発明は上記事情に鑑みてなされた
もので、燃料電池から排出される排出ガスを、燃料電池
に供給される反応ガスに対する加湿ガスとして利用する
場合であっても、燃料電池スタックに要求される加湿量
を確保することが可能な燃料電池システムを提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決して係る
目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料
電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて
電気化学反応により発電する燃料電池（例えば、後述す
る実施形態における燃料電池１１）と、前記燃料電池か
ら排出される排出ガスを前記燃料ガスに混合して前記燃
料電池へ再循環させるエゼクタ（例えば、後述する実施
形態におけるエゼクタ１５）と、前記燃料電池から排出
される前記排出ガスと前記エゼクタから流出される前記
燃料ガスとを水透過膜（例えば、後述する実施形態にお
ける中空糸膜）を介して接触させて、前記排出ガスに含
まれる水分により前記燃料ガスを加湿する加湿手段（例
えば、後述する実施形態における加湿部１８）と、前記
加湿手段から流出される前記排出ガスから凝縮水を回収
する水回収手段（例えば、後述する実施形態における気
液分離部１７）と、前記エゼクタの上流側で前記燃料ガ
スの流路を分岐する流路分岐手段（例えば、後述する実
施形態における燃料ガス流路分岐部２０）と、前記流路
分岐手段にて分岐されてなる一方の前記燃料ガスに、前
記水回収手段により回収した前記凝縮水を混合する凝縮
水供給手段（例えば、後述する実施形態における水吸収
エゼクタ１６）と、前記加湿手段から流出される前記燃
料ガスに、前記凝縮水供給手段から流出される前記燃料
ガスを混合して前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手
段（例えば、後述する実施形態における燃料ガス流路合
流部２４）とを備えることを特徴としている。

【０００６】上記構成の燃料電池システムによれば、燃
料電池から排出される排出ガスを燃料電池に供給される
燃料ガスに対する加湿ガスとして利用する場合に、先
ず、燃料電池に対して要求される加湿量を満たすように
して燃料ガス中の水蒸気量を所定量（例えば、相対湿度
で８０〜１００％）に設定する。燃料ガスは燃料電池内
で消費されて減少するため、燃料ガス中に含有可能な水
蒸気量が減少して凝縮水が生成される。これにより、燃
料電池から排出される排出ガスには、気体状の水蒸気と
液体状の凝縮水とが混在して含まれる。

【０００７】この排出ガスを燃料ガスに対する加湿ガス
として利用する加湿手段において、例えば中空糸膜等を
なす水透過膜を介して燃料ガスと排出ガスとを接触させ
ると、排出ガスに含まれる水分は中空糸膜の膜穴を透過
した後に水蒸気として燃料ガスに供給される。このと
き、加湿ガスとされる排出ガスにおいて水蒸気と凝縮水
とが混在している場合には、凝縮水は燃料ガスの加湿に
寄与せずに水蒸気分のみが加湿に寄与する状態が発生す
る。従って、例えば中空糸膜の内部を流通することで加
湿手段を通過した排出ガスには加湿に寄与しなかった凝
縮水が残存することになるが、この排出ガス中の凝縮水
は水回収手段により回収された後に凝縮水供給手段によ
って燃料ガスに混合される。これにより、水蒸気と凝縮
水とが混在した状態では例えば中空糸膜等において燃料
ガスの加湿に寄与しない凝縮水を有効利用することがで
きる。

【０００８】しかも、予め、燃料ガスの流路を分岐し
て、分岐された一方の燃料ガスに凝縮水供給手段からの
凝縮水を混合しておき、他方の燃料ガスは加湿手段に供
給して、加湿手段にて加湿された燃料ガスに対して、凝
縮水が混合された一方の燃料ガスを合流させる。この場
合、例えば凝縮水が混合された他方の燃料ガスを一方の
燃料ガスに合流させてから加湿手段に導入したり、或い
は、例えば燃料ガスを分岐すること無しに、凝縮水供給
手段からの凝縮水を混合して得た燃料ガスを加湿手段に
導入する方法に比べて、いわば乾燥状態の燃料ガスを加
湿手段に導入することになり、加湿手段の作用つまり排
出ガス中に含まれる水蒸気によって燃料ガスを加湿する
作用をより有効に利用することができ、排出ガス中に含
まれる水分の形態に関わらず、水蒸気及び凝縮水の両方
を燃料ガスの加湿に利用することができ、燃料電池に要
求される加湿量を確実に確保することができる。

【０００９】さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電
池システムでは、前記凝縮水供給手段は凝縮水吸引用の
エゼクタ（例えば、後述する実施形態における水吸収エ
ゼクタ１６）をなし、前記一方の前記燃料ガスの導入に
よって、前記水回収手段から前記凝縮水を吸引して前記
一方の前記燃料ガスに合流させることを特徴としてい
る。

【００１０】上記構成の燃料電池システムによれば、凝
縮水吸引用のエゼクタの流体供給口に燃料ガスを供給す
ると、燃料ガスはエゼクタのノズルを通過する過程で加
速され、ノズルの先端部から流体排出管に向かって副流
室内に放出された高速の燃料ガス流の近傍では、副流導
入管から副流室内に導入された凝縮水が高速の燃料ガス
流に引き込まれるようにして流体排出管内へ連行され
る。これに伴って、副流室内には負圧が発生して、この
負圧を補うようにして、水回収手段にて回収された凝縮
水が副流導入管を介して吸引される。このため、例えば
電気的や機械的なエネルギーを追加投入する必要無し
に、排出ガスから回収した凝縮水を燃料ガスに混合する
ことができる。

【００１１】さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電
池システムでは、前記水回収手段は前記凝縮水を貯溜す
る水タンク（例えば、後述する実施形態における気液分
離ハウジング４１）と、この水タンクと前記凝縮水供給
手段とを接続する水送出管（例えば、後述する実施形態
における水送出管４６）とを備えることを特徴としてい
る。上記構成の燃料電池システムによれば、加湿手段を
通過した排出ガスに含まれる凝縮水は、例えば気液分離
装置等をなす水回収手段により回収されて水タンク内に
貯溜される。そして、水タンク内に貯溜された凝縮水は
水送出管を介して凝縮水供給手段へ送出される。これに
より、排出ガスに含まれる凝縮水を確実に有効利用して
燃料ガスを加湿することができる。

【００１２】さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電
池システムでは、前記流路分岐手段は、前記燃料ガスを
前記エゼクタと前記凝縮水吸引用のエゼクタとの何れか
一方、又は、両方に流通させるように選択切替可能な切
替手段（例えば、後述する実施形態における第１及び第
２切替弁７１，７２）を備えることを特徴としている。
上記構成の燃料電池システムによれば、流路分岐手段の
下流に燃料ガスの流路を開閉可能な、例えば複数のバル
ブ等からなる通路切替手段を備える。特に、凝縮水吸引
用のエゼクタへ供給される燃料ガスの流路を開閉制御す
ることで、例えば燃料電池が過加湿の状態となった場合
には、凝縮水吸引用のエゼクタへの燃料ガスの供給を停
止して、例えば燃料電池内部のガス流路に水が溜まって
燃料ガスの流通量が低下したり、燃料電池の出力電圧が
低下してしまうことを防止することができる。

【００１３】さらに、請求項５に記載の本発明の燃料電
池システムは、前記切替手段は、前記燃料電池の出力状
態量（例えば、後述する実施形態におけるセル電圧等）
に基づいて前記燃料ガスの流路を選択することを特徴と
している。上記構成の燃料電池システムによれば、燃料
電池の出力状態量、例えば出力電圧、電流値、電力値等
に基づいて燃料ガスの流路を選択する。これにより、例
えば燃料ガスが過加湿となって燃料電池の出力電圧が低
下する恐れがある場合には凝縮水供給手段への燃料ガス
の供給を停止して、燃料ガスに対する加湿量を低減させ
て、所望の出力を確保することができる。

【００１４】さらに、請求項６に記載の本発明の燃料電
池システムは、前記切替手段は、前記燃料電池の水分状
態量（例えば、後述する実施形態における燃料ガスの露
点や湿度、加湿量や水蒸気圧等）に基づいて前記燃料ガ
スの流路を選択することを特徴としている。上記構成の
燃料電池システムによれば、燃料電池の水分状態量、例
えば燃料電池の燃料ガス導入口の直前における燃料ガス
の露点や湿度、加湿量や水蒸気圧等に基づいて燃料ガス
の流路を選択する。これにより、燃料ガスに対して所望
の加湿量を確保することができる。

【００１５】さらに、請求項７に記載の本発明の燃料電
池システムは、前記酸化剤ガスが供給される前記燃料電
池のカソード側から排出される排出ガスから凝縮水を回
収するカソード側水回収手段（例えば、後述する実施形
態における空気極気液分離部８２）を備え、前記凝縮水
供給手段は、前記流路分岐手段にて分岐されてなる一方
の前記燃料ガスに、前記カソード側水回収手段により回
収した前記凝縮水を混合することを特徴している。

【００１６】上記構成の燃料電池システムによれば、燃
料電池のカソード側から排出される排出ガスを、例えば
中空糸膜等の水透過膜の内部を通過させた後に、例えば
気液分離器等からなるカソード側水回収手段へ導入し
て、排出ガス中に含まれる液体状の凝縮水を回収する。
そして、カソード側水回収手段にて回収された凝縮水
は、例えばアノード側において燃料ガスに対する加湿量
が不足する恐れがある場合に、凝縮水供給手段によって
燃料ガスに混合することができ、燃料電池の発電効率が
低下することを防止することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
燃料電池システムついて添付図面を参照しながら説明す
る。図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池システム
１０の構成図であり、図２（ａ）はエゼクタ１５の側断
面図であり、図２（ｂ）は水吸収エゼクタ１６の側断面
図であり、図３は気液分離部１７の縦断面図である。本
実施の形態による燃料電池システム１０は、例えば電気
自動車等の車両に搭載されており、燃料電池１１と、燃
料供給部１２と、酸化剤供給部１３と、酸化剤加湿部１
４と、エゼクタ１５と、水吸収エゼクタ１６と、気液分
離部１７と、加湿部１８とを備えて構成されている。

【００１８】燃料電池１１は、例えば固体ポリマーイオ
ン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカ
ソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、
複数のセルを積層して構成されており、燃料ガスとして
例えば水素が供給される燃料極と、酸化剤ガスとして例
えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えてい
る。そして、空気極には、酸化剤供給部１３から空気が
供給される空気供給口１１ａと、空気極内の空気を外部
に排出するための空気排出弁１９を備えた空気排出口１
１ｂが設けられている。一方、燃料極には、燃料供給部
１２から水素が供給される燃料供給口１１ｃと、燃料極
内の水素を外部に排出するための燃料排出口１１ｄが設
けられている。

【００１９】酸化剤供給部１３は、例えばエアーコンプ
レッサーからなり、燃料電池１１の負荷やアクセルペダ
ル（図示略）からの入力信号等に応じて制御されてお
り、酸化剤加湿部１４を介して、燃料電池１１の空気極
に空気を供給している。酸化剤加湿部１４は、酸化剤供
給部１３から供給される空気に水蒸気を混合して加湿し
てから燃料電池１１へと供給し、固体分子電解質膜のイ
オン導電性を確保している。

【００２０】燃料供給部１２から供給された燃料ガス
は、燃料ガス流路分岐部２０において例えば２つの第１
及び第２燃料ガス流路２１，２２に分岐されており、一
方の第１燃料ガス流路２１の燃料ガスは、順次、エゼク
タ１５、加湿部１８を流通させられた後に燃料電池１１
に供給されている。また、他方の第２燃料ガス流路２２
の燃料ガスは、水吸収エゼクタ１６を流通させられた後
に燃料電池１１に供給されている。

【００２１】図１及び図２に示すように、エゼクタ１５
は、例えば流体供給口３１と、副流導入管３２と、流体
排出管３３と、ノズル３４と、副流室３５とを備えて構
成されている。エゼクタ本体１５ａの内部には、例えば
軸線Ｏと同軸に略円柱状の空間からなる副流室３５が形
成されており、この副流室３５には軸線Ｏと直交する方
向に伸びる副流導入管３２が接続されており、副流導入
管３２の一端は副流室３５の内周面上で開口して、他端
はエゼクタ本体１５ａの外面上で開口している。

【００２２】エゼクタ１５の軸線Ｏに沿った方向におい
て、副流室３５の一方の内壁面上から略円筒状のノズル
３４が軸線Ｏと同軸に突出しており、このノズル３４の
先端部が副流室３５の他方の内壁面に近接するように配
置されている。ノズル３４の基端部には、エゼクタ本体
１５ａの外面上で開口した流体供給口３１が設けられ、
ノズル３４は基端部から先端部に向かい漸次縮径したテ
ーパ状の内周面を有している。そして、副流室３５の他
方の内壁面上には、軸線Ｏ方向に沿ってエゼクタ本体１
５ａを貫通する流体排出管３３の一端が開口しており、
流体排出管３３の他端はエゼクタ本体１５ａの外面上で
開口している。

【００２３】エゼクタ１５の流体供給口３１には、燃料
供給部１２から燃料ガスが供給されており、副流導入管
３２には、燃料電池１１の燃料排出口１１ｄから排出さ
れて加湿部１８を流通させられた後に排出ガス分岐部２
３にて分岐された、一方の排出ガスが導入されている。
ここで、流体供給口３１から供給された燃料ガスはノズ
ル３４を通過する過程で加速される。そして、ノズル３
４の先端部から流体排出管３３に向かって副流室３５内
に放出された高速の燃料流の近傍では、副流導入管３２
から副流室３５内に導入された排出ガスが、高速の燃料
流に引き込まれるようにして流体排出管３３内へ連行さ
れる。これに伴って、副流室３５内には負圧が発生し
て、この負圧を補うようにして副流導入管３２から排出
ガスが吸引される。

【００２４】エゼクタ１５で混合された燃料ガス及び排
出ガスは、流体排出管３３から排出されて加湿部１８へ
供給されている。すなわち、あるいは燃料電池１１から
排出された排出ガスはエゼクタ１５を介して循環させら
れている。

【００２５】本実施の形態において、水吸収エゼクタ１
６は、例えば図２（ｂ）に示す構造を有している。すな
わち、水吸収エゼクタ１６は、例えば燃料流供給口３６
と、水導入管３７と、燃料流排出管３８と、ノズル３９
とを備えて構成されている。例えば軸線Ｏに沿って燃料
流供給口３６に接続されたノズル３９は、基端部から先
端部に向かい漸次縮径したテーパ状の内周面を有してお
り、ノズル３９の基端部は略円筒状の燃料流排出管３８
の基端部と接続され、ノズル３９の先端部は軸線Ｏと同
軸に燃料流排出管３８の内部に向かい突出するようにし
て設けられている。さらに、燃料流排出管３８には、管
壁を貫通して軸線Ｏと直交する方向に伸びる水導入管３
７が接続されており、燃料流排出管３８の内部で開口す
る水導入管３７の一端３７ａはノズル３９の先端部開口
端３９ａ近傍に配置され、水導入管３７の他端は燃料流
排出管３８の外部に向かい突出して配置されている。

【００２６】水吸収エゼクタ１６の水導入管３７には、
気液分離部１７にて回収された水が導入されている。す
なわち、水吸収エゼクタ１６の燃料流供給口３６から供
給された燃料ガスはノズル３９を通過する過程で加速さ
れる。そして、ノズル３９の先端部から燃料流排出管３
８内に放出された高速の燃料流の近傍では、水導入管３
７から燃料流排出管３８内に導入された水が、高速の燃
料流に引き込まれるようにして燃料流排出管３８の先端
部へ向かい連行される。これに伴って、燃料流排出管３
８内には負圧が発生して、この負圧を補うようにして水
導入管３７から水が吸引される。なお、水吸収エゼクタ
１６は、上述した図２（ｂ）に示す構造に限定されず、
例えば図２（ａ）に示すようにエゼクタ１５と同等の構
造を有していても良いし、その他の構造であっても良
い。要するに、高速の燃料流に引き込まれるようにして
水が連行される構造であれば良い。

【００２７】水吸収エゼクタ１６で混合された燃料ガス
及び水は、流体排出管３３から排出されて燃料電池１１
へ供給されている。すなわち、燃料電池１１から排出さ
れた排出ガスに含まれる水分の中気液分離部１７にて回
収された液体状の水は水吸収エゼクタ１６を介して循環
させられている。

【００２８】気液分離部１７は、例えば図３に示すよう
に、気液分離ハウジング４１と、気液分離ハウジング４
１の内部を鉛直方向下方から上方に向かって蛇行する流
路４２を形成する複数の仕切板４３と、気液分離ハウジ
ング４１の下部に設けられ流路４２に連通する排出ガス
導入口４４と、気液分離ハウジング４１の上部に設けら
れ流路４２に連通する排出ガス出口４５と、水送出管４
６とを備えて構成されており、水送出管４６の一端４６
ａは気液分離ハウジング４１の底部に貯溜する水に浸漬
するよう構成されている。さらに、他端４６ｂは気液分
離ハウジング４１の外部に向かい突出して設けられてお
り、この他端４６ｂは水吸収エゼクタ１６の副流導入管
３２と接続されている。

【００２９】この気液分離部１７では、水分として液体
状の液体水、又は、気体状の水蒸気及び液体状の液体水
を含む排出ガスが、排出ガス導入口４４から気液分離ハ
ウジング４１内に供給され、流路４２を蛇行しながら上
昇していく。排出ガスが流路４２を流れると、排出ガス
中の水分（主に、液体水）は仕切板４３の壁面や気液分
離ハウジング４１の壁面に衝突して付着する。そして、
これら壁面に付着した水分は液体となって重力により壁
面に沿って落下していき、気液分離ハウジング４１の底
部に到達して液体状の水として貯溜される。一方、水分
（主に液体水）を除去された排出ガスは、排出ガス出口
４５から排出される。つまり、この気液分離部１７に、
図１に示した燃料電池１１から排出されて加湿部１８を
流通させられた排出ガスを通すことによって、排出ガス
は気液分離されて、例えば液体状の水分が除去されて、
乾燥状態又は気体状の水蒸気が残留させられた排出ガス
のみが排出ガス出口４５から流出し、排出ガス中の過剰
な水分（主に液体水）は水送出管４６から水吸収エゼク
タ１６の副流導入管３２へと送出される。

【００３０】加湿部１８は、例えば中空糸膜等をなす水
透過膜を備えて構成されており、燃料電池１１から排出
される排出ガスを、エゼクタ１５から流出させられた燃
料ガスに対する加湿ガスとして利用している。すなわ
ち、例えば中空糸膜等をなす水透過膜を介して燃料ガス
と排出ガスとを接触させると、排出ガスに含まれる水分
（特に、水蒸気）は中空糸膜の膜穴を透過した後に水蒸
気として燃料ガスに供給される。そして、加湿部１８で
加湿された燃料ガスは、水吸収エゼクタ１６から流出さ
せられた燃料ガスと、燃料ガス合流部２４にて合流され
た後に燃料電池１１に供給される。これにより、固体分
子電解質膜のイオン導電性が確保されている。なお、燃
料電池１１の燃料供給口１１ｃの近傍には、燃料ガスの
露点を検知する露点計５１が備えられている

【００３１】本実施の形態による燃料電池システム１０
は上記構成を備えており、次に、この燃料電池システム
１０の動作について添付図面を参照しながら説明する。
図４は加湿部１８に加湿ガスとして導入された排出ガス
に含まれる水分量と、加湿部１８にて排出ガスから回収
される水分量の変化を示すグラフ図である。先ず、燃料
電池１１に対して要求される加湿量を満たすようにして
燃料ガス中の水蒸気量を所定量（例えば、相対湿度で８
０〜１００％）に設定する。燃料ガスは燃料電池１１内
で消費されて減少するため、燃料ガス中に含有可能な水
蒸気量が減少して凝縮水が生成される。これにより、燃
料電池１１から排出される排出ガスには、気体状の水蒸
気と液体状の凝縮水等からなる液体水とが混合されて含
まれている。

【００３２】ここで、水透過膜として例えば中空糸膜を
利用する加湿部１８に、排出ガスを燃料ガスに対する加
湿ガスとして供給すると、例えば図４に示すように、排
出ガスに含まれる液体水は燃料ガスの加湿に寄与しない
という性質がある。つまり中空糸膜に対する性質とし
て、加湿ガスにおいて水蒸気と液体水とが混在した状態
では、例えば液体水に比べて移動速度が速い水蒸気の方
が中空糸膜の膜穴を透過し易い性質があり、水蒸気に比
べてより重くかつ移動速度が遅い大部分の液体水は、中
空糸膜の膜穴を透過して燃料ガスの加湿に寄与すること
が抑制されてしまう。例えば、図４に示すように、中空
糸膜の内部を流通する加湿ガスに含まれる水分のうち、
中空糸膜の膜穴を透過して回収可能な水量に関しては、
加湿ガスに所定量の水蒸気のみが含まれている場合の回
収水量（例えば図４に示す、回収分α）と、加湿ガスに
所定量の水蒸気に加えて液体水が含まれている場合の回
収水量（例えば図４に示す、回収分β）とが同量となっ
ている。そして、水蒸気と混在して含まれていた液体水
は、未回収分（例えば図４に示す、未回収分（液体）
γ）として加湿ガス内に残存する。なお、水蒸気と液体
水とが混在した加湿ガスによって燃料ガスを加湿する場
合に比べて、１００％の液体水によって加湿する方が、
より加湿効率に優れていることは言うまでもないことで
ある。

【００３３】すなわち、加湿部１８から流出した排出ガ
スは、燃料ガスの加湿に寄与しなかった液体水を含んで
いる。この排出ガスは、エゼクタ１５を介して燃料ガス
に混合されて燃料電池１１へと再循環させられると共
に、気液分離部１７に導入されて排出ガスに含まれる水
分（主に液体水）が液体状の水として回収される。そし
て、気液分離部１７にて回収された水は水吸収エゼクタ
１６を介して燃料ガスに混合されてから、エゼクタ１５
から流出して加湿部１８にて加湿された後の燃料ガスに
合流させられて燃料電池１１に供給されている。

【００３４】上述したように、本実施形態の燃料電池シ
ステム１０によれば、例えば中空糸膜の内部を流通する
ことで加湿部１８を通過した排出ガスには、燃料ガスの
加湿に寄与しなかった液体水が残存することになるが、
この排出ガス中の液体水は気液分離部１７により回収さ
れた後に水吸収エゼクタ１６によって燃料ガスに混合さ
れる。これにより、例えば中空糸膜等からなる加湿部１
８において水蒸気と凝縮水とが混在した状態では燃料ガ
スの加湿に寄与しなかった液体水（例えば図４に示す、
未回収分（液体）γ）を、加湿部１８の下流に設けられ
た気液分離部１７において回収して有効利用することが
できる。

【００３５】しかも、予め、燃料ガスの流路を第１及び
第２燃料ガス流路２１，２２に分岐して、分岐された他
方の燃料ガスに気液分離部１７にて回収された水を混合
しておき、一方の燃料ガスはエゼクタ１５を介して加湿
部１８に供給しておく。そして、加湿部１８にて加湿さ
れた燃料ガスに対して、水が混合された他方の燃料ガス
を合流させることから、燃料ガスの加湿を効率よく行う
ことができる。すなわち、例えば水吸収エゼクタ１６に
て水が混合された他方の燃料ガスを、一方の燃料ガスに
合流させてから加湿部１８に導入したり、或いは、例え
ば燃料ガスを分岐すること無しに、気液分離部１７にて
回収した水を混合して得た燃料ガスを加湿部１８に導入
する方法等に比べて、いわば乾燥状態の燃料ガスを加湿
部１８に導入することになり、加湿部１８の作用つまり
排出ガス中に含まれる水蒸気によって燃料ガスを加湿す
る作用を有効に働かせることができる。従って、排出ガ
ス中に含まれる水分の形態に関わらず、水蒸気及び液体
水の両方を燃料ガスの加湿に有効に利用することがで
き、燃料電池１１に要求される加湿量を確実に確保する
ことができる。

【００３６】なお、上述した本実施形態においては、排
出ガス分岐部２３の下流に気液分離部１７を設けるとし
たが、これに限定されず、例えば図５に示す本実施形態
の第１変形例に係る燃料電池システム６０の構成図のよ
うに、気液分離部１７の下流に排出ガス分岐部２３を設
けても良い。以下において、上述した実施の形態と同一
部分には同じ符号を配して簡略又は省略化して本実施形
態の第１変形例に係る燃料電池システム６０を説明す
る。本実施形態の第１変形例に係る燃料電池システム６
０において、加湿部１８において燃料ガスの加湿に寄与
しなかった液体水を含んで流出した排出ガスは、先ず、
気液分離部１７に導入されて排出ガスに含まれる水分
（主に液体水）が液体状の水として回収される。そし
て、回収された水は水吸収エゼクタ１６を介して燃料ガ
スに混合される。一方、水分（主に液体水）を除去され
て、乾燥状態又は気体状の水蒸気が残留させられた排出
ガスのみが気液分離部１７の排出ガス出口４５から流出
し、排出ガス分岐部２３を介して、エゼクタ１５の副流
導入管３２に導入される。

【００３７】上述したように、本実施形態の第１変形例
に係る燃料電池システム６０によれば、加湿部１８にて
加湿される燃料ガスを流出するエゼクタ１５の副流導入
管３２には、相対的に乾燥させられた排出ガスのみが供
給されるため、加湿部１８の作用つまり排出ガス中に含
まれる水蒸気によって燃料ガスを加湿する作用を、より
一層有効に働かせることができ、燃料電池１１に要求さ
れる加湿量を確実に確保することができる。しかも、排
出ガス分岐部２３において排出ガスがエゼクタ１５の副
流導入管３２に導入される際に、例えば排出ガスととも
に排出ガスに含まれる液体状の水分が吸い上げられるこ
とで排出ガス自体の循環量が低下したり、液体状の水分
が流路を塞いでしまう等の不具合の発生を防止すること
ができる。

【００３８】上述した本実施形態においては、燃料ガス
流路分岐部２０において例えば２つの第１及び第２燃料
ガス流路２１，２２に分岐するとしたが、これに限定さ
れず、例えば図６に示す本実施形態の第２変形例に係る
燃料電池システム７０の構成図のように、各第１及び第
２燃料ガス流路２１，２２に切替手段であるところの第
１及び第２切替弁７１，７２を設けても良い。以下にお
いて、上述した実施の形態と同一部分には同じ符号を配
して簡略又は省略化して本実施形態の第２変形例に係る
燃料電池システム７０を説明する。図７は本実施形態の
第２変形例に係る燃料電池システム７０の動作を示すフ
ローチャートである。

【００３９】先ず、図７に示すステップＳ０１において
は、燃料電池１１のセル電圧を電圧検出器（図示略）に
より検出する。次に、ステップＳ０２においては、検出
したセル電圧が所定の範囲内であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０１
に進む。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ス
テップＳ０３に進む。ステップＳ０３においては、第２
切替弁７２を「閉」状態とする。

【００４０】すなわち、燃料電池１１のセル電圧が所定
の範囲内から逸脱した場合、燃料供給部１２から供給さ
れる全ての燃料ガスは、燃料ガス流路分岐部２０を介し
て第１燃料ガス流路２１を流通するように設定される。
そして、エゼクタ１５において相対的に乾燥状態の排出
ガスと混合された後に、加湿部１８において湿潤状態の
排出ガスにより加湿されて燃料電池１１に供給される。
つまり、気液分離部１７で回収された水によって燃料ガ
スを加湿する水吸収エゼクタ１６に対しては燃料ガスが
供給されず、排出ガス中に含まれる水蒸気によって燃料
ガスを加湿する加湿部１８に対してのみ燃料ガスが供給
される。従って、燃料電池１１のセル電圧が所定の範囲
内から逸脱した場合、例えば燃料ガスが過加湿となって
燃料電池１１の出力電圧が低下した場合には、燃料電池
１１に供給される燃料ガスの湿潤量を低減させて、例え
ば燃料電池１１内部のガス流路に水が溜まって燃料ガス
の流通量が低下してしまう等の不具合の発生を防止する
ことができる。

【００４１】上述したように、本実施形態の第２変形例
に係る燃料電池システム７０によれば、例えば燃料ガス
が過加湿となって燃料電池１１の出力電圧が低下する恐
れがある場合には、水回収エゼクタ１６への燃料ガスの
供給を停止し、燃料ガスに対する加湿量を低減させて、
所望の出力を確保することができる。これにより、例え
ば燃料電池１１内部のガス流路に水が溜まって燃料ガス
の流通量が低下してしまうことを防止することができ
る。なお、この場合、燃料電池１１のセル電圧に限定さ
れず、燃料電池１１のその他の出力状態量（例えば、電
流値、電力値等）や、燃料電池１１の水分状態量、例え
ば燃料電池の燃料ガス導入口の直前における燃料ガスの
露点や湿度、加湿量や水蒸気圧等に基づいて第１及び第
２切替弁７１，７２の開閉動作を制御しても良い。さら
に、第１切替弁７１は省略されても良い。これらの場合
にも、上述の出力確保と流通量低下防止を果たすことが
できる。

【００４２】上述した本実施形態においては、燃料電池
１１の燃料極側から排出される排出ガスを流通させる加
湿部１８及び気液分離部１７を設けるとしたが、これに
限定されず、例えば図８に示す本実施形態の第３変形例
に係る燃料電池システム８０の構成図のように、燃料電
池１１の空気極側から排出される排出ガスを流通させる
空気極加湿部８１及び空気極気液分離部８２をさらに設
けても良い。以下において、上述した実施の形態と同一
部分には同じ符号を配して簡略又は省略化して本実施形
態の第３変形例に係る燃料電池システム８０を説明す
る。図９は空気極気液分離部８２の構成図であり、図１
０は図８に示す燃料電池システム８０の動作、特に第３
切替弁８４の開閉動作を示すフローチャートであり、図
１１（ａ）〜（ｃ）は燃料電池システム８０における反
応ガスの流路を示す要部拡大図である。本実施形態の第
３変形例に係る燃料電池システム８０において、燃料電
池１１の空気極側から排出された排出ガスは、先ず、空
気極加湿部８１に導入され、酸化剤供給部１３から供給
された酸化剤ガスに対する加湿ガスとして利用される。

【００４３】空気極加湿部８１から流出した排出ガス
は、酸化剤ガスの加湿に寄与しなかった液体水を含んで
おり、この排出ガスは空気極気液分離部８２に導入され
て排出ガスに含まれる水分（主に液体水）が液体状の水
として回収される。ここで、空気極気液分離部８２は、
例えば、図９に示すように、上述した気液分離部１７と
ほぼ同等の構成を有しており、上述の気液分離部１７と
異なる点は、気液分離ハウジング４１に貯溜される水の
水位を検知する水位センサ８３を備えている点である。
さらに、燃料電池システム８０は、図８に示すように、
気液分離部１７の水送出管４６と水吸収エゼクタ１６の
水導入管３７とを接続する燃料極側水流通路８４に対し
て、一端が空気極気液分離部８２の水送出管４６と接続
されて、他端が燃料極側水流通路８４と合流するように
接続された空気極側水流通路８５と、この空気極側水流
通路８５に設けられた第３切替弁８６と、排出ガス分岐
部２３と気液分離部１７との間に設けられた例えば三方
弁等をなす分岐部８７及び排出弁８８とを備えて構成さ
れている。

【００４４】本実施形態の第３変形例に係る燃料電池シ
ステム８０は上記構成を備えており、次に、この燃料電
池システム８０の動作、特に第３切替弁８６及び分岐部
８７の開閉動作及び切替動作について添付図面を参照し
ながら説明する。先ず、図１０に示すステップＳ１１に
おいては、水位センサ８３によって、空気極気液分離部
８２の気液分離ハウジング４１に貯溜される水の水位を
検知する。次に、ステップＳ１２においては、検出され
た水位が所定の下限水位よりも低いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１３に
進む。一方、判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステッ
プＳ１４に進む。

【００４５】ステップＳ１３では、第３切替弁８６を開
弁してステップＳ１１に進む。ステップＳ１４では、第
３切替弁８６を閉弁してステップＳ１１に進む。すなわ
ち、空気極気液分離部８２の気液分離ハウジング４１に
所定の下限水位を超える水が貯溜されている場合には、
第３切替弁８６を開弁して水吸収エゼクタ１６への水の
供給が可能な状態に設定する。一方、空気極気液分離部
８２に貯溜される水が所定の下限水位に満たない場合に
は、第３切替弁８６を閉弁して、水吸収エゼクタ１６へ
空気極側の排出ガスつまり空気からなる酸化剤ガスが流
入することを防止し、例えば燃料電池１１の燃料極側に
酸化剤ガスが供給されることで燃料電池１１が破損して
しまうことを防ぐことができる。

【００４６】さらに、上述した第３切替弁８６と、例え
ば三方弁等をなす分岐部８７との切替動作の組み合わせ
について添付図面を参照しながら説明する。先ず、図１
１（ａ）に示すように、燃料極側の排出ガスから回収し
た水は利用せずに、空気極側の排出ガスから回収した水
を水吸収エゼクタ１６に供給する場合には、第３切替弁
８６を開弁すると共に、分岐部８７における流路を排出
弁８８へと切り替える。これにより、排出ガス分岐部２
３から流通する、液体水が残存した排出ガスは、分岐部
８７及び排出弁８８を介して外部に排出され、空気極気
液分離部８２において回収された水のみが水吸収エゼク
タ１６に供給される。すなわち、燃料電池１１の燃料極
側に供給される燃料ガスは、空気極側の排出ガスから回
収された水と、燃料極側の排出ガスに含まれる水蒸気と
によって加湿される。

【００４７】一方、図１１（ｂ）に示すように、空気極
側の排出ガスから回収した水は利用せずに、燃料極側の
排出ガスから回収した水を水吸収エゼクタ１６に供給す
る場合には、第３切替弁８６を閉弁すると共に、分岐部
８７における流路を気液分離部１７へと切り替える。こ
れにより、排出ガス分岐部２３から流通する、液体水が
残存した排出ガスは、分岐部８７を介して気液分離部１
７に供給され、この気液分離部１７において回収された
水のみが水吸収エゼクタ１６に供給される。すなわち、
燃料電池１１の燃料極側に供給される燃料ガスは、燃料
極側の排出ガスから回収された水と、燃料極側の排出ガ
スに含まれる水蒸気とによって加湿される。

【００４８】さらに、図１１（ｃ）に示すように、空気
極側の排出ガスから回収した水と、燃料極側の排出ガス
から回収した水とを、水吸収エゼクタ１６に供給する場
合には、第３切替弁８６を開弁すると共に、分岐部８７
における流路を気液分離部１７へと切り替える。これに
より、排出ガス分岐部２３から流通する、液体水が残存
した排出ガスは、分岐部８７を介して気液分離部１７に
供給され、この気液分離部１７において回収された水が
水吸収エゼクタ１６に供給される。これに加えて、空気
極気液分離部８２において回収された水が、開弁された
第３切替弁８６を介して水吸収エゼクタ１６に供給され
る。すなわち、燃料電池１１の燃料極側に供給される燃
料ガスは、空気極側の排出ガスから回収された水と、燃
料極側の排出ガスから回収された水と、燃料極側の排出
ガスに含まれる水蒸気とによって加湿される。

【００４９】上述したように、本実施形態の第３変形例
に係る燃料電池システム８０によれば、例えば燃料極側
において燃料ガスに対する加湿量が不足する恐れがある
場合に、空気極側の排出ガスによって燃料ガスを加湿す
ることができ、燃料電池１１の発電効率が低下すること
を防止することができる。しかも、空気極気液分離部８
２の気液分離ハウジング４１に貯溜される水の水位を検
知する水位センサ８３を備えることで、燃料極側の水吸
収エゼクタ１６へ空気極側の排出ガスつまり空気からな
る酸化剤ガスが流入することを防止し、例えば燃料電池
１１の燃料極側に酸化剤ガスが供給されることで燃料電
池１１が破損してしまうことを防ぐことができる。さら
に、第３切替弁８６と分岐部８７及び排出弁８８との開
閉動作及び切替動作の組み合わせを変更するだけで、燃
料電池１１に供給される燃料ガスの加湿量を調整するこ
とができ、単純な構成でありながら詳細な加湿量制御を
容易に行うことができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
本発明の燃料電池システムによれば、水蒸気と凝縮水と
が混在した状態では例えば中空糸膜等において燃料ガス
の加湿に寄与しない凝縮水を有効利用することができ
る。しかも、相対的に乾燥状態の燃料ガスを加湿手段に
導入することで、加湿手段の作用つまり排出ガス中に含
まれる水蒸気によって燃料ガスを加湿する作用を有効利
用することができ、排出ガス中に含まれる水分の形態に
関わらず、水蒸気及び凝縮水の両方を燃料ガスの加湿に
利用することができ、燃料電池スタックに要求される加
湿量を確実に確保することができる。さらに、請求項２
に記載の本発明の燃料電池システムによれば、例えば電
気的や機械的なエネルギーを追加投入する必要無しに、
排出ガスから回収した凝縮水を燃料ガスに混合すること
ができる。さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池
システムによれば、排出ガスに含まれる凝縮水を有効利
用して燃料ガスを加湿することができる。

【００５１】さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電
池システムによれば、例えば燃料電池スタックが過加湿
の状態となった場合には、凝縮水吸引用のエゼクタへの
燃料ガスの供給を停止して、例えば燃料電池内部のガス
流路に水が溜まって燃料ガスの流通量が低下したり、燃
料電池の出力電圧が低下してしまうことを防止すること
ができる。さらに、請求項５に記載の本発明の燃料電池
システムによれば、例えば燃料ガスが過加湿となって燃
料電池の出力電圧が低下する恐れがある場合には、凝縮
水供給手段への燃料ガスの供給を停止し、燃料ガスに対
する加湿量を低減させて、所望の出力を確保することが
できる。さらに、請求項６に記載の本発明の燃料電池シ
ステムによれば、燃料ガスに対して所望の加湿量を確保
することができる。さらに、請求項７に記載の本発明の
燃料電池システムによれば、カソード側水回収手段にて
回収された凝縮水は、例えばアノード側において燃料ガ
スに対する加湿量が不足する恐れがある場合に、凝縮水
供給手段によって燃料ガスにさらに水分を混合すること
ができ、燃料電池の発電効率が低下することを防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る燃料電池システム
の構成図である。

【図２】 図２（ａ）はエゼクタの側断面図であり、図
２（ｂ）は水吸収エゼクタの側断面図である。

【図３】 図１に示す気液分離部の縦断面図である。

【図４】 加湿部に加湿ガスとして導入された排出ガス
に含まれる水分量と、加湿部にて排出ガスから回収され
る水分量の変化を示すグラフ図である。

【図５】 本実施形態の第１変形例に係る燃料電池シス
テムの構成図である。

【図６】 本実施形態の第２変形例に係る燃料電池シス
テムの構成図である。

【図７】 本実施形態の第２変形例に係る燃料電池シス
テムの動作を示すフローチャートである。

【図８】 本実施形態の第３変形例に係る燃料電池シス
テムの構成図である。

【図９】 図８に示す空気極気液分離部の構成図であ
る。

【図１０】 図８に示す本実施形態の第３変形例に係る
燃料電池システムの動作、特に第３切替弁の切替動作を
示すフローチャートである。

【図１１】 図１１（ａ）〜（ｃ）は図８に示す燃料電
池システムにおける反応ガスの流路を示す要部拡大図で
ある。

【符号の説明】

１０，６０，７０，８０ 燃料電池システム １１ 燃料電池 １５ エゼクタ １６ 水吸収エゼクタ（凝縮水供給手段、凝縮水吸引用
のエゼクタ） １７ 気液分離部（水回収手段） １８ 加湿部（加湿手段） ２０ 燃料ガス流路分岐部（流路分岐手段） ２４ 燃料ガス流路合流部（燃料ガス供給手段） ４１ 気液分離ハウジング（水タンク） ４６ 水送出管 ７１ 第１切替弁（切替手段） ７２ 第２切替弁（切替手段） ８２ 空気極気液分離部（カソード側水回収手段）

フロントページの続き (72)発明者 片桐 敏勝 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 鈴木 幹浩 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA19 KK52 MM01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて電
   気化学反応により発電する燃料電池と、 前記燃料電池から排出される排出ガスを前記燃料ガスに
   混合して前記燃料電池へ再循環させるエゼクタと、 前記燃料電池から排出される前記排出ガスと前記エゼク
   タから流出される前記燃料ガスとを水透過膜を介して接
   触させて、前記排出ガスに含まれる水分により前記燃料
   ガスを加湿する加湿手段と、 前記加湿手段から流出される前記排出ガスから凝縮水を
   回収する水回収手段と、 前記エゼクタの上流側で前記燃料ガスの流路を分岐する
   流路分岐手段と、 前記流路分岐手段にて分岐されてなる一方の前記燃料ガ
   スに、前記水回収手段により回収した前記凝縮水を混合
   する凝縮水供給手段と、 前記加湿手段から流出される前記燃料ガスに、前記凝縮
   水供給手段から流出される前記燃料ガスを混合して前記
   燃料電池に供給する燃料ガス供給手段とを備えることを
   特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 前記凝縮水供給手段は凝縮水吸引用のエ
   ゼクタをなし、前記一方の前記燃料ガスの導入によっ
   て、前記水回収手段から前記凝縮水を吸引して前記一方
   の前記燃料ガスに合流させ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。
3. 【請求項３】 前記水回収手段は前記凝縮水を貯溜する
   水タンクと、この水タンクと前記凝縮水供給手段とを接
   続する水送出管とを備えることを特徴とする請求項１又
   は請求項２の何れかに記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記流路分岐手段は、前記燃料ガスを前
   記エゼクタと前記凝縮水吸引用のエゼクタとの何れか一
   方、又は、両方に流通させるように選択切替可能な切替
   手段を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３の
   何れかに記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記切替手段は、前記燃料電池の出力状
   態量に基づいて前記燃料ガスの流路を選択することを特
   徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】 前記切替手段は、前記燃料電池の水分状
   態量に基づいて前記燃料ガスの流路を選択することを特
   徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 【請求項７】 前記酸化剤ガスが供給される前記燃料電
   池のカソード側から排出される排出ガスから凝縮水を回
   収するカソード側水回収手段を備え、 前記凝縮水供給手段は、前記流路分岐手段にて分岐され
   てなる一方の前記燃料ガスに、前記カソード側水回収手
   段により回収した前記凝縮水を混合することを特徴とす
   る請求項１から請求項６の何れかに記載の燃料電池シス
   テム。