JP2000208160A

JP2000208160A - 燃料電池システムおよび水回収方法

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Publication number: JP2000208160A
Application number: JP11009253A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Iio; 雅俊飯尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2000-07-28
Anticipated expiration: 2019-01-18
Also published as: JP4517414B2

Abstract

(57)【要約】【課題】システム内で必要とされる純水を効率的に回収
することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池３と、燃料電池に水素含有ガスを
供給する水素供給系１と、燃料電池に酸素含有ガスを供
給する酸素供給系７と、燃料電池からの排気流路に設け
られた凝縮器５と、システム内に供給するための水が収
容された水タンク８とを備えた燃料電地システムであ
る、水タンク内の水容量の変動値を検出するセンサ９
と、センサにより検出された水容量の変動値が所定範囲
になったとき、凝縮器５へ送られる水分含有ガスの圧力
を増加させる信号を出力する制御装置１０とを備える。

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
に関し、特にシステム内で必要とされる純水を水位に応
じて効率的に回収することができる燃料電池システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の燃料電池システムは、燃料が有
するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であ
り、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちの陽
極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方
の陰極に酸素を含有する燃料ガスを供給し、これら一対
の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応
を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである
（たとえば特開平８−１０６９１４号公報参照）。

【０００３】

【化１】陽極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ 陰極反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ
_２Ｏ一対の電極に供給される燃料ガスを生成する装置として
は、水素を含有する燃料ガスを生成する装置として、メ
タノールを水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガス
とする改質器、酸素を含有する燃料ガスを生成する装置
として、空気を取り入れて圧縮空気とする圧縮機が知ら
れている。そして、圧縮機からの圧縮空気をアフターク
ーラで冷却したのち燃料電池の陰極（空気極）へ供給す
る一方で、燃料タンクから改質器へメタノールを送り、
当該改質器にて改質された水素含有ガスを燃料電池の陽
極（燃料極）に供給する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】こうした燃料電池シス
テムにおいては、第１に改質器にて水素を発生させるた
めにメタノールとともに水を供給する必要がある。ま
た、第２に燃料電池の電解質膜を湿らせるため、燃料電
池に供給する空気および改質ガスのうち少なくとも一方
を加湿する必要があり、このための水が必要となる。こ
れら燃料電池システムで消費される水を外部から供給す
ることなくシステム内で循環させる（賄う）ため、水分
を多く含んだ燃料電池の排空気を凝縮させることで水を
回収することが行われる。

【０００５】一方、燃料電池システム全体の効率を同じ
出力を維持しながら高くするには、空気を供給する圧縮
機の消費電力を抑える必要がある。これには空気流量を
小さくすることと、圧縮機の吐出圧力を小さくする２つ
の方法が考えられるが、燃料電池において電気を取り出
す電気化学反応で必要な酸素量は決まっているので、空
気流量は燃料電池の出力で決まる流量以下には小さくで
きない。したがって、圧縮機の吐出圧力をできる限り小
さくすることにより燃料電池システムの効率を向上させ
る方法が採られる。

【０００６】しかしながら、このように圧縮機の吐出圧
力を低くすると、燃料電池の排空気流路に設けられたコ
ンデンサに加わる空気圧力も小さくなり、飽和水蒸気量
が大きくなるので凝縮する水の量は減少する。このた
め、低圧力運転を行う燃料電池システムは、コンデンサ
に供給される冷却水の温度が充分に低くないと、コンデ
ンサで回収できる水の量は、システム内で消費する水の
量より少なくなり、純水が不足するといった問題があっ
た。

【０００７】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、システム内で必要とされる
純水を効率的に回収することができる燃料電池システム
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成
するために、請求項１記載の燃料電池システムは、燃料
電池と、前記燃料電池に水素含有ガスを供給する水素供
給系と、前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素供
給系と、前記燃料電池からの排気流路に設けられた凝縮
器と、システム内に供給するための水が収容された水タ
ンクとを備えた燃料電地システムにおいて、前記水タン
ク内の水容量の変動値を検出するセンサと、前記センサ
により検出された水容量の変動値が所定範囲になったと
き、前記凝縮器へ送られる水分含有ガスの圧力を増加さ
せる信号を出力する制御手段と、を備えたことを特徴と
する。

【０００９】一定の出力を維持しながら燃料電池システ
ムの効率を高めるために圧縮機の吐出圧を低下させる
と、水分含有ガスの飽和水蒸気量が増加するので凝縮に
より回収できる水の量は減少する。しかしながら、請求
項１記載の発明では、水タンク内の水容量の変動値をセ
ンサで検出し、水の回収が必要となったときは凝縮器へ
送られる水分含有ガスの圧力を増加させるので、飽和水
蒸気量が減少し、これにより水の回収量が増加する。こ
うした水回収量を増加させる運転モードを設けること
で、通常は燃料電池システムの効率を高めることができ
るとともに、必要な場合にのみ水の回収量を増加させて
システム内で水を賄うことができる。

【００１０】なお、請求項１記載の発明において、水分
含有ガスとしては燃料電池から排出される酸素含有ガス
（たとえば空気）、水素含有ガス（たとえば改質ガスま
たは水素ガス）をいい、何れのガスであっても良い。

【００１１】また、水タンク内の水容量の変動値とは、
水タンクに収容されている水の容量そのものや水容量の
単位時間当たりの減少量など、水の残量に関する特性値
を広く含む趣旨である。

【００１２】（２）上記請求項１記載の発明におい
て、凝縮器へ送られる水分含有ガスの圧力を増加させる
手法は特に限定されず、たとえば請求項２乃至４記載の
手法が挙げられる。

【００１３】すなわち、請求項２記載の燃料電池システ
ムでは、前記制御手段は、前記燃料電池へ酸素含有ガス
を供給する圧縮機に対し、酸素含有ガスの圧力を増加さ
せる信号を出力することを特徴とする。

【００１４】この請求項２記載の燃料電池システムにお
いては、圧縮機から燃料電池へ送られる酸素含有ガスの
圧力を増加させるので、凝縮器を通過する排酸素含有ガ
スの圧力も増加し、飽和水蒸気量が減少することで、水
の回収量が増加する。

【００１５】また、請求項３記載の燃料電池システムで
は、前記制御手段は、前記凝縮器の出口に設けられた流
量調節弁に対し、当該凝縮器を通過する水分含有ガスの
圧力を増加させる信号を出力することを特徴とする。

【００１６】この請求項３記載の燃料電池システムにお
いては、凝縮器出口の流量調節弁を制御して（具体的に
は弁開度を小さくして）凝縮器を通過する水分含有ガス
の圧力を増加させるので、飽和水蒸気量が減少し水の回
収量が増加する。この手法は単独であるいは請求項２記
載の手法と組み合わせて採用することができる。

【００１７】また、請求項４記載の燃料電池システムで
は、前記制御手段は、前記燃料電池に対し、その出力を
低下させて酸素含有ガスの流量を低下させる信号を出力
することを特徴とする。

【００１８】この請求項４記載の燃料電池システムで
は、燃料電池の出力を一旦低下させることで、それまで
の酸素含有ガス流量を低減する。これにより酸素含有ガ
スの圧力が増加し、凝縮器を通過する排酸素含有ガスの
圧力も増加するので、飽和水蒸気量が減少し、水の回収
量が増加する。この発明によれば圧縮機やその駆動モー
タなどを燃料電池システムの低圧高効率運転に合わせて
高効率にすることができ、システム全体の効率を向上さ
せることができる。

【００１９】（３）上記目的を達成するために、本発
明の他の観点による請求項５記載の燃料電池システムに
おける水回収方法は、システム内の水貯留変動量に応じ
て、凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を制御するこ
とを特徴とする。

【００２０】凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を制
御することで、当該ガスの飽和水蒸気量が変化し、これ
により凝縮量を制御することができる。

【００２１】特に、請求項６記載の燃料電池システムに
おける水回収方法のように、水を回収するときは、前記
凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を増加させること
が好ましい。水分含有ガスの飽和水蒸気量は圧力にほぼ
反比例するので、当該水分含有ガスの圧力を増加させる
と飽和水蒸気量が減少し、その結果、水の改修量が増加
する。

【００２２】なお、水貯留変動量とは、水タンクに貯留
されている水の容量そのものや水容量の単位時間当たり
の減少量など、水の残量に関する特性値を広く含む趣旨
である。

【００２３】

【発明の効果】請求項１乃至６記載の発明によれば、水
の残量が少なくなったときに凝縮器を通過する水分含有
ガスの圧力を高める水回収モード運転を行い、水の回収
が不要であるときは低圧モード運転を行うので、燃料電
池システム全体の効率を高めつつ燃料電池システム内に
て純水を賄うことができる。

【００２４】また、システム全体の効率を高めることに
より、水タンクの容量自体や二次電池の容量自体を小さ
くすることができ、システムの小型化および低コストか
が図られる。

【００２５】これに加えて、請求項４記載の発明によれ
ば、圧縮機やその駆動モータなどを燃料電池システムの
低圧高効率運転に合わせて高効率にすることができるの
で、システム全体の効率をより一層向上させることがで
きる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。第１実施形態図１は本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロ
ック図、図２および図３は本実施形態の制御手順を示す
フローチャートである。

【００２７】まず、本実施形態の燃料電池システムは、
電解質を挟んで対電極が設けられた燃料電池３を有し、
この燃料電池３の陰極側に圧縮機７からの圧縮空気（本
発明の酸素含有ガスに相当する。）が供給され、陽極側
に改質器１からの水素含有ガス（本発明の水素含有ガス
または改質ガスに相当する。）が供給される。

【００２８】圧縮機７は、外気等を取り入れてこれをシ
ステムの負荷に応じて０．５〜２ｋｇ／ｃｍ^２程度ま
で圧縮して燃料電池３に供給するが、その型式は特に限
定されず、ピストン式圧縮機、スクロール式圧縮機ある
いはターボ式圧縮機等々を用いることができる。

【００２９】燃料電池３に供給される空気は８０〜８５
℃の温度が望ましいが、圧縮機７で圧縮された空気は通
常１５０℃以上となっているので、これを上記温度範囲
まで冷却するために、圧縮機７と燃料電池３との間にア
フタークーラなどを設けることが望ましい。この種のア
フタークーラは、水冷式および空冷式の何れのものも用
いることができる。

【００３０】一方、改質器１は、たとえば燃料タンク１
２に収容されたメタノールを水蒸気改質して、水素を多
量に含む燃料ガスとするもので、メタノールおよび水の
供給を受けて下記式に示すメタノールの分解反応と一酸
化炭素の変性反応とを同時進行させて水素と二酸化炭素
とを含有する改質ガスを生成する改質部と、この改質部
で得られた改質ガス中の未反応の一酸化炭素と水とを同
じ変性反応により水素と二酸化炭素とに変性して水素含
有量の多い燃料ガスを生成するシフト部とを備える。燃
料タンク１２から改質器１へのメタノールおよび水の供
給はポンプ１３により行われる。

【００３１】

【化２】メタノール反応：ＣＨ_３ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ
_２−２１．７kcal/mol 変性反応：ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２＋
９．８kcal/mol 全体反応：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋
３Ｈ_２−１１．９kcal/mol なお詳細な図示は省略するが、改質器１には、上述した
改質部およびシフト部における反応部分を加熱するため
のバーナーを有する燃焼器が設けられており、改質器１
自体で生成した燃料ガスの一部と、燃料電池３からの排
出ガスが送り込まれ、当該排出ガス中の未反応の水素ガ
スはここで燃焼することになる。この燃焼器には、これ
らの水素ガス以外にも、圧縮機７からの空気が燃焼用空
気として供給される。

【００３２】燃料電池３では、陰極（空気極）に導入さ
れた圧縮空気と陽極（燃料極）に導入された水素含有ガ
スとが、電解質を挟んで電極表面で下記の電気化学反応
し、これにより電気エネルギが二次電池４へ取り出され
る。

【００３３】

【化３】陽極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ 陰極反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ
_２Ｏこのとき、燃料電池３の陰極側には、水タンク８に収容
された純水が加湿器２を介して圧縮空気の加湿用として
供給される。また、上記反応において陰極側で生成され
た純水および陰極側で余剰となった排空気はコンデンサ
５（本発明の凝縮器に相当する。）へ送られる。

【００３４】このコンデンサ５には、ここを通過する排
空気を凝縮させるための冷却水が送られ、この冷却水は
ラジエータ６によって冷却される。コンデンサ５にて生
成された凝縮水は水タンク８へ回収され、ポンプ１３に
より再び改質器１および加湿器２へ送られる。また、コ
ンデンサ５の出口配管には流量制御弁１１が設けられて
おり、制御装置１０からの指令信号によりその開度が制
御される。

【００３５】水タンク８には、当該水タンク８に収容さ
れた純水の残量を検出する水位センサ９が設けられてお
り、この水位センサ９による検出信号は制御装置１０へ
送出される。この制御装置１０は、水位センサ９から送
出される純水の残量を取り込んで当該純水の残量変化量
を演算し、水回収モード運転とするかどうかを判断し、
圧縮機７、二次電池４および流量制御弁１１を制御す
る。

【００３６】次に作用を説明する。図２および図３に示
すように、燃料電池システムの運転が開始され、外部装
置からの出力要求指令が入力されると（ステップ１〜
２）、圧縮機７は外気を取り入れ、これをシステムの負
荷に応じて適宜０．５〜２ｋｇ／ｃｍ^２に圧縮し（温
度は１５０℃以上）、アフタークーラを介して８０〜８
５℃の適温としたのち、この圧縮空気は燃料電池３の陰
極側に供給される。一方、燃料タンク１２に収容された
メタノール（環境温度）はポンプ１３によってメタノー
ル＋水として改質器１へ供給され、この改質器１で生成
された３００〜４００℃の水素含有ガスは、燃料電池３
の陽極側に供給される。そして、これら酸素と水素との
電気化学反応によって燃料電池３から二次電池４へ電力
が取り出される。このとき、水タンク８から燃料電池３
の陰極側に加湿器２を介して純水が供給される。

【００３７】また、燃料電池３の陰極側の排空気はコン
デンサ５へ導かれ、ラジエータ６を循環する冷却水によ
り冷却されることで凝縮水として水タンク８へ回収され
る。また上述した電気化学反応によって生じた純水もこ
れに含まれる。

【００３８】このとき、本実施形態では、まず水タンク
８の水位を水位センサ９で測定する（ステップ３〜
６）。この水位の測定は所定時間（ステップ４）におけ
る水位の変化量（ステップ６）にて求められる。この水
タンク８内の水の増減量に基づいて水回収モードの運転
が必要がどうかの判定を行う（ステップ７）。

【００３９】ところで、コンデンサ５による水の回収量
は、大気中の水分量、加湿の水分量および燃料電池の反
応で生成する水分量を加算したものから、コンデンサ出
口の排気に含まれる水分量を減じたものとなる。このな
かで、大気中の水分量はシステム運転の環境状態により
異なり、加湿の水分量は燃料電池３の運転状態により決
められる水分量であり、また、燃料電池３にて生成され
る水分量は燃料電池の出力電流で決まる。また、コンデ
ンサ出口の排気に含まれる水分量はコンデンサ５で冷や
される空気温度、コンデンサ５に供給される空気圧力に
より決まるため、コンデンサ５に供給される冷却用流体
温度（冷却水温度）と空気圧力により変動する。

【００４０】したがって、大気中の水分量が多いとき、
燃料電池３の出力が大きいとき、コンデンサ５の冷却水
温度が低いときおよび空気圧力が高いときは、回収水分
量は多くなり、逆の場合は少なくなる。このため、燃料
電池３の出力（または電流）、ラジエータ６の冷却水温
度、燃料電池３の入口圧力および水タンク８内の水変化
量を測定すれば（ステップ１０）、運転中の大気中の水
分量が逆算でき、これが求まれば空気圧力の上昇分によ
る回収水分量の増加分が計算できることになる（ステッ
プ１１〜１２）。こうして求められた燃料電池３の入口
圧力に対する回収水分量の関係の一例を図６に示す。

【００４１】この計算結果に基づいて、現状の環境およ
び条件によって回収し得る水分量に対するコンデンサ５
の出口における圧力の目標値を定め（ステップ１３）、
この目標値を満足するように圧縮機７の出力と流量制御
弁１１の開度を調節する（ステップ１４，１５）。この
調節結果は、燃料電池３の入口圧力とコンデンサ５の出
口圧力とを測定し、これらが目標圧力とされているかど
うかにより判断する（ステップ１６〜１８）。

【００４２】こうすることで、コンデンサ５により回収
される水分量が増加するので、水タンク８の水位が上昇
することになり（ステップ１９，２０）、その水位が充
分となったときは（ステップ７）、それまでの水回収モ
ード運転から通常の低圧運転に復帰させ、システム全体
の効率化を図る（ステップ８）。

【００４３】第２実施形態図４は本発明の燃料電池システムの他の実施形態を示す
フローチャートであり、上述した第１実施形態のステッ
プ１〜１２までの構成は同じである。また燃料電池シス
テムの構成は図１に示す第１実施形態と同じであるが、
圧縮機７の最大出力は、燃料電池システムが定格出力を
得るために必要とされる最低圧力とされている。

【００４４】そして、水回収モード運転においては、上
述した第１実施形態と同様に水回収に必要なコンデンサ
５の圧力を得るためにコンデンサ５を通過する排空気の
圧力を上昇させるが、このとき圧縮機７がこの吐出圧を
満足できない空気流量で燃料電池３が運転している場合
には、燃料電池３の出力を一時的に低下させ、空気流量
を低減することで吐出圧を増加させる。

【００４５】すなわち、水回収モード運転に切り替わる
と（ステップ９〜１２）、二次電池４の容量を測定し
（ステップ１２１）、この二次電池４の充電量が設定値
よりも大きいときは燃料電池３の出力を低下させ（ステ
ップ１２２〜１２３）たのち、圧縮機７と流量制御弁１
１とを制御することでコンデンサ５の通過圧力を増加さ
せる。また、ステップ１２２にて二次電池４の充電量が
設定値よりも小さい場合にはそのまま燃料電池３の出力
を低下できないので、一旦ステップ１２４およびステッ
プ１２５へ進んで燃料電池３の出力を増加させて二次電
池４への充電量を増加させたのち、上記の処理を実行す
る。

【００４６】本実施形態では、二次電池４の充電量を管
理しながら緻密に水回収モード運転を行い、圧縮機７お
よびその駆動モータを燃料電池システムに最低限必要と
される能力に設定しているので、燃料電池システム全体
としての効率が向上するとともに水回収率も向上するこ
とになる。

【００４７】なお、以上説明した実施形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブ
ロック図である。

【図２】本発明の燃料電池システムの実施形態の制御手
順を示すフローチャートである。

【図３】本発明の燃料電池システムの実施形態の制御手
順を示すフローチャートである。

【図４】本発明の燃料電池システムの他の実施形態を示
すフローチャートである。

【図５】燃料電池入口の空気圧に対する回収水の増減を
示すグラフである。

【符号の説明】

１…改質器２…加湿器３…燃料電池４…二次電池５…コンデンサ６…ラジエータ７…圧縮機８…水タンク９…水位センサ１０…制御装置１１…流量制御弁１２…燃料タンク１３…ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池と、前記燃料電池に水素含有ガス
を供給する水素供給系と、前記燃料電池に酸素含有ガス
を供給する酸素供給系と、前記燃料電池からの排気流路
に設けられた凝縮器と、システム内に供給するための水
が収容された水タンクとを備えた燃料電地システムにお
いて、前記水タンク内の水容量の変動値を検出するセンサと、
前記センサにより検出された水容量の変動値が所定範囲
になったとき、前記凝縮器へ送られる水分含有ガスの圧
力を増加させる信号を出力する制御手段と、を備えたこ
とを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記制御手段は、前記燃料電池へ酸素含有
ガスを供給する圧縮機に対し、酸素含有ガスの圧力を増
加させる信号を出力することを特徴とする請求項１記載
の燃料電池システム。
【請求項３】前記制御手段は、前記凝縮器の出口に設け
られた流量調節弁に対し、当該凝縮器を通過する水分含
有ガスの圧力を増加させる信号を出力することを特徴と
する請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】前記制御手段は、前記燃料電池に対し、そ
の出力を低下させて酸素含有ガスの流量を低下させる信
号を出力することを特徴とする請求項１記載の燃料電池
システム。
【請求項５】システム内の水貯留変動量に応じて、凝縮
器を通過する水分含有ガスの圧力を制御することを特徴
とする燃料電池システムにおける水回収方法。
【請求項６】水を回収するときは、前記凝縮器を通過す
る水分含有ガスの圧力を増加させることを特徴とする請
求項５記載の燃料電池システムにおける水回収方法。