(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池システムにおいて、大型化したり、コストアップすることを抑制する。【解決手段】燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料電池と接続され、燃料電池内部の水を排出するための排水流路１２０と、排水流路よりも高い位置に設けられ、水を貯留するための水タンク１１０と、毛細管力によって排水流路中の水を吸い上げる吸上流路１５０と、吸い上げられた水を水タンクに落下させる落下部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池と接続され、前記燃料電池内部の水を排出するための排水流路と、
前記排水流路よりも高い位置に設けられ、前記水を貯留するための貯留部と、
毛細管力によって前記排水流路中の前記水を吸い上げる吸上流路と、
吸い上げられた前記水を前記貯留部に落下させる落下部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記吸上流路は、
前記貯留部の上方に配置される開放部と、前記排水流路と接続される接続部とを備え、前記接続部から前記開放部に伸びるように形成され、前記毛細管力によって前記排水流路中の前記水を前記開放部まで吸い上げ、
前記落下部は、
前記開放部まで吸い上げられた前記水を前記貯留部に落下させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記吸上流路は、
内部に多孔体を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記多孔体は、上方ほど段階的に、気孔の孔径が小さく形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記多孔体は、
鉛直方向に対して斜めに切断され、略下方を向く切断面を有し、前記切断面に向けて下方に伸びて形成される下方部多孔体を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記多孔体は、発泡金属から成ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記多孔体は、表面が親水性であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記落下部は、振動によって、前記開放部まで吸い上げられた前記水を前記貯留部に落下させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記落下部は、前記排水流路と前記貯留部との圧力差によって、前記開放部まで吸い上げられた前記水を前記貯留部に落下させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記吸上流路の前記開放部は、前記貯留部上方の位置に、略下方を向いて配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
ラジエタと、
前記貯留部に貯留された前記水を前記ラジエタに吐出するための吐出装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
車両であって、
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の燃料電池システムと、
前記排水流路に含まれるマフラーと、を備え、
前記吸上流路は、
前記毛細管力によって前記マフラー中の前記水を吸い上げることを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される水を水タンクに回収する回収機構が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３７２３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記燃料電池システムの回収機構では、燃料電池から排出される水は、設計上、低位部を流れるようにすることが多く、低位部から水タンクにポンプ等で汲み上げる必要があるが、ポンプ等を搭載するスペースが必要なため大型化したり、ポンプ等を制御する制御装置が必要なためコストアップするおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池システムにおいて、大型化したり、コストアップすることを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池と接続され、前記燃料電池内部の水を排出するための排水流路と、前記排水流路よりも高い位置に設けられ、前記水を貯留するための貯留部と、毛細管力によって前記排水流路中の前記水を吸い上げる吸上流路と、吸い上げられた前記水を前記貯留部に落下させる落下部と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池システムによれば、大型化したり、コストアップすることを抑制することができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記吸上流路は、前記貯留部の上方に配置される開放部と、前記排水流路と接続される接続部とを備え、前記接続部から前記開放部に伸びるように形成され、前記毛細管力によって前記排水流路中の前記水を前記開放部まで吸い上げ、前記落下部は、前記開放部まで吸い上げられた前記水を前記貯留部に落下させることを特徴とする燃料電池システム。
【００１０】
このようにすれば、大型化したり、コストアップすることを抑制することができる。
【００１１】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記吸上流路は、内部に多孔体を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【００１２】
このようにすれば、毛細管力によって排水流路の水を吸い上げることができる。
【００１３】
［適用例４］
適用例３に記載の燃料電池システムにおいて、前記多孔体は、上方ほど段階的に、気孔の孔径が小さく形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【００１４】
このようにすれば、多孔体において、下方に比べて上方が毛細管力が強くなり、水の吸い上げ力を高めることができる。
【００１５】
［適用例５］
適用例３に記載の燃料電池システムにおいて、前記多孔体は、鉛直方向に対して斜めに切断され、略下方を向く切断面を有し、前記切断面に向けて下方に伸びて形成される下方部多孔体を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【００１６】
このようにすれば、吸い上げた水の落下を容易にすることができる。
【００１７】
［適用例６］
適用例３ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記多孔体は、発泡金属から成ることを特徴とする燃料電池システム。
【００１８】
このようにすれば、毛細管力によって排水流路の水を吸い上げることができる。
【００１９】
［適用例７］
適用例３ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記多孔体は、表面が親水性であることを特徴とする燃料電池システム。
【００２０】
このようにすれば、水を開放部まで円滑に吸い上げることができる。
【００２１】
［適用例８］
適用例１ないし適用例７に記載の燃料電池システムにおいて、前記落下部は、振動によって、前記開放部まで吸い上げられた前記水を前記貯留部に落下させることを特徴とする燃料電池システム。
【００２２】
このようにすれば、大型化したり、コストアップすることを抑制することができる。
【００２３】
［適用例９］
適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記落下部は、前記排水流路と前記貯留部との圧力差によって、前記開放部まで吸い上げられた前記水を前記貯留部に落下させることを特徴とする燃料電池システム。
【００２４】
このようにすれば、大型化したり、コストアップすることを抑制することができる。
【００２５】
［適用例１０］
適用例１ないし適用例９に記載の燃料電池システムにおいて、前記吸上流路の前記開放部は、前記貯留部上方の位置に、略下方を向いて配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【００２６】
［適用例１１］
適用例１ないし適用例１０のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、ラジエタと、前記貯留部に貯留された前記水を前記ラジエタに吐出するための吐出装置と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【００２７】
このようにすれば、ラジエタにおいて熱交換量を上昇させることができる。
【００２８】
［適用例１２］
車両であって、
適用例１ないし適用例１１のいずれかに記載の燃料電池システムと、
前記排水流路に含まれるマフラーと、を備え、
前記吸上流路は、
前記毛細管力によって前記マフラー中の前記水を吸い上げることを特徴とする車両。
【００２９】
上記構成の車両にすれば、大型化したり、コストアップすることを抑制することができる。
【００３０】
なお、本発明は、上記した燃料電池の他、他の装置発明の態様として実現することも可能である。また、方法発明としての態様に限ることなく、方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．自動車ＨＲの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての自動車ＨＲの構成を示す図である。本実施例の自動車ＨＲは、燃料電池システム１０００を備えている。図１において、図の上下方向が鉛直方向である。以下では、鉛直方向の上方向を上方とも呼び、鉛直方向の下方向を下方とも呼ぶ。
【００３２】
Ａ２．燃料電池システム１０００の構成：
本実施例における燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０００は、主に、燃料電池１００と、水タンク１１０と、マフラー１２０Ａと、水供給ポンプ１３０と、ラジエタ１４０と、吸上流路１５０と、モータ２００と、振動伝達部材２０５と、を備えている。
【００３３】
図１では、省略しているが、燃料電池システム１０００は、燃料電池１００に燃料ガスとしての水素を供給するための水素タンクと、燃料電池１００に酸化ガスとしての空気を供給するためのコンプレッサと、燃料電池１００を冷却するための冷媒を供給する冷媒循環ポンプと、を備えている。
【００３４】
燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、エンドプレート（図示せず），インシュレータ（図示せず），ターミナル（図示せず），複数の燃料電池セル（図示せず），ターミナル（図示せず），インシュレータ（図示せず），エンドプレート（図示せず）の順に積層され、テンションプレート（図示せず）がボルトによって各エンドプレートに結合されることによって、各燃料電池セルを、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。
【００３５】
モータ２００は、自動車ＨＲの駆動力を供給し、自動車ＨＲの走行を可能とする。ラジエタ１４０は、上記冷媒循環ポンプによって燃料電池１００を循環する冷媒を冷却したり、自動車ＨＲに搭載された空調機（図示せず）を循環する冷媒を冷却するための熱交換器である。
【００３６】
燃料電池１００は、オフガス排出流路１２０と接続される。オフガス排出流路１２０は、一端が自動車ＨＲの外部に開放され、燃料電池１００から排出されるオフガスおよび水を自動車ＨＲの外部に排出する。
【００３７】
マフラー１２０Ａは、オフガス排出流路１２０の一部であり、排気音を低減させるための装置である。
【００３８】
図２は、図１のＸ部分の拡大図である。図２に示すように、水タンク１１０は、マフラー１２０Ａ（オフガス排出流路１２０）よりも上方に配置され、水を貯留するための貯留部１１０Ａと、内圧調節孔１１０Ｂと、を備える。吸上流路１５０は、管状部材１５０Ａと、多孔体１５０Ｂと、から成る。多孔体１５０Ｂは、管状部材１５０Ａの内部に配置される。管状部材１５０Ａは、マフラー１２０Ａの底部付近と接続される接続部１５０Ａ１と、開放部１５０Ａ２と、曲部１５０Ａ３と、曲部１５０Ａ４と、を備える。開放部１５０Ａ２は、下方を向くようにして、貯留部１１０Ａの上方に配置される。本実施例の多孔体１５０Ｂにおいて、各気孔の孔径は略均一となっている。また、多孔体１５０Ｂは、例えば、チタン（Ｔｉ）やステンレス（ＳＵＳ）などの錆びにくい材料から成る発泡金属や、焼結金属で形成される。多孔体１５０Ｂは、その表面が親水性に形成されている。
【００３９】
吸上流路１５０は、マフラー１２０Ａの底部付近と接続され、接続部１５０Ａ１から上方に伸びるように形成されると共に、曲部１５０Ａ３で、鉛直方向に対し水平方向に曲がり、さらに、曲部１５０Ａ４で、下方に曲がり、その後、開放部１５０Ａ２に向かって伸びるように形成される。吸上流路１５０の管状部材１５０Ａにおいて、曲部１５０Ａ４から開放部１５０Ａ２までの間の部位を、特に、下方部１５０ＡＡとも呼ぶ。下方部１５０ＡＡに配置される多孔体１５０Ｂを、特に、下方部多孔体１５０ＢＢとも呼ぶ。下方部多孔体１５０ＢＢは、水平方向に沿うと共に、開放部１５０Ａ２に沿って切断され、下方を向くように配置される切断面１５０ＢＢ１を備える。
【００４０】
振動伝達部材２０５は、モータ２００と、吸上流路１５０の下方部１５０ＡＡとを接続し、モータ２００の駆動に伴う振動波を吸上流路１５０（下方部１５０ＡＡ）に伝達する。
【００４１】
吸上流路１５０は、マフラー１２０Ａの水を、多孔体１５０Ｂの毛細管力によって開放部１５０Ａ２（切断面１５０ＢＢ１）まで吸い上げる。開放部１５０Ａ２まで吸い上げられた水は、モータ２００からの振動エネルギを受け、すなわち、モータ２００から振動伝達部材２０５を伝達してくる振動波によって、水タンク１１０の貯留部１１０Ａに落下する。
【００４２】
吸上流路１５０において、毛細管力による水が上昇する高さＺは、多孔体１５０Ｂにおける水の接触角θ、水の表面張力Ｔ、多孔体１５０Ｂの気孔半径ｒ、および、水の比重比γを用いて、以下の関係にある。
Ｚ＝２・Ｔ・ｃｏｓθ／γｒ
【００４３】
従って、吸上流路１５０において、気孔の孔径は、マフラー１２０Ａの水を、開放部１５０Ａ２（切断面１５０ＢＢ１）まで吸い上げることが可能な孔径となっている。
【００４４】
水供給ポンプ１３０は、水タンク１１０の底部付近に設けられ、水タンク１１０の貯留部１１０Ａに貯留された水を、水供給流路１２５を介して、ラジエタ１４０に吐出する。
【００４５】
以上のように、本実施例の自動車ＨＲでは、水タンク１１０よりも低位部にあるマフラー１２０Ａの水を、吸上流路１５０の多孔体１５０Ｂの毛細管力を用いて、水タンク１１０上方の開放部１５０Ａ２まで吸い上げ、モータ２００の振動波により落下させることで、水タンク１１０に汲み上げるようにしている。このようにすれば、水汲み上げ用ポンプ等を使用することなく、マフラー１２０Ａの水を水タンク１１０へ汲み上げることができるので、水汲み上げ用ポンプおよびその制御装置等を搭載する必要がなく、自動車ＨＲ（燃料電池システム１０００）が大型化したり、コストアップすることを抑止することができる。
【００４６】
本実施例の自動車ＨＲでは、水タンク１１０の貯留部１１０Ａに燃料電池１００から排出される水を回収し、ラジエタ１４０に吐出するようにしている。このようにすれば、ラジエタ１４０において、潜熱によって熱交換量を上昇させることができる。
【００４７】
本実施例の自動車ＨＲでは、吸上流路１５０における多孔体１５０Ｂの表面が親水性となっている。このようにすれば、マフラー１２０Ａの水を開放部１５０Ａ２まで円滑に吸い上げることができる。
【００４８】
本実施例の自動車ＨＲでは、吸上流路１５０が吸い上げた水を、既存の装置であるモータ２００の振動波を用いて、落下させるようにしている。このようにすれば、新たに、吸上流路１５０が吸い上げた水を、落下させる機構を設ける必要がないので、自動車ＨＲ（燃料電池システム１０００）が大型化したり、コストアップすることを抑止することができる。
【００４９】
本実施例において、オフガス排出流路１２０またはマフラー１２０Ａは、特許請求の範囲における排水流路に該当し、モータ２００および振動伝達部材２０５は、特許請求の範囲における落下部に該当する。
【００５０】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
図３は、第２実施例における吸上流路１５０αを説明するための図である。本実施例における自動車は、第１実施例の自動車ＨＲと基本的に同様の構成となっており、重複部分についての説明は省略する。本実施例における自動車は、第１実施例の吸上流路１５０の代わりに、吸上流路１５０αを備えている点で、第１実施例の自動車ＨＲと相違する。
【００５１】
吸上流路１５０αは、多孔体１５０Ｂαを備えている。多孔体１５０Ｂαは、第１多孔体１５０Ｂα１と、第２多孔体Ｂα２とから成る。第１多孔体１５０Ｂα１は、管状部材１５０Ａ内において、高さＨ（図３参照）よりも下方に配置される多孔体である。第２多孔体１５０Ｂα２は、管状部材１５０Ａ内において、高さＨよりも上方に配置される多孔体である。吸上流路１５０αにおいて、高さＨに該当する部分は、流路のほぼ中央付近に位置している。
【００５２】
第１多孔体１５０Ｂα１は、気孔の平均孔径が、第２多孔体１５０Ｂα２よりも大きく形成されている。すなわち、多孔体１５０Ｂαは、上方ほど段階的に、気孔の孔径が小さくなるように形成されている。このようにすれば、第１多孔体１５０Ｂα１において、下方に比べて上方が毛細管力が強くなり、水の吸い上げ力を高めることができる。
【００５３】
Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、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、例えば以下のような変形も可能である。
【００５４】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例の自動車では、吸上流路において、毛細管力を生じさせるために、多孔体を用いるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、吸上流路において、多孔体の代わりに、繊維状部材を用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００５５】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池システムは、自動車に搭載されているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、上記燃料電池システムを、電車、新幹線、船舶、飛行機、リニアモーターカ等の種々の移動体に搭載するようにしてもよいし、所定の建物内に配置するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００５６】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例の自動車では、吸上流路で吸い上げた水を、モータ２００の振動波を用いて、落下させるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、自動車の走行中に風を取り入れ、その風を用いて、吸上流路で吸い上げた水を、落下させるようにしてもよいし、吸上流路において、下方部１５０ＡＡ付近に燃料電池１００等で生じた熱エネルギーを加えて、吸上流路で吸い上げた水を、落下させるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００５７】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例の自動車では、吸上流路１５０における多孔体１５０Ｂの切断面１５０ＢＢ１は、水平方向に沿うように切断され、下方を向くように配置されているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、切断面１５０ＢＢ１は、鉛直方向に対して斜めに切断され、略下方を向くように配置されていてもよい。このようにすれば、切断面の面積を大きくすることができ、吸い上げた水を、より多く落下させることができる。
【００５８】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例の自動車ＨＲでは、マフラー１２０Ａの水を、水タンク１１０上方の開放部１５０Ａ２まで吸い上げ、モータ２００の振動波により落下させるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、水タンク１１０上方の開放部１５０Ａ２まで吸い上げた水を、燃料電池１００に酸化ガス（空気）を送るための送風機に用いられるモータ（図示せず）や、燃料電池１００に水素を循環させるためのポンプを用いて落下させるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００５９】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例の自動車ＨＲでは、マフラー１２０Ａの水を、水タンク１１０上方の開放部１５０Ａ２まで吸い上げ、モータ２００の振動波により落下させるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、水タンク１１０に内圧低下装置（図示せず）を設け、貯留部１１０Ａの圧力を低下させ、オフガス排出流路１２０と貯留部１１０Ａとの圧力差によって、水タンク１１０上方の開放部１５０Ａ２まで吸い上げた水を、落下させるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施例としての自動車ＨＲの構成を示す図である。
【図２】図１のＸ部分の拡大図である。
【図３】第２実施例における吸上流路１５０αを説明するための図である。
【符号の説明】
【００６１】
１００…燃料電池
１１０…水タンク
１１０Ａ…貯留部
１１０Ｂ…内圧調節孔
１２０…オフガス排出流路
１２０Ａ…マフラー
１２５…水供給流路
１３０…水供給ポンプ
１４０…ラジエタ
１５０…吸上流路
１５０ＢＢ１…切断面
１５０Ａ…管状部材
１５０Ｂ…多孔体
１５０Ａ１…接続部
１５０Ａ２…開放部
１５０Ａ３…曲部
１５０Ａ４…曲部
１５０ＡＡ…下方部
１５０ＢＢ…下方部多孔体
１５０Ｂα…多孔体
１５０Ｂα１…第１多孔体
１５０Ｂα２…第２多孔体
２００…モータ
２０５…振動伝達部材
１０００…燃料電池システム
Ｂ…第２多孔体
ＨＲ…自動車
【図１】
2010146743.tif 000003
【図２】
2010146743.tif 000004
【図３】
2010146743.tif 000005