(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給されたガスを用いて発電を行う燃料電池を動力源とする燃料電池車両において、
燃料電池に空気を供給する経路に光触媒を備えたガス浄化装置と、
前記光触媒に光を照射する光源とを設け、
前記光源は燃料電池の電力によって点灯することを特徴とする燃料電池車両。
【請求項２】
前記光源を点灯する電力として、燃料電池の余剰電力を用いることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項３】
前記ガス浄化装置として、前記光触媒を備え、空気を浄化する空気フィルタを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池車両。
【請求項４】
前記空気フィルタ前後の圧力を検出する圧力検出手段を設け、
検出された圧力差が前記空気フィルタ目詰まり時の圧力差以上のときに光触媒に光を照射することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両。
【請求項５】
前記ガス浄化装置として、前記光触媒を備え、空気を加湿する空気加湿器を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池車両。
【請求項６】
前記空気加湿器は、複数の微小球を収納した光透過性の容器内に空気と水を供給する気液接触型空気加湿器であって、その容器内表面及び微小球の表面に光触媒層を形成したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池車両。
【請求項７】
前記空気加湿器は、光透過性の容器内に水を貯留し、その水内に空気を放出することで空気を加湿する構成を有し、容器内表面に光触媒層を形成したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池車両。
【請求項８】
該空気を供給する経路に光触媒の光分解に必要な水分を供給する水分供給手段を備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池車両。
【請求項９】
前記光源から光触媒に光を導入する機構として光ファイバケーブルを用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池車両。
【請求項１０】
前記光触媒が酸化チタン等の酸化物半導体材料からな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車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の自動車の排ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対処するためにクリーンな排気及び高効率のエネルギ変換を可能とする燃料電池が注目されている。その中でも固体高分子電解質型燃料電池は高い出力密度を有するため自動車等の移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池（以下、燃料電池スタックという）では、水素または水素リッチの改質ガスと空気とを反応し電力を発生させるが、経時劣化の要因として空気中のオイルやダスト等の不純物が燃料電池スタック内に蓄積し、発電性能を低下させる。この対策として燃料電池スタックに空気を供給する空気供給器の下流に不純物除去用のフィルタを設置することが一般的に行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、長期の使用によってフィルタは目詰まりを生じ、フィルタの洗浄または交換といったメンテナンスを必要とし、またフィルタを設置しても微量のオイルがフィルタを通過して燃料電池スタックの膜電極集合体に付着、蓄積することは避けられず、長期的には燃料電池スタックの性能を低下させていた。
【０００５】
一方、特開平１０−１７４８２１号公報や特開２０００−６０９５５号公報には空気中のオイル成分を除去する技術として光触媒を用いたものが開示されているが、これらは技術分野が異なっており、燃料電池システム及びこれを搭載した燃料電池車両に適用可能な技術ではない。
【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車両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、供給されたガスを用いて発電を行う燃料電池を動力源とする燃料電池車両において、燃料電池に空気を供給する経路に光触媒を備えたガス浄化装置と、前記光触媒に光を照射する光源とを設け、前記光源は燃料電池の電力によって点灯する。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記光源を点灯する電力として、燃料電池の余剰電力を用いる。
【０００９】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記ガス浄化装置として、前記光触媒を備え、空気を浄化する空気フィルタを設ける。
【００１０】
第４の発明は、第３の発明において、前記空気フィルタ前後の圧力を検出する圧力検出手段を設け、検出された圧力差が前記空気フィルタ目詰まり時の圧力差以上のときに光触媒に光を照射する。
【００１１】
第５の発明は、第１または２の発明において、前記ガス浄化装置として、前記光触媒を備え、空気を加湿する空気加湿器を設ける。
【００１２】
第６の発明は、第５の発明において、前記空気加湿器は、複数の微小球を収納した光透過性の容器内に空気と水を供給する気液接触型空気加湿器であって、その容器内表面及び微小球の表面に光触媒層を形成する。
【００１３】
第７の発明は、第５の発明において、前記空気加湿器は、光透過性の容器内に水を貯留し、その水内に空気を放出することで空気を加湿する構成を有し、容器内表面に光触媒層を形成する。
【００１４】
第８の発明は、第１から７のいずれか一つの発明において、前記ガスを供給する経路に光触媒の光分解に必要な水分を供給する水分供給手段を備える。
【００１５】
第９の発明は、第１または２の発明において、前記光源から光触媒に光を導入する機構として光ファイバケーブルを用いる。
【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、前記光触媒が酸化チタン等の酸化物半導体材料からなる。
【００１７】
【発明の効果】
第１の発明では、燃料電池を備えた燃料電池車両は、燃料電池に供給される空気を光触媒によって浄化するガス浄化装置を備えており、この光触媒に光を照射する光源は、燃料電池の電力によって点灯するようにしたので、確実にガス中の不純物を除去することができ、さらに光触媒の作用により酸素が生成されて、燃料電池に供給されるので、酸素の供給量を増大しつつ、燃料電池の運転時間を延長することができる。
【００１８】
第２の発明では、前記光源を点灯する電力として、燃料電池の余剰電力を用いるので、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。
【００１９】
第３の発明では、ガス浄化装置として、光触媒を備え、空気を浄化する空気フィルタを設けたので、空気フィルタの目詰まりを軽減し、空気フィルタの交換時期を延長することができる。
【００２０】
第４の発明では、前記空気フィルタ前後の圧力を検出する圧力検出手段を設け、検出された圧力差が前記空気フィルタ目詰まり時の圧力差以上のときに光触媒に光を照射するようにしたので、空気フィルタの目詰まりを確実に判定することができ、光触媒による不純物の除去を最適な時期に行うことができ、光触媒を効率よく使用することができる。また空気フィルタ内の不純物を光分解し除去できるので、空気フィルタの空気浄化性能を再生することができる。
【００２１】
第５の発明では、ガス浄化装置として、光触媒を備え、空気を加湿する空気加湿器を設けたので、空気加湿器内の不純物を光触媒の光分解により除去し、燃料電池システムとしての長時間運転に寄与することができる。
【００２２】
第６の発明では、前記空気加湿器は、複数の微小球を収納した光透過性の容器内に空気と水を供給する気液接触型空気加湿器であって、その容器内表面及び微小球の表面に光触媒層を形成したので、空気及び水と光触媒との接触面積を大きくすることができ、効率よく空気加湿器内の不純物を光分解することができる。
【００２３】
第７の発明では、前記空気加湿器は、光透過性の容器内に水を貯留し、その水内に空気を放出することで空気を加湿する構成を有し、容器内表面に光触媒層を形成したので、簡便な構成で空気中の不純物を光分解によって除去することができる。
【００２４】
第８の発明では、光触媒の光分解に必要な水分を供給する水分供給手段を備えたので、光触媒に確実に水分を補給することができ、確実に光分解を行わせることができる。
【００２５】
第９の発明では、前記光源から光触媒に光を導入する機構として光ファイバケーブルを用いたので、容易に設置することができ、光触媒の設置場所を広範囲なものとすることができる。
【００２６】
第１０の発明では、前記光触媒が酸化チタン等の酸化物半導体材料からなるので、効果的に光触媒を行わせることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の車両用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。
【００２８】
図１によると、空気圧縮機１から送られる圧縮空気は、空気中の不純物を除去する空気フィルタ（ガス浄化装置）２、空気流量計３および空気を所定の湿度に調整する空気加湿器４を通過して燃料電池スタック５の空気極に供給される。一方、燃料電池スタック５の燃料極には、燃料供給系６から燃料、例えば水素が供給される。空気フィルタ２の前後には圧力検出手段としての圧力センサ７、８が設置されて、空気フィルタ２での圧力損失を検出できる構成となっている。さらには燃料電池スタック５での発電量を制御するコントローラ９が設けられ、車両の要求発電量に応じてコントローラ９が燃料電池スタック５の発電量を制御するとともに、圧力センサ７、８の出力信号が入力される。
【００２９】
ここで空気フィルタ２はその表面及び内部を光触媒が塗布され、空気フィルタ２に近接して紫外線を空気フィルタ２に照射する紫外線ランプ１０が設置されて、紫外線の照射により空気フィルタ２は触媒作用を発揮する。なお紫外線ランプ１０はコントローラ９によって、そのオンオフを制御される。
【００３０】
コントローラ９は、圧力センサ７、８の出力に基づき空気フィルタ２の圧力損失を検出し、圧力損失が基準空気流量に対する所定値以上に達したときに紫外線ランプ１０を点灯し、紫外線光を空気フィルタ２の光触媒に照射し、光触媒によって空気フィルタ２の表面等に付着したオイル等の不純物を光分解し、空気フィルタ２の圧力損失を低減し、燃料電池スタック５の発電能力を回復することができる。さらには光触媒の作用により酸素を生成し、燃料電池に供給される酸素を増大して発電効率を高めることができる。
【００３１】
光触媒としては、酸化チタンのほか、酸化亜鉛、酸化タングステン等の酸化物半導体や、ニオブ酸リチウム等のイオン置換された酸化物半導体を用いることが可能である。光触媒はこれらの半導体を粉末微粒子状にして光触媒を形成する表面に塗布（または噴霧）して高温で乾燥することによって形成されるものである。
【００３２】
なお、図示はしないが光触媒の光分解には所定量の水分を必要とし、光触媒に水分を供給する手段が備えられる。
【００３３】
また、図２に示すように燃料電池スタック５の運転状態と関連させて光触媒への紫外線光照射をコントローラ９によって制御するようにしてもよい。つまり、燃料電池スタック５が定格運転を行っているときには光触媒への紫外線光照射を中断し、燃料電池スタック５がアイドル運転時にのみ紫外線光照射を光触媒に行うように制御する。このような制御を行うことにより、燃料電池スタック５のアイドル運転時の発電を用いて紫外線ランプ１０を点灯し、空気フィルタ２での不純物の光分解を行うことで、これまで使用されていなかったアイドル運転時の発電を用いることによりシステムとしての発電効率を向上することができるとともに、紫外線光の照射による光分解を行えるので、確実に不純物を空気フィルタ２から除去することができる。さらにはアイドル運転時に加えて、燃料電池車両が停止し、燃料電池スタック内の残留水素を消費するパージモード時に光照射を行うようにしてもよい。又、余剰電力の利用方法としてシステム内に２次電池を備え、一旦２次電池に蓄えられた余剰電力を適宜利用することもこれに含まれる。
【００３４】
光触媒は微弱な室内蛍光灯などの光でも光励起されて浄化作用を発揮するものであり、例えばエンジンルーム内のように太陽光が十分に期待できないような場所に設置された場合でも空気浄化作用を発揮するが、燃料電池システムに用いる場合には、外部光として紫外線ランプを設置するなどして積極的に光触媒の浄化作用を発揮し、確実に空気中の不純物を除去することが望ましい。
【００３５】
図３及び図４に示す第２の実施形態は、空気フィルタ２の下流に設置された空気加湿器４の空気加湿部に光触媒を塗布し、光触媒に光を照射する光源は空気加湿部の外部に設置した構成である。
【００３６】
図３によると空気加湿器４は、中央に位置する空気加湿部１１をその両側からエンドプレート１２、１３が挟み込み、エンドプレート１２、１３を貫通するボルト１４及びナット１５によって一体的に所定軸力で締結、固定して構成される。
【００３７】
エンドプレート１２、１３には後述する空気加湿部１１の空気流路１１ａと水流路１１ｂにそれぞれ連通する空気口１２ａ、１３ａおよび水口１２ｂ、１３ｂが設けられて、一方が入口、他方が出口として機能する。
【００３８】
空気加湿部１１を固定するボルト１４には空気加湿部１１に紫外線を照射するための光源としての小型の紫外線ランプ１４ａが複数個設置されており、燃料電池スタック５からの電力によって空気加湿部１１に紫外線光を照射する。
【００３９】
図４は図３に示す空気加湿部１１の拡大図を示しており、空気加湿部１１は、水浸透可能な高分子膜１５を挟むとともに空気と水とを拡散させる多孔質性部材１６、１７が光透過性の材料からなるセパレータ１８、１９によって両側から抑えられた構成を有している。多孔質性部材１６、１７の外周は、高分子膜１５とセパレータ１８、１９間に設けられたＯリング２０によって、空気または水が外部に漏洩しないように密封されている。
【００４０】
ここで、セパレータ１８には、溝状の空気流路１８ａが形成されており、この流路１８ａの一端はエンドプレート１２の空気口１２ａに連通し、他端は空気口１３ａに連通し、空気が空気加湿部１１を通過するように構成される。同様にセパレータ１９には、溝状の水流路１９ａが形成されており、この流路１９ａはその一端はエンドプレート１３の水口１２ｂに連通し、他端は水口１３ｂに連通し、水が空気加湿部１１を通過するように構成される。
【００４１】
さらに空気流路１８ａの表面には光触媒１８ｂ、例えば酸化チタンが塗布されており、セパレータ１８、１９は紫外線光を透過する材料、例えば、透明のプラスチック材で構成される。
【００４２】
このように構成されて、ボルト１４に設置された紫外線ランプ１４ａが点灯し、紫外線光がセパレータ１８、１９を透過して空気流路１８ａの光触媒１８ｂに照射され、この照射により光触媒１８ｂは空気流路１８ａを通過する空気中の不純物を光分解し、下流に浄化された空気を供給することができる。さらに光触媒１８ｂの作用により酸素が生成されることにより、燃料電池に供給される酸素を増大して発電効率を高めることができる。
【００４３】
図５、６に示す第３の実施形態は、空気加湿器４の内部に紫外線光を光触媒に照射する光源を形成したものである。図５は本実施形態のセパレータの構成を説明する図であって、平板状のセパレータ２１の両面にそれぞれ溝状の空気流路２１ａと図示しない水流路２１ｂが形成されている。さらにセパレータ２１の流路２１ａ、２１ｂの両側にはそれぞれ２箇所ずつセパレータ２１を貫通する貫通孔２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂが形成される。この内の２箇所の貫通孔２２ａ、２３ａは空気流路２１ａと連通し、一方、貫通孔２２ｂ、２３ｂは図示しない水流路２１ｂに連通するよう構成される。このときそれぞれの流路が連通することがないのはいうまでもない。２つの貫通孔の一方が入口として機能し、他方が出口として機能する。このとき空気流路２１ａに連通する貫通孔２２ａ、２３ａのうち入口として機能する貫通孔２２ａの表面は光触媒２４が塗布されている。
【００４４】
このようにセパレータ２１は形成され、続いて図６を用いて、空気加湿器４の構成を説明する。セパレータ２１はその両面に形成された流路２１ａ、２１ｂの同じ流路が相通じることがないように積層され、そのセパレータ２１間に高分子膜を挟むとともに空気と水とを拡散させる多孔質性部材が位置する。この膜型加湿器の構成は図４に示したものと基本的には同一である。なお、セパレータ２１を積層するときに光触媒２４を塗布した貫通孔２２ａが連続的に重なるように構成される。さらに連続的に構成された貫通孔２２ａを貫通する光ファイバケーブル２８が光源として設置される。
【００４５】
ここで設置される光ファイバケーブル２８は、その軸直方向に複数箇所、光を漏洩できるよう構成されており、この光が光触媒２４に照射されて、空気中の不純物を光分解する。さらにこの構成では、セパレータ２１を光透過性の材料で構成する必要がないため、カーボン等の材料を使用できるなどセパレータに使用できる材料を広範囲に設定することができる。
【００４６】
図７に示す第４の実施形態は、空気加湿器の他の構成を示しており、これは、構成する面を光透過性の材料で構成された容器２９であって、その上下面３０、３１にはそれぞれ２箇所ずつ開口３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂが備えられ、上下面３０、３１の開口の一方３０ａ、３１ａは空気口として、他方３０ｂ、３１ｂは温水口として機能する。さらに容器２９内部にはガラス球３２が多数設けられており、その表面には光触媒が塗布されている。
【００４７】
このように構成されて、上面３０の温水口３０ｂから温水が容器２９内に供給され、下面３１の空気口３１ａから空気が容器２９内に供給される。なお容器２９内に供給される温水は、水でも水蒸気であってもよい。容器２９内で空気は温水によって加湿されるとともに、外部からの光の照射によって光触媒が光励起されて空気及び温水中の不純物を光分解し、上面の空気口３０ａから排出される加湿空気は不純物が除去された空気となる。さらに容器２９内には光触媒が塗布されたガラス球３２を設置することで、空気及び温水が光触媒に接触する面積を大きく確保することができ、不純物の除去能力を向上するという効果がある。なお本実施形態では、ガラス球に光を照射する光源を特に図示していないが、太陽光でもよいが紫外線ランプを設置すれば、設置場所に影響されることなく、常に光触媒の効果を期待することができる。また容器２９の内面に光触媒を塗布することで一層、空気及び水内の不純物を除去することができる。
【００４８】
図８に示す第５の実施形態は、空気加湿器の他の構成を示しており、構成する面のすべてを光透過性の材料で構成した容器３３である点は第４の実施形態と同様であるが、容器３３の下面３４に温水の入口３４ａと出口３４ｂを形成し、容器３３の内部に温水を貯留するように構成され、一方、容器上面３５に空気入口３５ａと出口３５ｂを形成し、空気入口３５ａには温水中に空気を放出するための導入管３６が固定される。また容器３３の内面には光触媒が塗布されており、外部からの光によって光励起する。
【００４９】
このように構成されて、容器３３内に供給された空気は導入管３６から温水中に排出されて、泡状となり（バブリング）、温水中から空気中に放出され、このとき放出される空気は温水中を通過することで加湿されており、したがって出口３５ｂから排出される空気は加湿空気となっている。さらに容器３３の内面は光触媒が塗布されているため、外部より光が光触媒に照射されることで容器３３内の温水及び空気中の不純物が光分解される。また本実施形態は、他の実施形態よりも簡単な構成であるという利点もある。
【００５０】
第４と第５実施形態のように光透過性の容器を用いた場合には、その容器表面に光を集光する手段、例えば、マイクロ集光レンズを設けることでより一層、光触媒による不純物の光分解を促進するもことが可能である。
【００５１】
これまで説明してきた実施形態は、燃料電池に水素と空気を供給ガスとして供給するシステムについて説明してきたが、供給ガスとしての水素の代わりとして改質ガスを用いたシステムに適用することが可能であり、このときには不純物を除去された空気を改質器に供給するようにしてもよい。さらにはガソリン改質器あるいはメタノール改質器におけるオートサーマル反応器に必要な空気供給系に適用することも可能である。
【００５２】
また、これまで燃料電池の空気極に供給される空気中の不純物の除去を目的として説明してきたが、燃料極に供給される燃料中の不純物を除去するために適用することもできる。例えば、ガソリン改質あるいはメタノール改質燃料を使用する場合には、ガソリン改質では未燃ハイドロカーボンや硫黄化合物を分解除去でき、メタノール改質であれば、未燃メタノールを光触媒で分解除去することが可能である。
【００５３】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【００５４】
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【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。
【００５６】
【図２】同じく光触媒への光照射と燃料電池の運転状態との関係を説明する図である。
【００５７】
【図３】第２実施形態としての空気加湿器を説明する燃料電池システム概要図である。
【００５８】
【図４】同じく空気加湿器の構成を説明する拡大図である。
【００５９】
【図５】第３実施形態としての他の空気加湿器のセパレータを説明する燃料電池システム概要図である。
【００６０】
【図６】同じく空気加湿器の構成を説明する図である。
【００６１】
【図７】第４実施形態としての他の空気加湿器の構成を説明する図である。
【００６２】
【図８】第５実施形態としての他の空気加湿器の構成を説明する図である。
【００６３】
【符号の説明】
１  空気圧縮機
２  空気フィルタ
３  空気流量計
４  空気加湿器
５  燃料電池スタック
６  燃料供給系
７  圧力センサ
８  圧力センサ
９  コントローラ
１０  紫外線ランプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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