(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極が対設された燃料電池に供給される燃料および／または酸化剤としてのガスを加湿するための加湿装置であって、
水透過性部材と、
前記水透過性部材の一方の面側に形成されるガス供給通路と、
前記水透過性部材の他方の面側に形成される加湿用水路と、
前記加湿用水路に近接しかつ該加湿用水路と独立して設けられ、加湿用水より融点の低い媒体を供給する媒体流路と、
前記加湿用水の凍結を検知するための凍結検知手段と、
前記加湿用水の凍結が検知された際、該加湿用水を解凍するための熱を前記媒体に付与する加熱手段と、
熱が付与された前記媒体を前記媒体流路に供給する媒体供給手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【請求項２】
請求項１記載の加湿装置において、前記媒体を前記燃料電池内の冷却通路に供給する第１循環路と、
前記媒体を前記媒体流路に循環供給する第２循環路と、
前記第１循環路と前記第２循環路とを連通および閉塞自在な切換弁手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【請求項３】
固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極が対設された燃料電池に供給される燃料および／または酸化剤としてのガスを加湿するための加湿装置であって、
水透過性部材と、
前記水透過性部材の一方の面側に形成されるガス供給通路と、
前記水透過性部材の他方の面側に形成される加湿用水路と、
前記加湿用水路に近接しかつ該加湿用水路と独立して設けられ、加湿用水より融点の低い媒体を供給する媒体流路と、
前記媒体を前記燃料電池内の冷却通路に供給する第１循環路と、
前記媒体を前記媒体流路に循環供給する第２循環路と、
前記第１循環路と前記第２循環路とを連通および閉塞自在な切換弁手段と、
前記加湿用水の凍結を検知するための凍結検知手段と、
を備え、
前記加湿用水の凍結が検知された際、前記第１循環路と前記第２循環路とを連通させて前記媒体を前記媒体流路から前記冷却通路に循環させることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【請求項４】
請求項３記載の加湿装置において、前記媒体を前記媒体流路に循環供給する循環系を備え、
前記循環系は、前記加湿用水の凍結を検知した際、該加湿用水を解凍するための熱を前記媒体に付与する加熱手段を有することを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加湿装置において、前記媒体は、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、１−ブタノール、２−メチル−１−プロパノール、２−ブタノール、１−ヘキサノール、１−オクタノール、２−エチルヘキサノール、メタン、エタン、プロパン、エチレングリコール、プロピレングリコール、エチルエーテル、トルエン、アンモニア、メチルアミンまたはエチルアミンであることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池に供給されるガスを加湿するための燃料電池用ガスの加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池構造体を、セパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池は、例えば、メタノールの水蒸気改質により生成された水素ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
この場合、上記燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを予め水により加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結して構成することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池構造体に供給するものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の加湿装置では、特に寒冷地において使用する際に、加湿用の水が凍結してしまう場合が多い。これにより、燃料電池の始動前に、加湿装置内の水を解凍する作業が必要となり、この種の作業が煩雑で、しかも時間がかかるという問題が指摘されている。
【０００６】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、加湿装置内の水の解凍作業を容易かつ迅速に行うことができ、しかも構成を簡素化することが可能な燃料電池用ガスの加湿装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池用ガスの加湿装置は、水透過性部材の一方の面側に形成されるガス供給通路と、この水透過性部材の他方の面側に形成される加湿用水路と、前記加湿用水路に近接して設けられる媒体流路とを備えている。そして、ガス供給通路に燃料ガスや酸化剤ガスが供給される一方、加湿用水路に水が供給されると、この水が水透過性部材を透過して前記ガス供給通路のガスを有効に加湿する。
【０００８】
次いで、加湿用水路で水が凍結すると、この水より融点の低い媒体が前記加湿用水路に近接して設けられた媒体流路に供給されるため、前記水と前記媒体との間で熱交換が行われ、該水を容易かつ確実に解凍することができる。しかも、媒体流路を設けるだけでよく、加湿装置全体の構成を有効に簡素化することが可能になる。
【０００９】
ここで、媒体を媒体通路に循環供給する循環系に加熱手段が設けられている。従って、媒体が加熱手段により加熱されるため、水の解凍作業が一層迅速かつ確実に遂行される。
【００１０】
また、媒体を燃料電池内の冷却通路に供給する第１循環路と、前記媒体を加湿装置内の媒体通路に循環供給する第２循環路とを備え、前記加湿装置内で水が凍結した際に切換弁手段を介して前記媒体を前記第２循環路に供給する。これにより、加湿装置の構成が一層簡素化する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る加湿装置１０およびこの加湿装置１０が連結される燃料電池１２の概略構成説明図である。加湿装置１０は、加湿部１４と、この加湿部１４に供給される燃料ガス（水素ガスまたはメタノール改質水素ガス）および酸化剤ガス（空気または酸素）を加湿するガス加湿量制御部１６と、前記加湿部１４内で凍結した水を解凍する水解凍部１８とを備える。
【００１２】
加湿部１４は、図２および図３中、矢印Ｘ方向に向かって、燃料ガス用の第１供給板２０と、第１水透過膜（水透過性部材）２２ａと、水および媒体用の第２供給板２４ａ、２４ｂと、第２水透過膜２２ｂと、燃料ガスおよび酸化剤ガス用の第３供給板２６と、第３水透過膜２２ｃと、前記第２供給板２４ａ、２４ｂと、第４水透過膜２２ｄと、前記第３供給板２６と、第５水透過膜２２ｅと、前記第２供給板２４ａ、２４ｂと、第６水透過膜２２ｆと、酸化剤ガス用の第４供給板２８とが一体的に配置される。
【００１３】
第１供給板２０は、その一面が平坦であり、その他面に水平方向に延在する複数の突起３０を設けることにより第１水透過膜２２ａの一方の面３２ａ側に鉛直方向に向かって蛇行する燃料ガス通路３４ａが形成される。
【００１４】
第２供給板２４ａ、２４ｂは、それぞれの一面に水平方向に延在する複数の突起３６ａ、３６ｂを設けることにより、第１水透過膜２２ａの他方の面３２ｂ側と第２水透過膜２２ｂの一方の面３８ａ側とに、鉛直方向に向かって蛇行する加湿用水路４０ａ、４０ｂが形成される。第２供給板２４ａ、２４ｂの互いに対向する他面には、水平方向に延在する比較的短尺な複数の突起４２ａ、４２ｂが形成され、この突起４２ａ、４２ｂ同士が当接して媒体流路４４が構成される。
【００１５】
図２に示すように、第３供給板２６は、両面に水平方向に延在する複数の突起４６ａ、４６ｂを有し、この突起４６ａと第２水透過膜２２ｂの他方の面３８ｂとの間に酸化剤ガス通路４８ａが形成されるとともに、前記突起４６ｂと第３水透過膜２２ｃの一方の面５０ａとの間に燃料ガス通路３４ｂが形成される。第３水透過膜２２ｃの他方の面５０ｂと第２供給板２４ａとの間には、水路４０ｃが構成される。
【００１６】
第４水透過膜２２ｄの面５２ａと第２供給板２４ｂとの間、および前記第４水透過膜２２ｄの面５２ｂと第３供給板２６との間には、水路４０ｄおよび酸化剤ガス通路４８ｂが形成される。第５水透過膜２２ｅの両面５４ａ、５４ｂは、燃料ガス通路３４ｃ、水路４０ｅの一部を構成するとともに、第６水透過膜２２ｆの両面５６ａ、５６ｂは、それぞれ水路４０ｆ、酸化剤ガス通路４８ｃの一部を構成する。
【００１７】
加湿部１４には、燃料ガスを燃料ガス通路３４ａ〜３４ｃに導入するための燃料ガス導入口６０、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路４８ａ〜４８ｃに導入するための酸化剤ガス導入口６２、水路４０ａ〜４０ｆに加湿用の水を導入するための水導入口６４、媒体流路４４に媒体を導入するための媒体導入口６６、加湿後の燃料ガスを燃料電池１２に送り出すための燃料ガス導出口６８、加湿後の酸化剤ガスを前記燃料電池１２に送り出すための酸化剤ガス導出口７０、未使用の水を排出するための水導出口７２、および解凍処理後の媒体を排出するための媒体導出口７４が設けられる。
【００１８】
ガス加湿量制御部１６は、図４に示すように、水導入口６４と水導出口７２に連通して水を加湿部１４内に循環供給する第１循環系８０を備える。第１循環系８０は、水タンク８４を備え、この水タンク８４と加湿部１４が第１循環路８６により連通している。この第１循環路８６上には、水タンク８４から加湿部１４に水を供給するための水循環用ポンプ８８と、水圧を検出する圧力計９０と、水の流量を検出する流量計９２とが配設される。圧力計９０および／または流量計９２は、水の凍結を検知するための凍結検知手段を構成している。
【００１９】
水解凍部１８は、媒体導入口６６と媒体導出口７４に連通して媒体を加湿部１４内に循環供給する第２循環系８２を備える。第２循環系８２は、媒体用リザーブタンク９４を備え、このリザーブタンク９４と加湿部１４の媒体導入口６６および媒体導出口７４が第２循環路９６により連通している。この第２循環路９６上には、リザーブタンク９４から加湿部１４に媒体を供給するための媒体循環用ポンプ９８と、水の凍結を検知した際に該水を解凍するための熱を前記媒体に付与する熱交換器（加熱手段）１００とが配設される。
【００２０】
媒体は、水よりも融点の低い物質であり、具体的には、メタノール（−９７．７８℃）、エタノール（−１１４．５℃）、プロパノール（−１２７℃）、イソプロパノール（−８９．５℃）、１−ブタノール（−８９．５３℃）、２−メチル−１−プロパノール（−１０８℃）、２−ブタノール（−１１４．７℃）、１−ヘキサノール（−４４．６℃）、１−オクタノール（−１４．９℃）、２−エチルヘキサノール（＜−７６℃）、メタン（−１８２．４８℃）、エタン（−１８３．６℃）、プロパン（−１８７．６９℃）、エチレングリコール（−１２．６℃）、プロピレングリコール（流動点：−６０℃）、エチルエーテル（−１１６．３℃）、トルエン（−９５℃）、アンモニア（−７７．７℃）、メチルアミン（−９３．４６℃）またはエチルアミン（−８１．０℃）が使用される。なお、上記（    ）内は、それぞれの物質の常圧下における融点温度を示す。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池１２は、固体高分子電解質膜１０２を挟んでカソード側電極１０４とアノード側電極１０６を対設した燃料電池構造体１０８を備え、この燃料電池構造体１０８が図示しないセパレータを介して複数積層されている。燃料電池１２には、スタック温度管理部１１０が接続される。このスタック温度管理部１１０は、燃料電池１２内の冷却通路（図示せず）に温調媒体を供給するものであり、実際上、上記の水解凍部１８と同様に構成されている。
【００２２】
このように構成される加湿装置１０の動作について、以下に説明する。
【００２３】
図２に示すように、燃料ガス（水素ガス）が加湿部１４の燃料ガス導入口６０に供給されると、この燃料ガスは、第１、第３および第５水透過膜２２ａ、２２ｃおよび２２ｅの面３２ａ、５０ａおよび５４ａ側に形成された燃料ガス通路３４ａ〜３４ｃに導入される。一方、酸化剤ガスが加湿部１４の酸化剤ガス導入口６２に供給されると、この酸化剤ガスは、第２、第４および第６水透過膜２２ｂ、２２ｄおよび２２ｆの面３８ｂ、５２ｂおよび５６ｂ側に形成された酸化剤ガス通路４８ａ〜４８ｃに導入される。
【００２４】
ここで、図４に示すように、ポンプ８８の作用下に水タンク８４から第１循環路８６を介して加湿部１４の水導入口６４に水が供給される。この水は、図２に示すように、第１〜第６水透過膜２２ａ〜２２ｆの面３２ｂ、３８ａ、５０ｂ、５２ａ、５４ｂおよび５６ａ側に形成された水路４０ａ〜４０ｆに導入される。
【００２５】
この水路４０ａ〜４０ｆに導入された水は、第１〜第６水透過膜２２ａ〜２２ｆを透過して燃料ガス通路３４ａ〜３４ｃおよび酸化剤ガス通路４８ａ〜４８ｃに供給され、燃料ガスおよび酸化剤ガスを加湿する。未使用の水は水導出口７２から第１循環路８６に排出され、水タンク８４に戻される。
【００２６】
次いで、加湿された燃料ガスが、燃料ガス導出口６８から燃料電池１２内に供給され、燃料電池構造体１０８を構成するアノード側電極１０６に供給される。一方、加湿された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導出口７０から燃料電池１２内に供給され、燃料電池構造体１０８を構成するカソード側電極１０４に供給される。また、スタック温度管理部１１０から燃料電池１２内に所定の温度に調整された温調媒体が供給され、燃料電池構造体１０８の温度調整が行われる。
【００２７】
ところで、燃料電池１２が寒冷地等で使用される場合、加湿部１４内で加湿用の水が凍結し易い。このため、本実施形態では、第２供給板２４ａ、２４ｂ間に、水路４０ａ〜４０ｆに近接しかつ該水路４０ａ〜４０ｆと独立して、水より融点の低い媒体を供給するための媒体流路４４が形成されている。
【００２８】
そこで、水路４０ａ〜４０ｆで水が凍結した際には、図４に示すように、ポンプ９８を介してリザーブタンク９４から加湿部１４内の媒体導入口６６に媒体が供給される。この媒体は、不凍冷媒として媒体流路４４に沿って蛇行しながら媒体導出口７４側に流動するため、前記媒体流路４４に近接して設けられている水路４０ａ〜４０ｆで凍結した水と前記媒体との間で第２供給板２４ａ、２４ｂを挟んで熱交換が行われる。従って、加湿装置１０は、極めて簡単な構成で、加湿部１４内で凍結した水を容易にかつ確実に解凍することができるという効果が得られる。
【００２９】
しかも、第１の実施形態では、加湿部１４内で水の凍結が発生すると、図４に示すように、第１循環系８０に設けられた圧力計９０により検出される圧力指示値（水圧）が所定の値より高くなるとともに、流量計９２で水の流れが検出されなくなり、前記水が凍結したことを自動的に検知することができる。
【００３０】
そこで、圧力計９０および／または流量計９２の検出結果に基づいて、第２循環系８２に配設された熱交換器１００が駆動される。これにより、第２循環路９６を介して加湿部１４内に供給される媒体は、熱交換器１００で加熱されており、前記加湿部１４内で凍結している水を一層迅速かつ確実に解凍することが可能になる。
【００３１】
なお、第１の実施形態では、加湿部１４で燃料ガスおよび酸化剤ガスの両方を加湿しているが、これに限定されるものではなく、燃料ガスまたは酸化剤ガスの一方のみを加湿するものであってもよい。
【００３２】
図５には、本発明の第２の実施形態に係る加湿装置１２０の概略構成が示されている。なお、第１の実施形態に係る加湿装置１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３３】
加湿装置１２０は、加湿部１４とガス加湿量制御部１６と前記加湿部１４内で凍結した水を解凍する温度管理制御部１２２とを備え、燃料電池１２に連結されている。温度管理制御部１２２は、媒体を燃料電池１２内の冷却通路（図示せず）に供給する第１循環路１２４と、前記媒体を加湿部１４内に循環供給する第２循環路１２６と、前記第１循環路１２４と前記第２循環路１２６とを連通および閉塞自在な切換弁手段１２８とを備える。
【００３４】
第１循環路１２４には、媒体用リザーブタンク１３０と、媒体循環用ポンプ１３２と、前記媒体の温度を調整するための熱交換器等の温度制御手段１３４とが配設される。切換弁手段１２８は、第１循環路１２４に配設される第１および第２切換弁１３６ａ、１３６ｂを備え、この第１および第２切換弁１３６ａ、１３６ｂに第２循環路１２６が接続される。
【００３５】
このように構成される加湿装置１２０では、ガス加湿量制御部１６を介して加湿部１４内で燃料ガスおよび酸化剤ガスの加湿が行われ、加湿された前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスが燃料電池１２に供給される。温度管理制御部１２２では、リザーブタンク１３０内の媒体が、ポンプ１３２の作用下に第１循環路１２４に沿って矢印Ａ方向に供給され、燃料電池１２内の図示しない冷却通路に循環供給される。
【００３６】
一方、加湿部１４内で水の凍結が発生すると、切換弁手段１２８を介して第２循環路１２６が第１循環路１２４に連通する。このため、リザーブタンク１３０内の媒体は、矢印Ｂ方向に供給され、先ず、加湿部１４内に導入されて前記加湿部１４内で凍結している水を解凍した後、燃料電池１２内に供給される。
【００３７】
これにより、温度管理制御部１２２は、単一で第１の実施形態におけるスタック温度管理部１１０と水解凍部１８の機能を有することになり、加湿装置１２０の構成が一層簡素化するという効果が得られる。
【００３８】
図６には、本発明の第３の実施形態に係る加湿装置を構成する加湿部１４０の内部概略構成が示されている。なお、第１の実施形態に係る加湿装置１０を構成する加湿部１４と同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３９】
この加湿部１４０は、加湿部１４の第２供給板２４ａ、２４ｂに代替して第２供給板１４２を備える。第２供給板１４２の両面には、鉛直方向に向かって蛇行する加湿用水路１４４を形成するための複数の突起１４６が設けられる。第２供給板１４２の中央部分には、加湿用水路１４４に平行して管体１４８が配設され、この管体１４８内に低融点媒体を流すための媒体流路１５０が形成される。
【００４０】
従って、加湿部１４０を使用しても、加湿部１４と同様の効果が得られることになる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る燃料電池用ガスの加湿装置では、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿するための水が水路内で凍結した際、この水路に近接して設けられた媒体流路に、加湿用の水を解凍するための熱が付与された媒体が供給されるため、前記水と前記媒体との間で熱交換が行われる。これにより、加湿装置の構成が簡素化するとともに、加湿用の水を容易かつ効率的に解凍することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加湿装置および燃料電池の概略構成説明図である。
【図２】前記加湿装置を構成する加湿部の内部説明図である。
【図３】前記加湿部の一部斜視説明図である。
【図４】前記加湿装置を構成するガス加湿量制御部および水解凍部の概略説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る加湿装置および燃料電池の概略構成説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る加湿装置を構成する加湿部の内部説明図である。
【符号の説明】
１０、１２０…加湿装置              １２…燃料電池
１４、１４０…加湿部                １６…ガス加湿量制御部
１８…水解凍部                      ２２ａ〜２２ｆ…水透過膜
３４ａ〜３４ｃ…燃料ガス通路        ４０ａ〜４０ｆ、１４４…水路
４４、１５０…媒体流路              ４８ａ〜４８ｃ…酸化剤ガス通路
８０、８２…循環系                  ８４…水タンク
８６、９６、１２４、１２６…循環路  ８８、９８、１３２…ポンプ
９４、１３０…リザーブタンク        １００…熱交換器
１０２…固体高分子電解質膜          １０４…カソード側電極
１０６…アノード側電極              １２２…温度管理制御部
１２８…切換弁手段                  １４８…管体
【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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