(57)【要約】【課題】  切り替え弁、切り替え制御装置、換気配管などの換気用部品を必要とすることなく、燃料電池ボックス内の換気性能を確保する。【解決手段】  カソードセパレータ４１の空気入口側マニホールドに対応する貫通孔４９とセパレータ外部とを連通する溝６１を、カソードセパレータ４１に形成する。このカソードセパレータ４１を備える燃料電池を燃料電池ボックス内に格納し、燃料電池ボックス外部に設けたコンプレッサから、発電に使用する圧縮空気を空気入口１７を通して空気入口側マニホールドに供給する。空気入口側マニホールドに供給した空気の一部を、溝６１を通して燃料電池外の燃料電池ボックス内に流出させて換気する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサで圧縮した空気が供給される燃料電池を、燃料電池ボックス内に収容した燃料電池の換気装置において、前記燃料電池は、両側に電極を備えた電解質膜をカソードセパレータおよびアノードセパレータで挟んで構成され、これら各部材の積層方向に向けて前記燃料電池を貫通するとともに、前記カソードセパレータの前記電解質膜に対向する面に形成した空気流路に連通する空気マニホールドを設け、前記電解質膜，カソードセパレータおよびアノードセパレータの少なくともいずれか一つの部材に、前記空気マニホールドを流れる空気の一部を燃料電池外部の前記燃料電池ボックス内の空間に流出させる換気流路を設けたことを特徴とする燃料電池の換気装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の換気装置において、前記空気マニホールドは、前記コンプレッサの圧縮空気を導入する空気入口側マニホールドと、前記燃料電池の発電後に前記空気流路から排出空気が流出する空気出口側マニホールドとを、それぞれ備え、前記換気流路は、前記空気入口側マニホールドに連通することを特徴とする燃料電池の換気装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池の換気装置において、前記換気流路の前記燃料電池ボックス内の空間への空気流出口を、前記燃料電池の外周部に設けた電圧測定用端子の近傍に設けたことを特徴とする燃料電池の換気装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池の換気装置において、前記換気流路をパイプにより構成したことを特徴とする燃料電池の換気装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池の換気装置において、前記換気流路は、前記空気マニホールドに接続する空気流入口から、前記燃料電池ボックス内の空間へ開口する空気流出口に向けて、下り勾配となっていることを特徴とする燃料電池の換気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサで圧縮した空気が供給される燃料電池を、燃料電池ボックス内に収容した燃料電池の換気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池ボックスに換気ファンを設けて換気を行うのと同時に、コンプレッサで圧縮した空気を、燃料電池に供給する前に、切り替え弁、切り替え制御装置、換気配管を用いて分流してその一部を燃料電池ボックス内に供給し、燃料電池ボックス内の換気を行う方法が、下記特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１３２９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記した従来の燃料電池の換気装置にあっては、燃料電池ボックス側壁に換気ファンを設けており、さらにコンプレッサで圧縮した発電用の空気の一部を分流して燃料電池ボックス内に導く換気手段、すなわち切り替え弁、切り替え制御装置、換気配管などの換気用部品が必要となる。
【０００４】
しかしながら、このような燃料電池ボックスの換気構造は、例えば自動車のような移動体に燃料電池を搭載する場合には、車両重量の増大や、燃料電池の設置スペースが増大して部品レイアウトの自由度が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、切り替え弁、切り替え制御装置、換気配管などの換気用部品を使用することなく、燃料電池ボックス内の換気性能を確保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、コンプレッサで圧縮した空気が供給される燃料電池を、燃料電池ボックス内に収容した燃料電池の換気装置において、前記燃料電池は、両側に電極を備えた電解質膜をカソードセパレータおよびアノードセパレータで挟んで構成され、これら各部材の積層方向に向けて前記燃料電池を貫通するとともに、前記カソードセパレータの前記電解質膜に対向する面に形成した空気流路に連通する空気マニホールドを設け、前記電解質膜，カソードセパレータおよびアノードセパレータの少なくともいずれか一つの部材に、前記空気マニホールドを流れる空気の一部を燃料電池外部の前記燃料電池ボックス内の空間に流出させる換気流路を設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、空気マニホールドを流れる空気の一部を、電解質膜，カソードセパレータおよびアノードセパレータの少なくともいずれか一つの部材に設けた換気流路を通して燃料電池ボックス内の空間に流出させるようにしたので、切り替え弁、切り替え制御装置、換気配管などの換気用部品を必要とすることなく、燃料電池ボックス内の換気性能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す燃料電池の換気装置に使用する燃料電池１の斜視図で、この燃料電池１は、燃料ガスとなる水素および酸化剤ガスとなる空気の供給を受けて発電する単セル３を複数積層して形成したスタック５と、スタック５の積層端の両側にそれぞれ設けたエンドプレート７，９と、一方のエンドプレート７側に設けられ、スタック５に面圧を作用させるプレッシャプレート１１と、その面圧を保持すべく、プレッシャプレート１１から他方のエンドプレート９にわたって設けたテンションプレート１３とを、それぞれ備える。符号１０は集電板、符号１２は絶縁板である。
【００１０】
なお、一方のエンドプレート７とプレッシャプレート１１との間には、スタック５に作用する面圧の変動を吸収する弾性部材（例えば、皿バネなど）１５ を設けている。
【００１１】
また、他方のエンドプレート９には、燃料電池１に供給する空気の入口１７および同出口１９，燃料電池１に供給する水素の入口２１および同出口２３，燃料電池１を冷却する冷却媒体となる冷却水の入口２５および同出口２７を、それぞれ設けている。
【００１２】
このような燃料電池１は、図２に示すような燃料電池ボックス１７内に、１つあるいは複数格納した状態で、例えば車両などの移動体に搭載する。
【００１３】
燃料電池ボックス１７には、前記した空気入口１７に連通する空気供給配管２９を設けており、空気供給配管２９には、燃料電池ボックス１７の外部に配置したコンプレッサ３１で圧縮した空気を供給する。また、燃料電池ボックス１７には、前記空気出口１９に連通する空気排出配管３３を設けており、この空気排出配管３３から、発電に使用した残りの空気を排出させる。
【００１４】
その他、水素入口２１および同出口２３，冷却水入口２５および同出口２７についても、図示していないが、それぞれ対応する配管を燃料電池ボックス１７に設ける。
【００１５】
また、プレッシャプレート１１側の燃料電池ボックス１７上面の角部には、燃料電池ボックス１７内の換気に使用した空気を排出させるための排出口３５を設けている。
【００１６】
図３は、燃料電池１の内部構造を示す要部を分解した斜視図であり、単セル３はＵＥＡ(Unitized  Electrode  Assembly)３７と、ＵＥＡ３７を両側から挟むアノードセパレータ３９およびカソードセパレータ４１とから構成されて、全体として正方形や長方形などの四角形の薄板状に形成している。
【００１７】
ＵＥＡ３７は、フッ素系樹脂などの材料により形成した固体高分子膜からなり、かつ湿潤状態で良好なプロトン導電性を示す電解質膜の両面に、電解触媒層およびガス拡散層をそれぞれ配している。また、アノードセパレータ３９およびカソードセパレータ４１は、ガス不透過のカーボンあるいは金属製で構成する。
【００１８】
アノードセパレータ３９のＵＥＡ３７に対向する面には、図示しない水素流路を形成する一方、カソードセパレータ４１のＵＥＡ３７に対向する面には、図示しない空気流路を形成し、これら各流路を形成した面と反対側の面には、図示しない冷却水流路を形成している。
【００１９】
上記した水素流路および空気流路は、前記したスタック５に作用する面圧の変動を吸収する弾性部材１５からの圧力により、単セル３が積層方向に所定の面圧を受けた状態で、シール部材４３によりシールされ、一方冷却水流路は、アノード、カソード各セパレータ３９，４１相互間にてシール部材４５によってシールされる。
【００２０】
また、アノード、カソード各セパレータ３９，４１には、前記した空気入口１７、水素入口２１、冷却水入口２５にそれぞれ対応して、単セル３の積層方向に貫通する空気入口側マニホールドとなる貫通孔４７，４９、同水素入口側マニホールドとなる貫通孔５１，５３、同冷却水入口側マニホールドとなる貫通孔５５，５７を設けている。
【００２１】
さらに、アノード、カソード各セパレータ３９，４１の図３中で下部側に位置する貫通孔５１，５３近傍の外側部には、外方に突出する電圧測定用端子５９を設けている。
【００２２】
そして、本実施形態では、単セル３の一部を構成しているカソードセパレータ４１において、図４に示すように、空気入口側マニホールドを構成する貫通孔４９から、電圧測定用端子５９の上部近傍に開口する換気流路となる溝６１を設けている。溝６１は、貫通孔４９に空気流入口６１ｄを通して連通する上部水平部６１ａと、上部水平部６１ａから下方に向けて延びる鉛直部６１ｂと、鉛直部６１ｂから水平に延び空気流出口６１ｅによって外部に開口する下部水平部６１ｃとからなる。
【００２３】
このような溝６１は、燃料電池１の各部品を積層してスタック５に付与する面圧力によってアノードセパレータ３９に対向する開口部分を可能であるが、必要に応じてその周囲にシール材を設けてもよい。
【００２４】
なお、図４中でカソードセパレータ４１の右側部分に形成してある貫通孔６３，６５，６７は、それぞれ水素出口側マニホールド，冷却水出口側マニホールド，空気出口側マニホールドに対応している。また、図４では、空気入口側マニホールドに対応する貫通孔４９と空気出口側マニホールドに対応する貫通孔６７とを繋ぐ空気流路は省略している。
【００２５】
次に作用を説明する。コンプレッサ３１により圧縮した空気が、空気供給配管２９を経て空気入口１７から空気入口側マニホールドに流入した後、カソードセパレータ４１の空気流路を通ってＵＥＡ３７のカソード電極部に供給される。同様にして、水素が図示しない水素供給配管を経て水素入口２１から水素入口側マニホールドに流入した後、アノードセパレータ３９の水素流路を通ってＵＥＡ３７のアノード電極部に供給される。
【００２６】
このようにしてＵＥＡ３７に空気および水素が供給されて、燃料電池１が発電する。この燃料電池１の発電時には、空気出口側マニホールドに流出した排出空気が、空気出口１９から空気排出配管３３を経て外部に排出されるとともに、水素出口側マニホールドに流出した排出水素が、水素出口２３から図示しない水素排出配管を経て外部に排出される。
【００２７】
また、冷却水についても、図示しない冷却水供給配管を経て冷却水入口２５から冷却水入口側マニホールドに流入した後、アノード，カソード各セパレータ３９，４１相互間の冷却水流路を通って燃料電池内部を冷却し、冷却後は、冷却水出口側マニホールドに流出した後、冷却水出口２７から図示しない冷却水排出配管を経て外部に排出される。
【００２８】
そして、このような燃料電池１の運転時に、コンプレッサ３１により圧縮した空気が、空気供給配管２９を経て空気入口１７から空気入口マニホールドに流入した際に、その一部が溝６１を通って燃料電池１の外部、すなわち燃料電池ボックス１７内の空間に流出し、またこの空間内の換気後の空気が排出口３５から燃料電池ボックス１７の外部に排出される。これにより、燃料電池ボックス１７内の換気を行う。
【００２９】
このように、本実施形態によれば、コンプレッサ３１で圧縮した空気が供給される空気入口側マニホールドを流れる空気の一部を、溝６１を通して燃料電池ボックス１７内の空間に流出させるようにしたので、切り替え弁、切り替え制御装置、換気配管などの換気用部品を必要とすることなく、燃料電池ボックス１７内の換気性能を確保することができる。
【００３０】
これにより、例えば自動車のような移動体に燃料電池１を搭載する場合には、上記した換気用部品を必要としない分、車両重量の増大を防止できるとともに、燃料電池１の設置スペースの増大を回避して部品レイアウトの自由度低下を防止することができる。
【００３１】
上記した換気を行う際には、空気入口側マニホールドを流れる空気を利用しているので、発電時の化学反応によって生成される水を多く含んでいる空気出口側マニホールドを使用する場合に比較して、燃料電池ボックス１７内の湿度を低い状態に保つことができる。
【００３２】
なお、空気出口側マニホールドを流れる空気を利用して換気を行っても構わない。
【００３３】
また、溝６１の空気流出口６１ｅは、電圧測定用端子５９の近傍に位置しているので、電圧測定用端子５９近傍に空気を流出させてその温度上昇を抑え、これにより単セル３の電圧測定を安定して行うことができる。
【００３４】
図５は、本発明の第２の実施形態を示す、前記図４に相当するカソードセパレータ４１の正面図である。この実施形態は、換気流路として、前記図４に示した第１の実施形態における溝６１に代えて、直線状のパイプ６９をカソードセパレータ４１内に埋め込んでいる。
【００３５】
上記したパイプ６９は、樹脂または金属などで構成し、空気入口側マニホールドに供給した圧縮空気の一部が流れてスタック５の外部に流出させる換気流路となる。
【００３６】
これにより、第１の実施形態と同様に、切り替え弁や切り替え制御装置などの換気用部品を必要とすることなく、また換気用のパイプ６９についても、カソードセパレータ４１内に埋め込むものであって極めて小型化されたものであるので、例えば自動車のような移動体に燃料電池１を搭載する場合に、車両重量の増大を防止できるとともに、燃料電池１の設置スペースの増大を回避して部品レイアウトの自由度低下を防止しつつ、燃料電池ボックス１７内の換気を行うことが可能となる。
【００３７】
さらに、第２の実施形態では、パイプ６９の内径をより厳密に規定でき、空気入口側マニホールドから燃料電池ボックス１７内に流す空気の流量をより正確に制御することができ、換気性能の向上に寄与することができる。
【００３８】
また、パイプ６９は、空気入口側マニホールドの貫通孔４９に接続する空気流入口６９ａから、燃料電池ボックス１７内の空間への空気流出口６９ｂに向けて、直線状として下り勾配とすることで、発電を停止して外気温度程度に燃料電池１が冷えても、パイプ６９内に結露した水分を燃料電池１の外部に排出でき、燃料電池１の性能劣化を回避することできる。
【００３９】
なお、図４の溝６１においても、図５のパイプ６９のように、直線状として下り勾配とすることで、同様の効果を得ることができる。
【００４０】
また、第１の実施形態における溝６１および第２の実施形態におけるパイプ６９は、カソードセパレータ４１のみならず、アノードセパレータ３９に設けてもよい。さらに、ＵＥＡ３７を、アノード，カソード各セパレータ３９，４１と同形状として、このＵＥＡ３７に各マニホールドに対応する貫通孔をそれぞれ形成し、そのうち空気入口側マニホールドに対応する貫通孔に、第１の実施形態における溝６１や第２の実施形態におけるパイプ６９を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す燃料電池の換気装置に使用する燃料電池の斜視図である。
【図２】図１の燃料電池を燃料電池ボックス内に格納した状態を示す斜視図である。
【図３】図１の燃料電池の内部構造を示す要部を分解した斜視図である。
【図４】図３に示すカソードセパレータの正面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す、図４に相当するカソードセパレータの正面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  燃料電池
１７  燃料電池ボックス
３１  コンプレッサ
３７  ＵＥＡ（電化質膜）
３９  アノードセパレータ
４１  カソードセパレータ
５９  電圧測定用端子
６１  溝（換気流路）
６１ｄ，６９ａ  空気流入口
６１ｅ，６９ｂ  空気流出口
６９  パイプ（換気流路）
【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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