(57)【要約】【課題】燃料電池に供給されるカソードガスを加湿器を用いることなく加湿し、装置の複雑化と大型化を防止すると共に、カソードガスを供給する機器の消費電力を低減するようにした燃料電池のカソードガス供給装置を提供する。【解決手段】燃料電池（１２）のカソードガスを供給する燃料電池のカソードガス供給装置において、封水式ポンプ（１８）で空気を吸入すると共に、吸入した空気をポンプ（１８）の内部を環流する封水で加湿した後、通路（３０）を介して燃料電池（１２）にカソードガスとして供給する。【選択図】図１
2006156265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソードガスを供給する燃料電池のカソードガス供給装置において、前記カソードガスを前記燃料電池に供給する水封式ポンプと、前記水封式ポンプに供給されるべき水が貯留される貯水タンクと、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスに含まれる生成水を前記貯水タンクに供給する生成水供給手段とを備えることを特徴とする燃料電池のカソードガス供給装置。
【請求項２】
前記生成水供給手段が、前記カソードオフガスから前記生成水を分離して前記貯水タンクに供給する気水分離器からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池のカソードガス供給装置。
【請求項３】
さらに、前記貯水タンクの水量が所定値未満であることを検知する水量センサと、前記水量センサによって前記水量が所定値未満であることが検知されたとき、前記貯水タンクに前記水を補給する水補給手段とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池のカソードガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池のカソードガス供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に供給されるカソードガス（空気）は、ブロワやポンプによって圧送されるのが一般的である。また、燃料電池の電解質膜の含水量を増加させるため、カソードガスの通路の途中に加湿器を設けるようにした技術も広く知られている。例えば特許文献１に記載される技術にあっては、カソードガスの通路と、燃料電池から排出されたカソードオフガスの通路と、それらを隔てる加湿膜（中空糸膜など）とからなる加湿器を設け、カソードオフガスに含まれる生成水を加湿膜を介してカソードガスに供給することで、カソードガスを加湿するように構成している。
【特許文献１】特開２０００−３０６５９５号公報（段落００１３，００１４、図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記したように、燃料電池に供給されるカソードガスを加湿するには、ブロワやポンプといったカソードガスの供給機器とは別体に、加湿器を設ける必要があった。そのため、従来技術にあっては、装置の複雑化と大型化を招くという不具合があった。また、中空糸膜などを備えた加湿器は圧力損失が大きいことから、ブロワやポンプの高出力化が必要となり、消費電力が増大するという問題もあった。
【０００４】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池に供給されるカソードガスを加湿器を用いることなく加湿し、装置の複雑化と大型化を防止すると共に、カソードガスを供給する機器の消費電力を低減するようにした燃料電池のカソードガス供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料電池のカソードガスを供給する燃料電池のカソードガス供給装置において、前記カソードガスを前記燃料電池に供給する水封式ポンプと、前記水封式ポンプに供給されるべき水が貯留される貯水タンクと、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスに含まれる生成水を前記貯水タンクに供給する生成水供給手段とを備えるように構成した。
【０００６】
また、請求項２にあっては、前記生成水供給手段が、前記カソードオフガスから前記生成水を分離して前記貯水タンクに供給する気水分離器からなるように構成した。
【０００７】
また、請求項３にあっては、さらに、前記貯水タンクの水量が所定値未満であることを検知する水量センサと、前記水量センサによって前記水量が所定値未満であることが検知されたとき、前記貯水タンクに前記水を補給する水補給手段とを備えるように構成した。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に係る燃料電池のカソードガス供給装置にあっては、カソードガスを水封式ポンプで供給するように構成したので、カソードガスをポンプで加湿することができる。そのため、加湿器が不要となり、装置の複雑化と大型化を防止することができる。また、加湿器が不要になることに伴い、カソードガスが加湿器を通過する際に生じる圧力損失を考慮する必要がなくなるため、ポンプの高出力化を抑制でき、よってポンプの消費電力を低減することができる。
【０００９】
さらに、請求項１に係る燃料電池のカソードガス供給装置にあっては、カソードオフガスに含まれる生成水を、水封式ポンプに供給されるべき水が貯留される貯水タンクに供給するように構成したので、貯水タンクに補給すべき水の量を低減することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る燃料電池のカソードガス供給装置にあっては、生成水を気水分離器でカソードオフガスから分離して貯水タンクに供給するように構成したので、上記した効果に加え、生成水を貯水タンクに効率良く供給することができる。
【００１１】
また、請求項３に係る燃料電池のカソードガス供給装置にあっては、さらに、貯水タンクの水量が所定値未満であることを検知する水量センサを設け、水量センサによって水量が所定値未満であることが検知されたとき、貯水タンクに水を補給するように構成したので、上記した効果に加え、始動時などに水量不足が生じていても、燃料電池の運転を速やかに開始することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池のカソードガス供給装置の最良の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池のカソードガス供給装置をコージェネレーションシステムの一部として示す斜視図である。以下、図１を参照し、コージェネレーションシステムの構成について概説する。
【００１４】
図１において符合１０は、コージェネレーションシステムを示す。コージェネレーションシステム１０は、家庭や工場などに設置される定置型のシステムであり、燃料電池（スタック）１２と、改質器１４と、熱交換器１６と、水封式ポンプ（以下、単に「ポンプ」という）１８などを備える。
【００１５】
燃料電池１２は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するカソード極（空気極）とアノード極（燃料極）と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池である。また、燃料電池１２は、アノードガス導入口１２ａと、アノードオフガス排出口１２ｂと、カソードガス導入口１２ｃと、カソードオフガス排出口１２ｄとを備える。
【００１６】
アノードガス導入口１２ａは、アノードガス通路２０とその途中に配置された気水分離器２４を介し、改質器１４に接続される。改質器１４は、図示しない管路を介し、原燃料の供給源に接続される。また、アノードオフガス排出口１２ｂは、アノードオフガス通路２６を介して改質器１４に接続される。
【００１７】
一方、カソードガス導入口１２ｃは、カソードガス通路３０を介してポンプ１８に接続される。
【００１８】
図２は、ポンプ１８付近の拡大斜視図である。
【００１９】
図２に示すように、ポンプ１８は、ケーシング１８ａの内部に収容されたインペラ１８ｂを備える。インペラ１８ｂの中心は、図示の如く、ケーシング１８ａの中心から偏心させられる。また、ポンプ１８の吸気口（図示せず）には、エアクリーナ３２が取り付けられる。尚、図２では、理解の便宜のためインペラ１８ｂを図示したが、実際にはインペラ１８ｂはその全体がケーシング１８ａで覆われており、外部から目視することはできない。
【００２０】
ポンプ１８の鉛直方向において下方には、貯水タンク３４が配置される。貯水タンク３４には、ポンプ１８に供給されるべき水が貯留される。
【００２１】
ここで、ポンプ１８の構造と動作について説明する。図３は、ポンプ１８と貯水タンク３４の断面を模式的に表す説明図である。
【００２２】
図３に示すように、ケーシング１８ａには、吸入口１８ｃと吐出口１８ｄが形成される。吸入口１８ｃは、エアクリーナ３２を介して大気に連通される。一方、吐出口１８ｄは、上記したカソードガス通路３０に接続される。また、ケーシング１８ａと貯水タンク３４は、封水導入路３６を介して連通される。
【００２３】
インペラ１８ｂが回転して負圧が発生すると、貯水タンク３４に貯留された水が吸引され、ケーシング１８ａの内部に流入する（以下、ケーシング１８ａの内部に流入した水を「封水」と呼ぶ）。尚、インペラ１８ｂは、その中心部にシャフト１８ｅを備え、かかるシャフト１８ｅが電動モータ１８ｆ（図１および図２に示す）に駆動されることによって回転させられる。
【００２４】
ケーシング１８ａの内部に流入した封水は、さらにインペラ１８ｂが発生する遠心力によってケーシング１８ａの内壁に沿って流れ、環流を形成する。また、インペラ１８ｂの回転によって発生した負圧により、空気がエアクリーナ３２と吸入口１８ｃを介してケーシング１８ａの内部に吸入される。ケーシング１８ａの内部に吸入された空気は、インペラ１８ｂの隣接する２枚の羽と、ケーシング１８ａと、環流の内面とによって形成される気室内で加圧されつつ移動し、吐出口１８ｄから所定の圧力で吐出される。また、このとき、封水の一部が空気と共に吐出口１８ｄから吐出される。
【００２５】
このように、ポンプ１８に吸入された空気は、封水に接触しながらケーシング１８ａの内部を通過するため、十分に加湿される。
【００２６】
図２の説明に戻ると、ポンプ１８と貯水タンク３４は、還流路４０を介して接続される。還流路４０は、具体的には、カソードガス通路３０の途中から下方へと延設されて貯水タンク３４に接続される。即ち、ポンプ１８の吐出口１８ｄ（図２で図示せず）と貯水タンク３４は、カソードガス通路３０の一部と還流路４０を介して接続される。
【００２７】
貯水タンク３４は、さらに、水供給路４２を介して水道などの水源に接続される。水供給路４２の途中には、電磁バルブ４４が配置される。また、貯水タンク３４の適宜位置には、貯水タンク３４の水量が所定値未満であることを検知する水量センサ４６が設けられる。水量センサ４６は、貯水タンク３４の水量が所定値未満であるときにオン信号を出力し、所定値以上であるときにオフ信号を出力する。水量センサ４６の出力は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）５０に送出される。ＥＣＵ５０は、マイクロコンピュータからなり、コージェネレーションシステム１０の適宜位置に配置される。
【００２８】
また、図１および図２に示すように、燃料電池１２のカソードオフガス排出口１２ｄは、カソードオフガス通路５２を介して貯水タンク３４に接続される。カソードオフガス通路５２の途中には、気水分離器５４が配置される。
【００２９】
また、図１に示すように、燃料電池１２は熱交換器１６を介して貯湯タンク５６に接続される。図示の如く、燃料電池１２、熱交換器１６および貯湯タンク５６は、４本の脚を有する設置テーブル５８の上に載置される。一方、ポンプ１８、貯水タンク３４および気水分離器５４は、設置テーブル５８の下（天板の下）の空間に載置される。
【００３０】
次いで、図１および図２を参照し、コージェネレーションシステム１０の動作について説明する。
【００３１】
改質器１４は、原燃料を水蒸気改質し、アノードガスを取り出す。具体的には、改質器１４は都市ガスを原燃料として供給され、かかる都市ガスと高温の水蒸気を混合し、水素ガスを主成分とするガスを取り出す。改質器１４によって取り出されたアノードガスは、アノードガス通路２０を通過して気水分離器２４に流入される。
【００３２】
気水分離器２４は、流入したアノードガスに含まれる凝縮水を除去し、残余の水素ガス成分を燃料電池１２のアノード極に供給する。尚、気水分離器２２でアノードガスから除去された凝縮水は、図示しない管路を通過して改質器１４に還流され、水蒸気改質に再利用される。
【００３３】
また、ポンプ１８に吸入された空気は、カソードガス通路３０を介して燃料電池１２のカソード極に圧送される。即ち、ポンプ１８は、空気を吸入すると共に、吸入した空気をポンプ１８の内部（ケーシング１８ａの内部）を環流する封水で加湿し、燃料電池１２にカソードガスとして供給する。
【００３４】
燃料電池１２のアノード極に供給されたアノードガスとカソード極に供給されたカソードガスは、電気化学反応を生じる。アノード極およびカソード極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
アノード極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
従って、全体の反応は下記となる。
全体：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【００３５】
上記の反応によって燃料電池１２が発電した電力（直流電流）は、図示しない出力端子から取り出され、その一部がポンプ１８や電磁バルブ４４、ＥＣＵ５０などの補機類の電源として使用されると共に、残部が図示しないインバータで所定の周波数の交流電流に変換された後、電気負荷（電気機器。図示せず）に供給される。
【００３６】
また、燃料電池１２の発電に伴って発生した熱は、冷却水などの適宜な媒体を介して熱交換器１６に伝達され、そこで貯湯タンク３６に貯留された水と熱の授受が行われることにより、温水がつくられる。かかる温水は、浴室などに供給される。このように、コージェネレーションシステム１０は、燃料電池１２を運転することにより、電力と熱エネルギの両方を供給する。
【００３７】
ところで、ポンプ１８が空気（カソードガス）を吐出する際に、空気と共に封水の一部が吐出されるのは前述した通りである。このポンプ１８から吐出された封水は、カソードガス通路３０を途中まで通過した後、下方に延設された還流路４０に自重によって落下し、還流路４０を通過して貯水タンク３４に還流される。
【００３８】
また、燃料電池１２から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス通路２６を通過して改質器１４に還流され、未反応成分が改質器１４の運転に再利用される。
【００３９】
一方、燃料電池１２から排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス通路５２を通過して気水分離器５４に流入する。上記した燃料電池１２の反応式からわかるように、カソードオフガスには発電によって生成された生成水が含まれる。気水分離器５４は、流入したカソードオフガスから生成水を分離して貯水タンク３４に供給すると共に、残余の気体成分を大気に放出する。
【００４０】
また、ＥＣＵ５０は、水量センサ４６の出力に基づいて電磁バルブ４４を制御する。
【００４１】
図４は、電磁バルブ４４の制御処理を表すフローチャートである。図示のプログラムは、ＥＣＵ５０において所定の周期で実行される。
【００４２】
以下、図４フローチャートについて説明すると、先ずＳ１０において、貯水タンク３４の水量が所定値未満であることが検知されているか否か、即ち、水量センサ４６がオン信号を出力しているか否か判断する。尚、上記した所定値は、ポンプ１８を継続して安定に動作させるのに必要な封水の水量に設定される。
【００４３】
Ｓ１０で肯定されるときはＳ１２に進み、電磁バルブ４４を開弁して水源から貯水タンク３４に水を補給する。他方、Ｓ１０で否定されるときは、水を補給する必要がないことから、Ｓ１４に進んで電磁バルブ４４を閉弁する。
【００４４】
尚、燃料電池１２の運転が開始した後は、上述の如く生成水が貯水タンク３４に供給されるため、水源からの補給はほぼ必要ない。
【００４５】
このように、この発明の第１実施例に係る燃料電池のカソードガス供給装置にあっては、燃料電池１２にカソードガスを水封式ポンプ１８で供給するように構成したので、カソードガスをポンプ１８で加湿することができる。そのため、従来必要であった加湿器が不要となり、装置の複雑化と大型化を防止することができる。また、加湿器が不要になることに伴い、カソードガスが加湿器を通過する際に生じる圧力損失を考慮する必要がなくなるため、ポンプ１８の高出力化を抑制でき、よってポンプ１８（具体的には電動モータ１８ｆ）の消費電力を低減することができる。
【００４６】
さらに、カソードオフガスに含まれる生成水を、ポンプ１８に供給されるべき水が貯留される貯水タンク３４に供給するように構成したので、貯水タンク３４に補給すべき水の量を低減することができる。
【００４７】
また、生成水を気水分離器５４でカソードオフガスから分離して貯水タンク３４に供給するように構成したので、生成水を貯水タンク３４に効率良く供給することができる。
【００４８】
さらに、貯水タンク３４の水量が所定値未満であることを検知する水量センサ４６を設け、水量センサ４６によって水量が所定値未満であることが検知されたとき、電磁バルブ４４を開弁して貯水タンク３４に水源から水を補給するように構成したので、始動時などに水量不足が生じていても、燃料電池１２の運転を速やかに開始することができる。
【００４９】
以上のように、この発明の第１実施例にあっては、燃料電池（１２）のカソードガスを供給する燃料電池のカソードガス供給装置において、前記カソードガスを前記燃料電池（１２）に供給する水封式ポンプ（１８）と、前記水封式ポンプ（１８）に供給されるべき水が貯留される貯水タンク（３４）と、前記燃料電池（１２）から排出されたカソードオフガスに含まれる生成水を前記貯水タンク（３４）に供給する生成水供給手段とを備えるように構成した。
【００５０】
また、前記生成水供給手段が、前記カソードオフガスから前記生成水を分離して前記貯水タンク（３４）に供給する気水分離器（５４）からなるように構成した。
【００５１】
さらに、前記貯水タンク（３４）の水量が所定値未満であることを検知する水量センサ（４６）と、前記水量センサ（４６）によって前記水量が所定値未満であることが検知されたとき、前記貯水タンク（３４）に前記水を補給する水補給手段（電磁バルブ４４、ＥＣＵ５０、図４フローチャートのＳ１０，Ｓ１２）とを備えるように構成した。
【００５２】
尚、上記において、この発明に係るカソードガス供給装置をコージェネレーションシステム１０の一部として説明したが、電力あるいは熱エネルギのいずれか一方のみを供給するシステムに搭載しても良い。但し、貯水タンク３４に水源から水を補給することが必要となるため、定置型のシステムに搭載することが望ましい。
【００５３】
また、貯水タンク３４の水量不足が検知されたとき、電磁バルブ４４を開弁して自動的に水を補給するようにしたが、水量不足を音声や表示などで報知し、手動による水の補給を操作者に促すようにしても良い。さらに、水量不足が検知されたときはポンプ１８や改質器１４の動作を停止させるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】この発明の第１実施例に係る燃料電池のカソードガス供給装置をコージェネレーションシステムの一部として示す斜視図である。
【図２】図１に示す水封式ポンプなどを拡大して表す斜視図である。
【図３】図２に示す水封式ポンプと貯水タンクを模式的に表す説明図である。
【図４】図２に示す電磁バルブの制御処理を表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５５】
１２  燃料電池
１８  水封式ポンプ
３４  貯水タンク
４４  電磁バルブ（水補給手段）
４６  水量センサ
５０  ＥＣＵ（水補給手段）
５４  気水分離器（生成水供給手段）
【図１】
2006156265.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006156265.tif 000006