(57)【要約】【課題】車両等に搭載される燃料電池システムにおいて、加湿器の性能低下を抑制する。【解決手段】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池２０と、該燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器３０とを備える燃料電池システムにおいて、上記加湿器３０は、被加湿ガスとしての酸化オフガスを導入する配管が接続される開口３２と、加湿された酸化オフガスを導出する配管が接続される開口３３とが設けられたケース３１を有し、該ケース３１は、開口３２及び３３の少なくとも一方が形成された面３１ａが、該面の対向面３１ｂよりも低くなるように傾斜させて設置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記加湿器は、被加湿ガスを導入する配管が接続される第１の開口と、被加湿ガスを導出する配管が接続される第２の開口とが設けられたケースを有し、
前記ケースは、前記第１及び第２の開口の少なくとも一方が形成された面が、該面の対向面よりも低くなるように、傾斜して設置されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記ケースの天面に、前記ケースの傾斜方向に対して略平行な溝が形成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムにおいて、燃料ガス及び酸化ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器であって、
被加湿ガスを導入する配管が接続される第１の開口と、被加湿ガスを導出する配管が接続される第２の開口とが設けられたケースを備え、
前記ケースの天面に溝が形成されている、加湿器。
【請求項４】
前記ケースの天面は、前記溝に略平行な方向に傾斜している、請求項３記載の加湿器。
【請求項５】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
請求項３又は４記載の加湿器と、
を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムと、そこで用いられる加湿器とに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池がエネルギー源として注目されている。例えば、燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を水素極（以下、「アノード」という場合がある。）と酸素極（以下、「カソード」という場合がある。）とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層したスタック（「燃料電池スタック」ともいう）を備えている。
【０００３】
燃料電池においては、燃料として、例えば水素ガスがアノードに供給され、酸化剤として、例えば空気がカソードに供給される。アノードに供給された水素は、アノードの触媒作用により水素イオンと電子に分離される。この内の水素イオンは固体高分子電解質膜を通過し、余った電子が導線を移動することにより電流が流れる。一方、カソードにおいては、そこに供給された空気中の酸素と、電解質膜を通過してきた水素イオンと、導線を介して供給された電子とが電気化学反応を起こすことにより、水が生成される。
【０００４】
このような燃料電池の発電効率を高めるためには、電解質膜の湿潤状態を適切に保つ必要がある。ここで、電解質膜のカソード側においては、電気化学反応により水が生成され、アノード側においては、カソード側において生成された水が移動してくるため、電解質膜の湿潤状態は変化し易い。また、燃料電池に供給又は排出されるガスの湿度や流量といった外部的要因によっても、電解質膜の湿潤状態は変化する。そのため、一般的な燃料電池システムには、電解質膜の湿潤状態を維持するために、酸化ガスとしてカソードに供給される空気を適切な状態まで加湿する加湿器が備えられている。
【０００５】
加湿器としては様々な方式のものを適用できるが、システム全体の効率性の観点から、カソード側から排出された高湿の排気空気（酸化オフガス）と、燃料電池に供給される低湿の空気との間で水分を交換する内部加湿方式が多く採用されている。この方式においては、水（水蒸気）透過性を有する中空糸膜の外側及び内側に、湿度の異なる２種類の気体をそれぞれ流通させる。それにより、高湿側の気体から中空糸膜に水分が吸収され、その水分が毛細管現象により膜を通って低湿側の気体に供給される。
【０００６】
関連する技術として、特許文献１には、加湿器の耐久性を向上させるために、加湿器に備えられるオフガス配管とリアキャップとを一体的に接合することが開示されており、ここでも内部加湿方式が採用されている。
【０００７】
ところで、燃料電池においては、セル内部に残留した水分が低温（例えば、０℃以下）の環境下において凍結するという問題が生じている。また、水分が残留することにより、金属部分の腐食を招く場合もある。そのため、燃料電池の内部から水分を除去するための様々な工夫が為されている。
【０００８】
例えば、特許文献２には、フラッディングの発生を抑制するために、空気極（酸素極）からガスを排出する配管である空気極オフガス排出マニホールドを傾斜するように配置することにより、そこから凝縮水を排出することが開示されている。ここで、フラッディングとは、燃料電池の内部に凝縮水が溜まって反応ガスの流れを妨げる現象のことをいう。
また、特許文献３には、燃料電池スタックから水を効率良く排出するために、燃料電池スタックを構成する燃料電池の単位ユニットの下縁部を傾斜させることが開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２６５１９６号公報
【特許文献２】特開２００６−４９２２４号公報
【特許文献３】特開２０００−３０７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一方、燃料電池に接続される加湿器においても、高湿のガスが導入されるため、そこに含まれる水蒸気が凝縮することによって生じた凝縮水が滞留し易い。そのため、低温（例えば、０℃以下）の環境下において、中空糸膜等のフィルタ部材が多くの水分を含んだまま凍結し、フィルタ機能の低下を招くという問題が生じている。また、加湿器のケースの外側に付着した水分によって、金属部分の腐食してしまうこともある。しかしながら、上記特許文献１〜３には、加湿器に関する水分対策について、一切記載されていない。また、特許文献２においては、燃料電池ユニット全体を水平面に対して傾斜するように据え付けているが、加湿器における加湿用の水の液流れに悪影響を及ぼすおそれがあることから、傾斜角度を５度以上にすることができない（特許文献２の段落００３５）。
【００１０】
そこで、本発明は、車両等に搭載される燃料電池システムにおいて用いられる加湿器について、水分による性能低下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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の１つの観点に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器とを備える燃料電池システムにおいて、前記加湿器は、被加湿ガスを導入する配管が接続される第１の開口と、被加湿ガスを導出する配管が接続される第２の開口とが設けられたケースを有し、前記ケースは、前記第１及び第２の開口の少なくとも一方が形成された面が、該面の対向面よりも低くなるように、傾斜して設置されている。
かかる構成とすることにより、ケース内の不要な水分を開口から速やかに流出させることができるので、ケース内に滞留する水分量を低減することが可能になる。
【００１２】
ここで、前記ケースの天面に、ケースの傾斜方向に対して略平行な溝が形成されていても良い。それにより、ケースの天面に付着した水分が溝に集まり易くなるので、溝に集まった水分が天面の傾斜に沿って滑り落ちることにより、天面に水分が滞留するのを抑制できる。
【００１３】
また、本発明の１つの観点に係る加湿器は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムにおいて、燃料ガス及び酸化ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器であって、被加湿ガスを導入する配管が接続される第１の開口と、被加湿ガスを導出する配管が接続される第２の開口とが設けられたケースを備え、前記ケースの天面に溝が形成されている。
かかる構成とすることにより、ケースの天面に付着した水分が溝に集まり易くなるので、車両走行等により加速度が働いた際に、溝に集まった水分が溝に沿って移動して振り落とされることにより、天面に水分が滞留するのを抑制できる。
【００１４】
ここで、前記ケースの天面は、溝に略平行な方向に傾斜していても良い。それにより、車両等が走行していない場合においても、天面の溝に集まった水分が天面の傾斜に沿って滑り落ちるようになる。
【００１５】
さらに、本発明の１つの観点に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記加湿器とを備える。
かかる構成とすることにより、不要な水分による加湿器の性能低下を抑制できるので、適切な湿度を有する酸化ガス又は燃料ガスを燃料電池に供給することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、加湿器のケース内に余分な水分が滞留するのを抑制できるので、低温の環境下においても、加湿器の凍結による性能低下を抑えることができる。従って、適切な湿度まで加湿された酸化ガス又は燃料ガスを燃料電池に供給し続けることにより、発電効率を維持することが可能になる。また、本発明によれば、加湿器のケースの天面に水分が滞留するのを抑制できるので、ケースの腐食を抑えることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る加湿器を含む燃料電池システムが設置された車両を示す側面図であり、図２は、同車両の平面図である。
図１及び図２に示すように、車両Ｓは、底面を構成するシャーシ１と、このシャーシ１の上方に設けられたボディ２と、車輪３と、ドアミラー４と、燃料電池システム５とを有している。なお、図１及び図２において、ボディ２、車輪３、及び、ドアミラー４は、二点鎖線によって示されている。
【００１８】
燃料電池システム５は、燃料電池２０及び加湿器３０を含んでおり、車両Ｓの前方側Ｓｆに設置されている。この燃料電池システム５は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、本実施形態においては自動車用となっている。
【００１９】
燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する発電部であり、電解質の一方の面にアノード電極が配置され、他方の面にカソード電極が配置されたセルを、セパレータを介して所要数積層させた燃料電池スタックとして構成されている。このセルのアノード電極側に、燃料ガスとして例えば水素ガスが供給され、カソード電極側に、酸化ガスとして例えば空気が供給される。
【００２０】
加湿器３０は、燃料電池２０の電解質の湿潤状態を維持するために、燃料ガス及び酸化ガスの少なくとも一方を加湿して燃料電池２０に供給する。両者は、酸化ガス（空気）を加湿器３０から燃料電池２０に導入する酸化ガス導入管２１と、使用済みの酸化ガス（「酸化オフガス」又は「空気オフガス」とも呼ばれる）を燃料電池２０から加湿器３０に導出する酸化オフガス導出管２２とによって接続されている。なお、加湿器３０の構造及び機能、並びに、設置形態については、後で詳しく説明する。
【００２１】
車両Ｓの後方側Ｓｒには、燃料ガス（水素ガス）が常温よりも高圧（例えば、７０ＭＰａ）で充填された高圧ガスタンク６が設置されている。燃料ガスは、高圧ガスタンク６から燃料ガス供給管７を介して燃料電池２０に供給される。一方、車両Ｓの前方側Ｓｆには、外部から取り込んだ空気を圧縮し、酸化ガス供給管９を介して加湿器３０に供給するエアコンプレッサ８が設置されている。
【００２２】
さらに、車両Ｓには、加湿器３０に接続された排出管１０と、希釈器１１と、マフラ１２とが設置されている。希釈器１１は、燃料電池２０から燃料オフガス排出管１３を介して排出された使用済みの燃料ガス（「燃料オフガス」又は「水素オフガス」とも呼ばれる）の水素濃度を希釈する装置である。加湿器３０から排出されたガスは、希釈器１１において燃料オフガスと混合され、排気音を抑制するマフラ１２を介して、外部に排出される。
【００２３】
図３は、図１に示す加湿器３０の外観を示す斜視図であり、図４は、加湿器３０の内部を示す断面図である。本実施形態に係る加湿器は、燃料電池２０における電気化学反応によって生成された水分を含む使用済みの酸化ガス、即ち、酸化オフガスを使用して、燃料電池２０に供給される空気を加湿する内部加湿方式を採用している。
【００２４】
加湿器３０は、ケース３１及びその内部に収納された中空糸膜束１０１を含んでいる。また、ケース３１の内部には、中空糸膜束１０１を支持すると共に、酸化ガスの流路と酸化オフガスの流路とを形成する仕切り部材１０３が配置されている。
【００２５】
中空糸膜束１０１は、望ましくは水蒸気のみを透過させる複数の中空糸膜を束ねたフィルタ部材である。各中空糸膜は、その外側を流通するガスと、内側を流通するガスとの間で水分を交換することにより、一方のガスを除湿すると共に、他方のガスを加湿する。本実施形態においては、中空糸膜の内側に水蒸気を十分に含むガス（加湿ガス）を流通させ、中空糸膜の外側に乾燥したガス（被加湿ガス）を流通させている。なお、配管の接続先を変更することにより、中空糸膜の外側に加湿ガスを流通させ、内側に被加湿ガスを流通させても良い。
【００２６】
ケース３１の１つの面３１ａには、４つの開口３２〜３５が形成されている。
開口３２には、酸化ガス供給管９（図１参照）が接続されている。エアコンプレッサ８によって圧縮された酸化ガスは、酸化ガス供給管９を通り、被加湿ガスとして開口３２からケース３１内に導入される。
【００２７】
開口３３には、酸化ガス導入管２１（図２参照）が接続されている。ケース３１内において中空糸膜束１０１の外側を通過することにより適切な湿度まで加湿された酸化ガスは、開口３３から導出され、酸化ガス導入管２１を通って燃料電池２０に導入される。
【００２８】
開口３４には、酸化オフガス導出管２２（図２参照）が接続されている。燃料電池２０から導出された酸化オフガスは、酸化オフガス導出管２２を通り、加湿ガスとして開口３４からケース３１内に導入される。
【００２９】
開口３５には、排出管１０（図２参照）が接続されている。加湿のために使用された酸化オフガスは、開口３５から導出され、排出管１０を通り希釈器１１及びマフラ１２を経て燃料電池システムの外部に排出される。
【００３０】
開口３４から導入された酸化オフガスは、中空糸膜束１０１内を図の左から右に向けて通過する間に、中空糸膜束１０１に水分を奪取される。一方、開口３２から導入された酸化ガスは、中空糸膜束１０１の周囲（図４においては、中空糸膜束１０１の紙面の手前側〜奥側）を通過する間に、中空糸膜束１０１から水分を供給されて加湿される。
【００３１】
図３に示すように、このような加湿器３０のケース３１は、開口３２〜３５が形成された面（即ち、配管の接続面）３１ａが、それに対向する面３１ｂに対して低くなるように、例えば、支持部材４０により傾斜した状態で車両Ｓ（図１参照）に設置されている。それにより、ケース３１内の余分な水分が外部に流出し易くなる。
【００３２】
このように、ケース３１内に滞留する水分量を低減することにより、低温の環境下においても、中空糸膜束１０１の凍結による性能の低下を抑制することが可能になる。また、ケース３１を傾斜させることにより、ケース３１の天面に付着した水分も落下し易くなるので、ケース３１が金属によって形成されている場合においても、ケース３１の腐食を抑制することが可能になる。
【００３３】
ここで、開口３２〜３５は、ケース３１の内底面と開口３２〜３５の下端との段差がほぼなくなるように、開口３２〜３５を面３１ａの下縁近くに配置することが望ましい。それにより、ケース３１内の余分な水分は、傾斜したケース３１の角（図３においては、面３１ａと面３１ｃとに挟まれる領域）に溜まることなく、より速やかに排出されるようになる。
【００３４】
以上説明した本発明の第１の実施形態においては、４つの開口３２〜３５をケース３１の１つの面３１ａ内に配置した。しかしながら、開口３２〜３５の配置はそれに限定されず、加湿器３０を傾斜させた際に低くなる側の面に、少なくとも１つの開口が配置されていれば良い。従って、例えば、図２に示す燃料電池２０と加湿器３０との位置関係を考慮しつつ、図３に示すように、面３１ｂに対して面３１ａを低くする場合には、面３１ａに酸化ガス導入管１が接続される開口３３を配置し、その対向面３１ｂに酸化ガス供給管９が接続される開口３２を配置しても良い。
【００３５】
ここで、酸化オフガスを導入する開口３４及び酸化オフガスを導出する開口３５については、酸化オフガスを中空糸膜束１０１の内側に流通させることができれば、面３１ａ、３１ｂ、３１ｅ、３１ｆのいずれに配置しても良い。また、酸化ガスを導入する開口３２及び酸化ガスを導出する開口３３については、酸化ガスを中空糸膜束１０１の外側に流通させることができれば、面３１ａ〜３１ｄのいずれに配置しても良い。
【００３６】
さらに、本実施形態においては、支持部材４０を車両Ｓのシャーシ２に対して固定しているが、ケース３１を傾斜した状態で設置できれば、支持部材４０の固定先は別の装置や部材であっても良い。
【００３７】
なお、図１においては、燃料電池システム５を車両Ｓの前方側Ｓｆに設置しているが、設置位置はそれに限定されず、車両Ｓの後方側Ｓｒや中央部（底部）に設置しても良い。また、燃料電池２０及び加湿器３０の位置関係についても、必ずしも加湿器３０を燃料電池２０の直近に配置する必要はなく、例えば、燃料電池２０を車両Ｓの前方側Ｓｆに配置し、加湿器３０を車両Ｓの中央部（底部）に配置しても良いし、その逆にしても良い。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施形態に係る加湿器について、図５を参照しながら説明する。
図５に示すように、本実施形態に係る加湿器は、天面５１に溝５２が形成されているケース５０を有している。溝５２は、少なくとも、配管の接続面５０ａ側に開口するように形成されている。このようなケース５０は、溝５２に略平行、且つ、配管の接続面５１ａ側が下がる向きに傾斜するように、支持部材５３によって支持されている。なお、ケース５０の内部構造及び配管の接続については、第１の実施形態において説明したものと同様である。
【００３９】
このような溝５２を形成することにより、ケース５０の天面５１に付着した水滴は溝５２に集まるようになる。ここで、静電気力や摩擦力のように、水分（水滴）と天面との間に働く引力は、水分が広い範囲に分散している状態よりも一箇所に収集した方が相対的に小さくなるので、水滴が移動し易くなる。そのため、天面５１に付着した水滴を溝５２に集めれば、水滴は天面５１の傾斜に沿って容易に滑り落ちる。また、車両Ｓ（図１）を走行させたときに生じる加速度によっても、水滴は容易に滑り落ちるようになる。それにより、水分によるケースの腐食を抑制することが可能になる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、天面５１に溝５２が形成された加湿器を、一般的な加湿器と同様に水平に設置しても良い。その場合においても、天面５１に付着した水滴を一旦溝５２に集めることにより、水滴が移動し易くなるので、車両を走行させた際に生じる加速度によって水滴を容易に落とすことが可能になる。なお、この場合には、溝５２が車両の前後方向に略平行となるように加湿器を設置することが望ましい。
【００４１】
次に、本発明の第３の実施形態に係る加湿器について、図６を参照しながら説明する。
図６に示すように、本実施形態に係る加湿器は、傾斜した天面６１を有するケース６０を含んでいる。この天面６１には、天面６１の傾斜方向に略平行な溝６２が形成されている。溝６２は、少なくとも、天面６１の傾斜の下側において隣接する面６０ａに開口している。なお、ケース６０の内部構造及び配管の接続については、第１の実施形態において説明したものと同様である。
【００４２】
ここで、本発明の第１及び第２の実施形態のように、加湿器のケースを傾斜させた状態で設置できない場合には、ケースの天面のみを傾斜させても良い。その際に、天面６１に溝６２を設けることにより、天面６１に付着した水分が一旦溝に集まって、天面６１の傾斜に沿って容易に滑り落ちるようになる。
【００４３】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る加湿器の変形例を示している。この変形例においては、ケース７０の天面を複数の方向に傾斜させると共に、各斜面に、傾斜方向に略平行な溝７２を形成している。溝７２は、いずれの斜面においても、斜面の下側において隣接する面７０ａ及び７０ｂに開口している。それにより、車両Ｓ（図１）がいずれの方向に走行している場合においても、溝７２に集まった水分を容易に落とすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加湿器が設置された車両を示す側面図である。
【図２】図１の車両を示す平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る加湿器を示す斜視図である。
【図４】図３に示す加湿器の内部構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る加湿器を示す斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る加湿器を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る加湿器の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
５…燃料電池システム、２０…燃料電池、２１…酸化ガス導入管、２２…酸化オフガス導出管、３０…加湿器、３１、５０、６０、７０…ケース、３１ａ、３１ｂ…面、５１、６１…天面、５２、６２…溝、３２〜３５…開口
【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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