(57)【要約】【課題】システム内の排熱ラインを上手く活用し吸い込み型の空気供給手段を用いることで従来の空気の配流を改善し、コンパクトなシステムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１００の排気マニホールド５３Ａに空気ダクト１２４の一端を接続し、他端に吸引用の空気ファン１２２を接続する。空気ファン１２２の直前にエバポレータ５１ｂを配する。空気ファン１２２による吸引によって、燃料電池スタック１００の各導入口へ略均一の流量で空気が吸い込まれる。燃料電池スタック１００からの排気は、エバポレータ５１ｂによって冷却され、水分が回収される。【選択図】図４
2008235079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの導出口に接続され、吸引することにより酸化ガスを前記燃料電池スタックに流入させる吸引手段と、
前記燃料電池スタックと前記吸引手段との間に設けられ、燃料電池スタックからの排出ガスを冷却して排出ガス中の水蒸気を凝縮させる冷却手段と、
前記冷却手段により凝縮させた水を前記燃料電池に供給して加湿する加湿手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却手段は、エバポレータと、該エバポレータに冷媒を供給するためのコンプレッサと、コンプレッサから供給された冷媒を前記エバポレータに供給する配管とからなる冷却装置を備えている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却手段は、請求項２に記載の構成に加え、凝縮器を備えている請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、外気を酸化ガスとして利用する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガスが酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。そして、酸化ガスとして酸素ガスを常圧下にて供給し、燃料電池に直接水を吹きかけ冷却する燃料電池システム(直接噴射型常圧燃料電池システム)は、コンパクトであり開放系システムであるため補機動力を軽減することができることが利点である。
【特許文献１】特開２００３−３６８７８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池スタックへ供給する酸化ガスの流れと直接スタックへ吹きかけ冷却する水の分布がスタック内配流構造に大きく影響するため、定常的に発電能力を発揮させるためには、スタック設計段階にてそれらを考慮した開発を行う必要があった。具体的には、吹き出し型の空気供給ファンを用いて空気を燃料電池スタックへ送り込む構成とした場合には、積層された各燃料電池への酸化ガス供給量を均一化するために整流板を配置するなど、空気流を導くための構成を設ける必要があり、燃料電池スタックへの酸化ガス供給構造を小型化するための障害となっていた。
【０００４】
本発明の目的は、システム内の排熱ラインを上手く活用し吸い込み型の空気供給手段を用いることで従来の空気の配流を改善し、コンパクトなシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。 
（１）  燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの導出口に接続され、吸引することにより酸化ガスを前記燃料電池スタックに流入させる吸引手段と、
前記燃料電池スタックと前記吸引手段との間に設けられ、燃料電池スタックからの排出ガスを冷却して排出ガス中の水蒸気を凝縮させる冷却手段と、
前記冷却手段により凝縮させた水を前記燃料電池に供給して加湿する加湿手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【０００６】
（２）  前記冷却手段は、エバポレータと、該エバポレータに冷媒を供給するためのコンプレッサと、コンプレッサから供給された冷媒を前記エバポレータに供給する配管とからなる冷却装置を備えている上記（１）に記載の燃料電池システム。
【０００７】
（３）  前記冷却手段は、上記（２）に記載の構成に加え、凝縮器を備えている上記（１）に記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、吸引手段で吸引された外気は、各吸入口としての各導入口から均一に吸引され、燃料電池スタック内において燃料ガスと反応させられ、導出口から排気として流出する。排気流は、導風手段を通って冷却手段に到達し、冷却手段で熱交換された後、吸引手段の吸引開口部へ吸引され、燃料電池システムの外に排出される。外気を吸引手段によって導入口に吸引することから、各導入口へ均等に外気を導くための導風構造が不要となり、空気供給構造を簡素化することができるとともに、冷媒を用いた冷却手段によって、熱交換効果を得ることができる。また冷却手段で回収された水は加湿手段によって燃料電池の加湿に使われる。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、冷却手段としてエバポレータを用いることにより、より高い効率で冷却作用を発揮させることができる。 
請求項３に記載の発明によれば、冷却手段に加えて凝縮器を有するので、水の回収効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。
【００１１】
この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層するなど、燃料電池を直列接続して構成されている。 
図２は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ2）等が挙げられる。
【００１２】
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図３は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、後述するように、吸引された空気が流入するとともに、ノズル５５から噴射された水が同時に吸引されて流入する。このノズル５５は、水を液滴の状態（霧状）で、燃料電池スタック１００に供給する。導入口４３から流入した空気と液滴状の水は、潜熱冷却により集電部材４を冷却する。また、燃料電池スタック１００の底面には、図３に示されている導入口４３に対向する位置に、多数の導出口（図示外）が開口している。導入口４３と導出口との間には、酸素極１５ｂに酸素を供給する酸化ガス室としての空気流路４０が鉛直方向に設けられており、導入口４３に流入した空気と噴射供給された水は、空気流路４０を通って、この導出口から流出する。
【００１３】
即ち、導入口４３は、燃料電池スタック１００の上面に、縦横に多数開口し、同様に、導出口は、燃料電池スタック１００の底面に、縦横に多数開口する。導出口の集合体によって導出部が構成され、導出部は、排気マニホールド５３Aによって覆われている。燃料電池スタック１００内の酸化ガス室を構成する空気流路と中空部から流出した空気は、排気マニホールド５３Ａで合流し、空気ダクト１２４に流入する。
【００１４】
次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、直列に接続された燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａの一端には水素貯蔵タンク１１が接続され、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、元電磁弁２０、圧力センサＳ１及び水素調圧弁２１、供給電磁弁２２が水素の流通方向に向けて順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａの他端には、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端が接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢのＩＮに接続されている。燃料ガス供給路２０１Ｂの一端には、前記燃料ガス供給路２０１Ａの他端の他、後述するガス排出流路２０２の一端が接続されている。燃料ガス供給路２０１Ｂには、圧力センサＳ２、安全弁Ｖsfがガスの燃料ガスの流通方向に向けて順に配置されており、安全弁Ｖsfの上流側には、外気流路２０５の一端が接続されている。外気流路２０５の他端にはフィルタが接続され、このフィルタによって流入する外気から不純物がろ過される。また、外気流路２０５には、外気電磁弁２３が設けられている。
【００１５】
燃料電池スタック１００のガス排出口ＯＵＴには、排気循環路であるガス排出流路２０２の他端が接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ｂと、ガス排出流路２０２によって、燃料電池スタック１００のガス取入口ＩＮとガス排出口ＯＵＴを接続する循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環電磁弁２６、循環手段である循環ポンプ２５が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、排気マニホールド５３Ａに接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。
【００１６】
次に空気供給系１２について説明する。図４は、空気供給系１２の構成を示す燃料電池システムの全体斜視図である。空気供給系１２は、排気マニホールド５３Ａと、空気排出路である空気ダクト１２４とを備えている。空気ダクト１２４には、エバポレータ５１ｂ、吸引手段である空気ファン１２２の順で空気の流通方向に沿って設けられている。
【００１７】
燃料電池スタック１００はスタックケース１０１内に収容されており、開口９４０の周囲には複数のノズル５５が配設され、ノズル５５の外側には、カバー５３Ｂが覆い被せられている。カバー５３Ｂには、開口９４０に対向する面に、開口９４０と略同一の形状及び面積を有する導入開口部５３１Ｂが形成され、該導入開口部５３１Ｂは、フィルタ５３２Ｂで塞がれている。吸引された空気は、導入開口部５３１Ｂのフィルタ５３２Ｂを通過して、開口９４０から各酸化ガス室へ流入する。
【００１８】
燃料電池スタック１００の複数の導出口で構成される導出部には、排気マニホールド５３Ａが接続され、導出口から排出された空気は、排気マニホールド５３Ａによって合流され、空気ダクト１２４へ送られる。導風手段は、排気マニホールド５３Ａと空気ダクト１２４によって構成される。
【００１９】
空気ダクト１２４は、排気マニホールド５３Ａから流出した空気を、冷却装置５１を介して吸引手段である空気ファン１２２へ導流する。冷却装置５１は、排気を冷却するとともに、排気から水分取り出す。また、ノズル５５から供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。空気ダクト１２４は、排気マニホールド５３Ａに接続され、上方に立ち上がった上流部１２４Ａと、さらに後述するエバポレータ５１ｂへ空気流を導く下流部１２４Bと、エバポレータ５１ｂの大きさに合わせて導風路の横断面積が漸増する接続部１２４Cとから構成されている。
【００２０】
冷却装置５１は、ガス冷媒の圧縮膨張時のエネルギーを利用して冷却するエバポレータ５１ｂと、管５１１を介してエバポレータ５１ｂに冷媒を送るコンプレッサ５１２とを備えている。
【００２１】
エバポレータ５１ｂは、ガスの流通方向に向けて直列に設けられており、導風路５１ｃが、空気ファン１２２との間に設けられている。エバポレータ５１ｂの冷却温度は、コンプレッサ５１２のモータの回転を制御することで、間接的に制御することができる。 
エバポレータ５１ｂは、冷媒式冷却装置であり、図５に示されているように、空気ダクト１２４によって導かれた空気を内側に通す枠体５１ｂａと、その枠体５１ｂａの内側に蛇行して配置された配管５１ｂｂと、配管５１ｂｂの間に形成された、排気ガス(空気)が通過する通路５１ｂｄと、通路５１ｂｄ内に等間隔で配置されたフィン５１ｂｃとを備えている。配管５１ｂｂは空気の流れに直交する向きに配置され、かつ、同じく直交する方向に配列されている。また、フィン５１ｂｃは、空気の流れに沿った姿勢に設けられ、空気の流れに直交する方向に配列されている。配管５１ｂｂ内にはコンプレッサ５１２から供給される冷媒が流通する。
【００２２】
エバポレータ５１ｂの下流側の直近には、空気ファン１２２の吸引開口部１２２Ｆが導風管５１ｃを介して接続されている。空気ファン１２２は、モータＭ１の駆動によって内部のインペラーを回転させ、インペラーの回転中心に位置する吸引開口部１２２Ｆから空気を吸引し、側面の排出部１２２Ｅから吸引した空気を排出する。 
夏季や熱帯地方などのように外気温が高い場合には、水の回収効率が悪化し、水供給系５０内の水量が減る場合がある。このような場合には、コンプレッサ５１２を駆動させてエバポレータ５１ｂの冷却能力を上げれば、十分な水回収をおこなうことができる。
【００２３】
空気供給系１２は、空気ファン１２２の吸引開口部１２２Ｆを空気供給系１２の下流側に接続し、吸引により酸化ガスである空気を燃料電池スタック１００へ取り込む構成したため、各酸化ガス室内に空気を均等へ導風するために、整流板などの整流構造が不要となり、システム構成を小型化することができる。
【００２４】
次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、エバポレータ５１ｂで回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水をノズル５５へ導く給水路５６とを有する。導水路５７には、回収ポンプ６２が設けられている。回収ポンプ６２は、エバポレータ５１ｂで排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。給水路５６には、フィルタ６４が設けられると共に、水供給手段である、ノズル５５に水を供給するポンプ６１が順に設けられている。水タンク５３１には、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。水供給系５０内の水は、燃料電池スタック１００内へ噴射される水であり、上記回路の中を循環し、繰り返し使用される。
【００２５】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、スイッチ手段であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
【００２６】
燃料電池システム１の制御系は、冷却制御手段としての制御装置ＥＣＵを備えている。なお、この制御装置ＥＣＵには、他のセンサＳ０〜Ｓ４、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０から検出値が入力され、各電磁弁２０、２２、２３、２６、２７他のポンプ２５、６２、空気ファン１２２、インバータ７３、ＩＧＢＴ７５、コンプレッサ５１２を制御している。なお、この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。なお、本実施の形態では、冷却手段を冷却装置のみで構成した場合について説明したが、冷却装置に加え凝縮器を備えて構成しても良い。凝縮器は、空気ダクト１２４内に多数のフィンを備えたものを用いることができ、該フィンを空冷方式により冷却し、水を凝縮、結露させて回収する。この凝縮器は、例えば、空気ダクト１２４において、エバポレータ５１ｂの上流側に位置していても、下流側に位置していてもよい。この凝縮器で回収された水も、水タンク５３１に回収される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】単位セルの構成を示す拡大側面断面図である。
【図３】燃料電池スタックの上面の構成を示す部分平面図である。
【図４】空気供給系の構成を示す全体斜視図である。
【図５】空気供給系の構成を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
【００２８】
１      燃料電池システム
１００  燃料電池スタック
１２２    空気ファン
１２４    空気ダクト
５１ｂ    エバポレータ
５３Ａ    排気マニホールド
５５      ノズル
６１      供給ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008235079.tif 000005
【図４】
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【図５】
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