(57)【要約】【課題】別置した加湿装置を用いることなく、固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持する。【解決手段】固体高分子電解質膜を備えた燃料電池１と、この燃料電池に酸化剤ガスを供給する手段５と、酸化剤ガス中の異物を除去する手段６と、を備え、酸化剤ガス中の水分により前記電解質膜を加湿する燃料電池の加湿システムにおいて、前記異物除去手段に設けられ、吸水性を有するフィルタ６ａと、このフィルタに水分を供給する手段１７とを備え、酸化剤ガスが水分を含有した前記フィルタを通過して加湿される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を備えた燃料電池と、
この燃料電池に酸化剤ガスを供給する手段と、
酸化剤ガス中の異物を除去する手段と、
を備え、酸化剤ガス中の水分により前記電解質膜を加湿する燃料電池の加湿システムにおいて、
前記異物除去手段に設けられ、吸水性を有するフィルタと、
このフィルタに水分を供給する手段とを備え、
酸化剤ガスが水分を含有した前記フィルタを通過して加湿されることを特徴とする燃料電池の加湿システム。
【請求項２】
前記燃料電池を冷却する手段を備え、
前記水分供給手段は、前記冷却手段を流通する冷却水を前記フィルタに供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項３】
前記水分供給手段は、水を貯留し、前記フィルタに水分を供給するタンクであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項４】
前記水分供給手段は、前記燃料電池から排出される排気中の水分を回収し、前記フィルタに水分を供給する水回収手段であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項５】
前記異物除去手段は、前記フィルタが供給された水分中に浸る貯水槽を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項６】
前記異物除去手段は、前記フィルタ上部から供給された水分をフィルタに供給する開口部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項７】
前記異物除去手段は、前記フィルタの上流側から供給された水分を噴霧する手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項８】
前記貯留タンクは、前記異物除去手段より高い位置に設置されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項９】
前記水分供給手段は、水を貯留し、前記フィルタに水分を供給する密封式のタンクであって、
前記異物除去手段と燃料電池との間に酸化剤ガスを圧縮供給する手段と、
この圧縮手段により圧縮された酸化剤ガスの一部を前記貯留タンクに導入する手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項１０】
前記水回収手段は、前記異物除去手段より高い位置に設置されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項１１】
前記水分供給手段は、前記燃料電池から排出される排気中の水分を回収し、前記フィルタに水分を供給する密封式の水回収手段であって、
前記燃料電池から排出された排気を前記水回収手段に導入する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の加湿システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高効率の電力供給源として研究、開発が進められている燃料電池発電システムのうち、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を燃料電池に用いた固体高分子型燃料電池システムがある（例えば、特許文献１参照。）。この燃料電池システムは、簡略な構造で高い出力密度を得ることが可能なことから、特に自動車などの移動体用電源として注目されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２５２０１１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術においては、高効率、高出力の運転状態を連続するためには、高分子電解質膜を適度に湿潤した状態に保持し、高いプロトン伝導性を維持することが重要となる。このため、燃料電池本体と別置した加湿装置を設けて燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿して、酸化剤ガス中の水分により、電解質膜を加湿する手段が用いられる。
【０００５】
この加湿装置を設置することにより、燃料電池システムが大型化し、また圧力損失が生じてシステム効率低下を招く恐れがあるため、限定されてスペースに燃料電池システムを搭載し、高効率で長距離を走行する必要がある移動体、特に自動車への適用が困難であった。
【０００６】
したがって、本発明においては、上記課題を鑑みて、高分子膜加湿用の加湿装置を設けることなく、燃料電池の高効率、高出力運転を維持できる燃料電池の加湿システム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】
本発明は、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池と、この燃料電池に酸化剤ガスを供給する手段と、酸化剤ガス中の異物を除去する手段と、を備え、酸化剤ガス中の水分により前記電解質膜を加湿する燃料電池の加湿システムにおいて、前記異物除去手段に設けられ、吸水性を有するフィルタと、このフィルタに水分を供給する手段とを備え、酸化剤ガスが水分を含有した前記フィルタを通過して加湿されることを特徴とする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化剤ガスの粉塵を除去する、吸水性のある多孔質材料からなるフィルタを備えたフィルタ装置に水分を供給することで、酸化剤ガスを加湿することができるため、燃料電池の高分子電解質膜を加湿するための加湿装置を設置する必要がなく、燃料電池システムを小型化することができるとともに、システム効率を向上することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の加湿システムを適用した燃料電池システムの概要図である。
【００１０】
固体高分子型燃料電池１は、高分子電解質膜１ａと、電解質膜１ａを挟持して設置される燃料極１ｂ、酸化剤極１ｃとから構成される。燃料極１ｂには、例えばタンク２からの炭化水素系燃料を水蒸気改質反応により水素リッチな改質ガスに改質する改質器などの燃料ガス供給装置３から燃料ガスが供給され、酸化剤極１ｃには、空気導入装置４からコンプレッサ５の作用によりフィルタ装置６を通過した空気が導入される。
【００１１】
燃料電池１で発電に供された後、排出された燃料ガスは、未燃分の燃料を再利用するためにエゼクタポンプ７の作用により再び燃料極に１ｂに供給されてシステム効率を向上させる。また酸化剤極１ｃから排出される空気は、そのまま大気中に放出される。
【００１２】
燃料電池１には、燃料電池の温度を一定温度に制御するための冷却水が導入されており、その熱交換部８が燃料電池１に接して設けられる。冷却水は、冷却水タンク９から循環ポンプ１０の作用により熱交換部８に送られ、燃料電池の熱を吸熱し、燃料電池の熱を制御する。冷却水タンク８の下流には冷却水の温度を調節するためのラジエータ１１が設置され、燃料電池１が所定温度となるように冷却水温度を制御する。ラジエータ１１から排出された冷却水は冷却水流路１２を通じて熱交換部８に供給される。
【００１３】
冷却水タンク８とラジエータ１１を結ぶ冷却水流路１３の途中から分岐して冷却水流路１２に連通するバイパス流路１４が設けられ、ラジエータ１１による冷却水の冷却容量に応じて冷却水がバイパス流路１４を通じて熱交換部８に供給される。なお、冷却水流路１３とバイパス流路１４の分岐には、三方切換弁１５が設置され、バイパス流路１４を通過する冷却水の流量を調節する。また、熱交換部８の直上流の冷却水流路１２には、熱交換部８に導入する冷却水の圧力を調整するレギュレータ１６が設置される。
【００１４】
バイパス流路１４との分岐下流の冷却水流路１２から分岐する加湿水流路１７には、冷却水流路１２の冷却水の一部が流入し、この冷却水はフィルタ装置６のエレメントに供給されて高分子膜を加湿する水として作用する。フィルタ装置６の詳細については図２を用いて後述する。加湿水流路１７の途中にはフィルタ装置６に供給される冷却水の圧力を調整するレギュレータ１８が設置される。フィルタ装置６に導入される空気の圧力を検出するセンサ１９の出力は、図示しないコントローラに出力されて、検出された空気圧力よりフィルタに供給される冷却水圧力が高くなるように（例えば、３０ｋＰａ）コントローラがレギュレータ１８を制御する。
【００１５】
図２は、フィルタ装置６の詳細構成の一例を説明するための構成図である。
【００１６】
フィルタ装置６は、空気中の微細な粉塵を除去し、吸水性のある多孔質材料で形成されたフィルタ６ａと、このフィルタ６ａを挟持するケース６ｂ、６ｃから構成される。ケース６ｂには空気が導入される入口部６ｄが、またケース６ｃには粉塵を除去された空気が排出される出口部６ｅが形成され、更にケース６ｂ、６ｃの合わせ部６ｆにフィルタ６ａに冷却水を供給するように加湿流路１７が設置される。
【００１７】
このように構成されて、次に作用を説明する。
【００１８】
冷却水流路１２を流れる冷却水の一部は、加湿流路１７を流通してフィルタ６ａに供給される。このときの冷却水の圧力は前述のようにコントローラによりフィルタ装置６に導入される空気の圧力より高く制御されている。したがって、冷却水は、吸水性のフィルタ６ａ全体に重力とフィルタ６ａの毛細管効果により浸透し、フィルタ６ａを通過する空気を加湿することができる。
【００１９】
したがって、本発明においては、燃料電池１を冷却するための冷却水の一部を酸化剤ガスの粉塵を除去する、吸水性のある多孔質材料からなるフィルタを備えたフィルタ装置に供給することで、酸化剤ガスを加湿することができるため、燃料電池１の高分子電解質膜１ａを加湿するための加湿装置を設置する必要がなく、燃料電池システムを小型化することができるとともに、システム効率を向上することができる。
【００２０】
図３は、フィルタ装置６の別の構成を示すものである。このフィルタ装置６は、図２に示したフィルタに対して、フィルタ６ａの下部に冷却水を貯留する貯水部６ｇを設け、加湿水流路１７を貯水部６ｇに接続した構成が異なる。フィルタ６ａの下端は常に貯水部６ｇに位置し、冷却水に浸るように構成される。したがって、吸水性のフィルタ６ａの毛細管効果により貯水部６ｇの冷却水は、エレメント全体に浸透され、フィルタ装置６を通過する空気を加湿することができる。したがって、図２のフィルタと同様の効果を生じることができる。
【００２１】
図４は、フィルタ装置６の更に別の形状を示している。この構成は、図２に示すフィルタの構成に対して、冷却水をフィルタ６ａに供給する方法が異なる。具体的には、加湿水流路１７の冷却水出口１７ａをフィルタ装置６内のフィルタ６ａ上流に設置する。冷却水出口１７ａは、冷却水が噴霧状に噴出されるようにノズル状に構成されており、冷却水出口１７ａから噴霧状の冷却水が噴出され、フィルタフィルタ６ａに均一に付着してフィルタ６ａに吸水され、フィルタ装置６を通過する空気を加湿することができる。
【００２２】
図５に示す第２の実施形態としての加湿システムは、燃料電池の冷却水を酸化剤ガスを加湿するための水として使用した第１の実施形態に対して、加湿用の水を貯水するタンク２０を別置した構成が異なる。タンク２０は、フィルタ装置６の上部に配置されており、具体的には、加湿水流路１７のフィルタ側端部の位置が、タンク２０の加湿水出口位置より低くなるように配置される。このときフィルタ装置６の構成は、図２から４に示したもののうち、どの構成を選択してもよい。したがって、加湿水は重力によりタンク２０からフィルタ６ａに供給されて、フィルタ６ａを湿潤状態とし、空気を加湿することができる。なお、タンク２０とフィルタ装置６を結ぶ流路途中に流量制御弁を設置し、供給される加湿水の流量を制御するようにしてもよい。
【００２３】
したがって、本実施形態においては、フィルタ装置６に水を供給するタンク２０をフィルタ装置６の上部に設置することにより、酸化剤ガスを加湿することができるため、燃料電池１の高分子電解質膜１ａを加湿するための加湿装置を設置する必要がなく、燃料電池システムを小型化することができるとともに、システム効率を向上することができる。
【００２４】
図６は、加湿システムの第３の実施形態を示しており、この実施形態は第２の実施形態の構成に対して、タンク２０を密封構造とし、タンク２０中にコンプレッサ５からの酸化剤ガスを酸化剤流路２１を通じて導入、タンク２０内のガスを加圧することで、タンク２０の配置をフィルタ装置６の上部に限定することがなく、タンク配置の自由度を向上することができる。
【００２５】
図７は、加湿システムの第４の実施形態を示しており、この実施形態は、第２、第３の実施形態の構成であった別置したタンク２０に代えて密封した水回収装置２２を設けた構成を特徴とする。水回収装置２２には、冷却水流路１２から流路２３を通じて低温の冷却水が導入されるとともに、燃料電池１から排出された酸化剤ガスの排気が流路２４を通じて導入される。水回収装置２２内に設置された、例えばパイプを冷却水が流通する間に高温の排気との間で熱交換が促進されて、排気中の水分が凝縮し、水回収装置２２内に貯留する。水回収装置２２内に貯留した水は加湿水流路１７からフィルタ６ａに供給される。水回収装置２２から排出された冷却水は、冷却水流路１２の戻されて燃料電池１の冷却に使用され、排気は外部に排出される。
【００２６】
このように構成することによって、燃料電池１の高分子電解質膜の加湿に供される水分を排気中の水分により補給することができるので、加湿のための水分を補給する必要がないという効果がある。また排気が導入される密封式の水回収装置２２の圧力は、コンプレッサ５の作用によりフィルタ装置６内部圧力より高圧となっており、水回収装置２２の配置自由度を高くすることができる。なお、水回収装置を上部が開放式のタンクとしてもよいが、この場合には、設置場所がフィルタ装置６より高い位置にする必要が生じる。
【００２７】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の加湿装置のシステム図である。
【図２】フィルタ装置の構成図である。
【図３】フィルタ装置の別の構成図である。
【図４】フィルタ装置の更に別の構成図である。
【図５】第２の実施形態の加湿装置のシステム図である。
【図６】第３の実施形態の加湿装置のシステム図である。
【図７】第４の実施形態の加湿装置のシステム図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
５  コンプレッサ
６  フィルタ
６ａ  エレメント
８  冷却水タンク
１０  循環ポンプ
１１  ラジエータ
２０  加湿水タンク
２２  水回収装置
【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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