(57)【要約】【課題】付加的なエネルギを必要とすることなく、微細な液滴の生成を可能とする。【解決手段】燃料電池１のカソード５には、空気供給装置１９により空気を供給し、同アノード３には水素貯蔵ボンベ９から水素を供給する。水素供給通路７に設けたセパレータ１３には、水素アシスト水噴射弁２３を設ける。水素アシスト水噴射弁２３には、水供給装置２５から水を供給し、この水を、水素供給通路７から分岐した水素アシスト通路２９を経て導入する水素により微粒化してセパレータ１３内に供給する。【選択図】　　　図１
2004127816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の水素極と酸素極との間に設けた電解質膜を加湿する燃料電池用加湿装置において、前記水素極へ供給する水素の圧力により水を微粒化する水微粒化手段を設け、この水微粒化手段で微粒化した水により、前記燃料電池に供給する水素を加湿することを特徴とする燃料電池用加湿装置。
【請求項２】
前記水素極へ水素を供給する水素供給通路から分岐して、前記水微粒化手段に水素を供給する水素アシスト通路を設け、前記水微粒化手段は、前記水素アシスト通路から供給する水素により水を微粒化する水素アシスト水噴射弁であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項３】
前記水素アシスト通路を開閉する開閉手段を設け、この開閉手段の開閉動作により、前記水素アシスト水噴射弁からの水の噴射を、必要時に行うことを特徴とする請求項２記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項４】
前記水素極へ水素を供給する水素供給通路中に設けた絞り部と、この絞り部近傍に水を供給する水供給手段とで、前記水微粒化手段を構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項５】
前記水微粒化手段が吐出した水の大粒子を捕捉するセパレータを設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項６】
前記セパレータは、前記水微粒化手段が吐出した水の流れ方向を変化させる仕切板を備えていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項７】
前記セパレータは、水を捕捉する多孔質材を備えていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項８】
前記セパレータ内の水または前記セパレータに流入する水素の少なくともいずれか一方を加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項９】
前記加熱手段は、前記燃料電池を冷却する冷却水を熱源とすることを特徴とする請求項８記載の燃料電池用加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の電解質膜を加湿する燃料電池用加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の加湿装置として、噴射弁を用いて水を供給する方式がある。この方式の利点の一つは、蒸発器などの大型でかつ電気エネルギが必要な装置を使用しないで済むため、小型で高効率となることである。
【０００３】
また他の利点として、噴射弁が噴出した水の液滴を燃料電池内に供給することで、液滴の蒸発熱により燃料電池を冷却できるため、燃料電池の冷却システムを簡素化できることである。
【０００４】
この方式の一例として、特許文献１に記載されている発明は、噴射弁から供給した水を、超音波発生器を用いて霧化させている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２６３０１０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のものは、超音波発生器により微細な液滴を生成できるものの、超音波発生のための付加的なエネルギが必要であるという課題がある。
【０００７】
そこで、この発明は、付加的なエネルギを必要とすることなく、微細な液滴の生成を可能とすることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、燃料電池の水素極と酸素極との間に設けた電解質膜を加湿する燃料電池用加湿装置において、前記水素極へ供給する水素の圧力により水を微粒化する水微粒化手段を設け、この水微粒化手段で微粒化した水により、前記燃料電池に供給する水素を加湿する構成としてある。
【０００９】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池へ供給する水素の圧力により微粒化した水を用いて燃料電池を加湿するようにしたので、高圧水素が膨張するときの高速の運動エネルギを利用でき、付加的なエネルギを用いることなく、微細な液滴を生成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す燃料電池用加湿装置の全体構成図である。
【００１２】
燃料電池１は、水素極であるアノード３および酸素極であるカソード５をそれぞれ備えるとともに、アノード３とカソード５との間に電解質膜６を備えている。電解質膜６は、例えばフッ素系樹脂などの固体高分子材料により形成したプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００１３】
アノード３への水素の供給は、水素供給通路７に設けてある、水素貯蔵ボンベ９，水素流量制御弁１１およびセパレータ１３を通して行う。
【００１４】
アノード３から排出される余剰の水素は、水素循環通路１５に設けてある水素循環ポンプ１７を経て、水素流量制御弁１１とセパレータ１３との間に還流する。
【００１５】
一方、カソード５への空気の供給は、空気供給装置１９により空気供給通路２１を通して行う。この空気供給装置１９は、図示しない空気加圧ポンプ，レギュレータ，空気量調整弁およびフィルタなどから構成してある。
【００１６】
前記したセパレータ１３は、水の大粒子を捕捉するもので、水微粒化手段としての水素アシスト水噴射弁２３を設けてある。この水素アシスト水噴射弁２３には、水供給装置２５により水供給通路２７を通して水の供給を行う。水供給装置２５は、加圧ポンプ，レギュレータおよびフィルタなどから構成してある。
【００１７】
また、上記した水素アシスト水噴射弁２３には、水素貯蔵ボンベ９と水素流量制御弁１１との間の水素供給通路７から分岐した水素アシスト通路２９から、水素を導入する。この導入する水素の圧力により、水素アシスト噴射弁水２３に供給する水を微粒化してセパレータ１３内に噴射させる。
【００１８】
セパレータ１３は、所定の容積を備えた箱状を呈しており、水素供給通路７における通路断面積を大きくして流速を落とすことで、水の大粒子を補足する。
【００１９】
前記した水素流量制御弁１１，空気供給装置１９および水供給装置２５は、制御部３１からの信号（要求負荷，外気温度，冷却水温度）により、それぞれの供給量を決定する。
【００２０】
燃料電池１に設けた冷却水循環通路３３には、冷却水循環ポンプ３５および熱交換部３７を設け、冷却水循環ポンプ３５により冷却水を循環させ、燃料電池１を冷却して高温となった冷却水の熱を、熱交換部３７により放熱する。
【００２１】
図２は、水素アシスト水噴射弁２３周辺の詳細を示す。この図２に示したものは、水素アシスト水噴射弁２３による水の供給を連続して行う。
【００２２】
上記した第１の実施形態によれば、燃料電池１は、空気供給装置１９からカソード５が空気の供給を受けるとともに、水素貯蔵ボンベ９からアノード３が水素の供給を受けて発電する。
【００２３】
このとき、水素流量制御弁１１が要求負荷に応じた水素量を供給するよう流量を制御し、供給した水素はセパレータ１３に達する。また、このセパレータ１３に設けた水素アシスト水噴射弁２３には、水供給装置２５により水を供給し、この供給した水は、水素供給通路７から分岐した水素アシスト通路２９を流れる水素の圧力を受け、微粒化してセパレータ１３内に噴出して水素を加湿する。
【００２４】
この加湿した水素を燃料電池１のアノード３に供給することで、電解質膜６が加湿されて良好な電気伝導性を示す。
【００２５】
以上のように本実施形態によれば、高圧水素を用いて水を微粒化するので、高圧水素が膨張するときの高速の運動エネルギを利用することができ、付加的なエネルギを用いることなく、小型の装置で微細な液滴を充分供給することができる。
【００２６】
また、水を微粒化させるために用いるガスが水素であることから、微粒化のために専用にガス貯蔵手段を用意する必要もなく、微粒化に用いるガスもそのまま発電に利用できるため効率的である。
【００２７】
さらに、水素アシスト水噴射弁２３が噴出した水の大粒子を補足するセパレータ１３を設けたので、小さい粒子のみを燃料電池１へ供給することが可能になり、燃料電池１の水つまりなどを防止できる。
【００２８】
第２の実施形態として図３には、水の供給を間欠して行うものを示す。この間欠型は、水素アシスト通路２９を開閉する開閉手段としての電磁弁３９を設け、セパレータ１３への水の供給を間欠的に行う。
【００２９】
ところで、水の供給量を多く要求する燃料電池システムの場合、それに応じて水の微粒化を達成するためのアシスト水素量も多く要求される。このため、水素アシスト水噴射弁２３は、水噴射の必要な時期のみ電磁弁３９を開放して水素アシストを多量に行える上記図３に示した間欠型とする方が有利である。
【００３０】
図４は、第３の実施形態としてセパレータの別の例を示す。このセパレータ１３０は、内部に複数の仕切板４１を設けている。仕切板４１は、セパレータ１３０内の下部上面から上方に突出するものと、上部下面から下方に突出するものとを、水素の流れ方向（図４中で右方向）に沿って交互に配置したもので、これにより水素および水の流れ方向を変化させ、水の大粒子をより確実に補足することができる。
【００３１】
図５は、第４の実施形態としてセパレータのさらに別の例を示す。この実施形態は、図４に示したセパレータ１３０内の水素流れ中に多孔質材４３を設けている。
【００３２】
水の大粒子は、セパレータ１３０で補足するが、多孔質材４３の表面を乾いた水素が流れるときに、多孔質材４３が吸収した水が蒸発して燃料電池１に供給される。
【００３３】
したがって、セパレータ１３０内で水の大粒子を捕捉して水が溜まるような場合でも、外部に排出する手段を設ける必要がなく、簡素な構成となる。
【００３４】
図６は、この発明の第５の実施形態を示す燃料電池用加湿装置の全体構成図である。この実施形態は、セパレータ１３内に捕捉した水を、燃料電池１に設けた冷却水循環通路４５を流れる冷却水の熱で気化させる構成を示す。
【００３５】
冷却水循環通路４５は、図１のものと同様に冷却水循環ポンプ３５および熱交換部３７を備えるとともに、セパレータ１３内の水を加熱する加熱手段としての熱交換部４７を備える。その他の構成は、前記図１に示した第１の実施形態と同様である。
【００３６】
燃料電池１から受熱して高温となった冷却水でセパレータ１３内の水を加熱し、これにより気化した水を燃料電池１に供給できるので、セパレータ１３に補足される液滴の量を減らすことができる。
【００３７】
このとき、水の蒸発熱で冷却水温度を低下させる効果があるため、燃料電池１の冷却装置を簡素化する効果がある。
【００３８】
なお、図示は省略するが、加熱手段となる熱交換部４７で、セパレータ１３に流入する水素を加熱してもよい。
【００３９】
図７は、この発明の第６実施形態を示す燃料電池用加湿装置の全体構成図であり、図８はその要部を拡大して示す。この実施形態は、図１に示した第１の実施形態における水素アシスト通路２９を廃止するとともに、水素アシスト水噴射弁２３に代わる水噴射弁４９を、水素循環通路１５と水素供給通路７との接続部と、セパレータ１３との間に設け、さらにこの水噴射弁４９とセパレータ１３との間に、絞り部５１を設けている。すなわち、上記した水噴射弁４９は、絞り部５１近傍に水を供給する水供給手段を構成している。
【００４０】
絞り部５１を水素が流れるときに、水素は高速になりその運動エネルギで、水噴射弁４９から噴射した水を微粒化する。したがって、水噴射弁４９と絞り部５１とで水微粒化手段を構成している。
【００４１】
この場合は、図１に示した第１の実施形態における水素アシスト通路が不要になるので、より簡単な構成になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す燃料電池用加湿装置の全体構成図である。
【図２】第１の実施形態における水素アシスト水噴射弁周辺の詳細図である。
【図３】この発明の第２の実施形態を示す、図２に対応する詳細図である。
【図４】この発明の第３の実施形態を示す、図２に対応する詳細図である。
【図５】この発明の第４の実施形態を示す、図２に対応する詳細図である。
【図６】この発明の第５の実施形態を示す燃料電池用加湿装置の全体構成図である。
【図７】この発明の第６の実施形態を示す燃料電池用加湿装置の全体構成図である。
【図８】第６の実施形態における要部の詳細図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
３　アノード（水素極）
５　カソード（酸素極）
６　電解質膜
７　水素供給通路
１３，１３０　セパレータ
２３　水素アシスト水噴射弁（水微粒化手段）
２９　水素アシスト通路
３９　電磁弁（開閉手段）
４１　仕切板
４３　多孔質材
４７　熱交換部（加熱手段）
４９　水噴射弁（水供給手段，水微粒化手段）
５１　絞り部（水微粒化手段）
【図１】
2004127816.tif 000003
【図２】
2004127816.tif 000004
【図３】
2004127816.tif 000005
【図４】
2004127816.tif 000006
【図５】
2004127816.tif 000007
【図６】
2004127816.tif 000008
【図７】
2004127816.tif 000009
【図８】
2004127816.tif 000010