(57)【要約】【課題】燃料電池に空気中の微細な塵埃が供給されないようにし、且つ、圧力損失を小さくする。【解決手段】空気供給装置１は、カソード電極２ｃに酸化剤としての空気が供給されアノード電極２ｂに水素ガスが供給されて発電をする燃料電池２と、燃料電池２のカソード電極２ｃに空気を供給する空気供給路６と、空気供給路６に設けられ空気浄化装置１０を備え、空気浄化装置１０は、電荷を持つ塵埃を除去する静電捕集装置と濾過式フィルタを備える。【選択図】    図１
2004199897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極に酸化剤としての空気が供給されアノード電極に燃料ガスが供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給路と、
前記空気供給路に設けられ、捕集対象である塵埃の持つ電荷に対して逆の極性に帯電させることで該塵埃を捕集する静電捕集手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の空気供給装置。
【請求項２】
前記静電捕集手段は、摩擦体と、該摩擦体に接触したときの摩擦によって帯電する静電捕集体とを備え、前記摩擦体と前記静電捕集体のいずれか一方が前記空気供給路を流通する空気を動力源として運動せしめられることで前記摩擦体および前記静電捕集体を帯電させ、前記塵埃を前記摩擦体または前記静電捕集体のいずれかで捕集することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の空気供給装置。
【請求項３】
前記摩擦体または前記静電捕集体のいずれか一方は前記空気供給路を流通する空気によって回転せしめられるように該空気供給路内に回転可能に取り付けられており、他方は前記空気供給路内に固定されており、前記摩擦体および前記静電捕集体は互いに接触可能に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の空気供給装置。
【請求項４】
前記摩擦体または静電捕集体のいずれか一方は前記空気供給路を流通する空気によってなびく糸状をなし、他方は前記空気供給路内に設けられた突起で構成されており、前記摩擦体および前記静電捕集体は互いに接触可能に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の空気供給装置。
【請求項５】
前記静電捕集手段の下流の前記空気供給路に濾過式のフィルタを備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池の空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の空気供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池としては、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）などが知られている。この燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノード電極に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給し、カソード電極に酸化剤ガスを供給することによって発電する。この発電電力を燃料電池自動車の駆動モータや、燃料電池を稼働させるのに必要な補機類（例えば燃料電池へ空気を供給するエアコンプレッサや冷却水を循環させるウォータポンプなど）に供給する。
この燃料電池では、酸化剤ガスとして空気中の酸素を用いるのが一般的であり、大気から空気を取り込んで燃料電池に圧送している。ところで、大気中には塵埃が含まれているので、燃料電池のカソード電極に供給する前に空気中の塵埃を除去する必要があり、従来は濾過式のフィルタによって塵埃を除去していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−９４２００号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の構造上、燃料電池に供給された空気はカソード電極において流速が遅くなるため、微細な塵埃を含む空気が供給されると、この微細な塵埃がカソード電極に付着して目詰まりを起こし、酸素の供給量が減少するとともに反応面積が減って燃料電池の出力が低下する場合がある。特に、空気中に存在するシリカは微細であり、カソード電極に付着し易いことが実験的に確認されている。
このような事態を回避するには、フィルタの目を細かくして微細な塵埃も除去できるようにすればよいが、フィルタの目を細かくすると圧力損失が大きくなるため、コンプレッサにも大きな出力が要求されるようになり、その結果、燃料電池を稼働させるために必要なエネルギ（寄生電力）が大きくなって、エネルギ効率が低下してしまう。
【０００５】
また、フィルタの圧力損失を低減するためにフィルタの肉厚を薄くする方法もあるが、大量の空気供給が必要とされ、且つ、供給流量に変化がある燃料電池では、フィルタの耐久性が不足する懸念がある。
そこで、この発明は、圧力損失が小さく、微細な塵埃も除去可能で、エネルギ効率がよい燃料電池の空気供給装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、カソード電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード電極２ｃ）に酸化剤としての空気が供給されアノード電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極２ｂ）に燃料ガスが供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）と、前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給路（例えば、後述する実施の形態における空気供給路６）と、前記空気供給路に設けられ、捕集対象である塵埃の持つ電荷に対して逆の極性に帯電させることで該塵埃を捕集する静電捕集手段（例えば、後述する実施の形態における静電捕集装置２０）と、を備えたことを特徴とする燃料電池の空気供給装置（例えば、後述する実施の形態における空気供給装置１）である。
このように構成することにより、シリカのように大気中に含まれる電荷を持つ微細な塵埃を静電捕集手段で除去することができる。また、静電捕集手段は圧力損失が小さいので、燃料電池へ空気を供給するために必要なエネルギ（寄生電力）が小さくて済む。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記静電捕集手段は、摩擦体（例えば、後述する実施の形態における摩擦体２４，３１）と、該摩擦体に接触したときの摩擦によって帯電する静電捕集体（例えば、後述する実施の形態における静電捕集体２５，３２）とを備え、前記摩擦体と前記静電捕集体のいずれか一方が前記空気供給路を流通する空気を動力源として運動せしめられることで前記摩擦体および前記静電捕集体を帯電させ、前記塵埃を前記摩擦体または前記静電捕集体のいずれかで捕集することを特徴とする。
このように構成することにより、空気供給路を流れる空気が動力源となって摩擦体あるいは静電捕集体が運動し、この運動によって摩擦体と静電捕集体が摺動し、その際の摩擦によって摩擦体と静電捕集体が帯電する。したがって、空気流以外の動力なしに摩擦体および静電捕集体を帯電させることができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記摩擦体または前記静電捕集体のいずれか一方（例えば、後述する実施の形態における摩擦体２４）は前記空気供給路を流通する空気によって回転せしめられるように該空気供給路内に回転可能に取り付けられており、他方（例えば、後述する実施の形態における静電捕集体２５）は前記空気供給路内に固定されており、前記摩擦体および前記静電捕集体は互いに接触可能に設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、空気供給路を流れる空気に駆動されて摩擦体または前記静電捕集体のいずれか一方が他方に摺動しながら回転するので、その際の摩擦によって摩擦体および静電捕集体が帯電する。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記摩擦体または静電捕集体のいずれか一方（例えば、後述する実施の形態における静電捕集体３２）は前記空気供給路を流通する空気によってなびく糸状をなし、他方（例えば、後述する実施の形態における摩擦体３１）は前記空気供給路内に設けられた突起で構成されており、前記摩擦体および前記静電捕集体は互いに接触可能に設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、空気供給路を流れる空気によって前記摩擦体または静電捕集体のいずれか一方がなびいて他方を摺動し、その際の摩擦によって摩擦体および静電捕集体が帯電する。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の発明において、前記静電捕集手段の下流の前記空気供給路に濾過式のフィルタ（例えば、後述する実施の形態における濾過フィルタ５０）を備えたことを特徴とする。
このように構成することにより、電荷を持つ微細な塵埃は上流の静電捕集手段で除去されるため、下流の濾過式のフィルタでは大きな塵埃を除去できればよく、該フィルタの目を粗くすることができ、該フィルタの圧力損失を小さくすることができる。また、静電捕集手段に捕集された電荷を持つ塵埃が互いの分子間力によって引き付け合い凝集して大きな塊（凝集塊）になって静電捕集手段から離脱すると、この凝集塊も下流の濾過式のフィルタに捕集される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の空気供給装置の実施の形態を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池の空気供給装置の態様である。
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る空気供給装置の第１の実施の形態を図１および図２の図面を参照して説明する。
図１は空気供給装置１を備えた燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池２は、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂとカソード電極２ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック（図１では単セルのみ示す）からなり、アノード電極２ｂに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極２ｃに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノード電極２ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２ａを通過してカソード電極２ｃまで移動して、カソード電極２ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１２】
図示しない水素タンクから供給される水素ガスは、水素ガス供給路３を通って燃料電池２のアノード電極２ｂに供給され、消費されなかった未反応の水素ガスは燃料電池２からアノード電極２ｂオフガスとして水素ガス循環路４に排出され、さらに水素ガス供給路３に戻されて循環利用される。
大気から取り込んだ空気はコンプレッサ５によって加圧され、空気供給路６を介して燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される。空気供給路６には空気中の塵埃を除去する空気浄化装置１０が設けられており、空気浄化装置１０によって清浄にされた空気が燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとして空気排出路７に排出され、背圧弁８を介して大気に放出される。
【００１３】
次に、図２を参照して、空気浄化装置１０について詳述する。
空気浄化装置１０は、空気供給路６を構成する円筒状の管体１１に設けられており、上流側（コンプレッサ５に近い側）に設置された静電捕集装置（静電捕集手段）２０と、下流側（燃料電池２に近い側）に設置された濾過式のフィルタ（以下、濾過フィルタという）５０とから構成されている。
静電捕集装置２０は、管体１１に軸受け２１を介して回転自在に支持された円環状の枠体２２を備え、軸中心を枠体２２の軸中心に一致させたプロペラ２３がその各羽根の端部を枠体２２に固定して取り付けられている。なお、管体１１と枠体２２の間を空気が流通することができないように所定のシール構造（図示せず）が施されており、管体１１を流通する空気は必ず枠体２２の内部を流通するようになっている。したがって、管体１１に空気を流通させると、この空気の流れがプロペラ２３を回転駆動し、プロペラ２３と一体化されている枠体２２が回転する。
【００１４】
この枠体２２の下流側端部には、ナイロン製の不織布で形成された円板状の摩擦体２４が枠体２２に対して電気的に絶縁されて固定されている。
また、静電捕集装置２０は、摩擦体２４の下流側に、円板状の静電捕集体２５を備えている。静電捕集体２５はポリエチレン製の不織布からなり、管体１１に電気的に絶縁されて固定されている。静電捕集体２５は、摩擦体２４の下流側端面が静電捕集体２５の上流側端面に接触するように配置されている。
静電捕集装置２０の下流に設置されている濾過フィルタ５０は一般的な濾過式のフィルタであって、比較的に目の粗いものが使用されている。
【００１５】
このように構成された空気浄化装置１０では、大気から吸い込まれた空気がコンプレッサ５により加圧されて空気供給路６を燃料電池２に向かって流れると、前述の如く静電捕集装置２０の枠体２２がプロペラ２３によって回転せしめられ、枠体２２と一体となって回転する摩擦体２４が静電捕集体２５を摺動する。このときに摩擦体２４と静電捕集体２５との摩擦によって、摩擦体２４と静電捕集体２５が互いに逆の極性に帯電するので、空気中に存在する電荷を持った微細な塵埃が摩擦体２４および静電捕集体２５のいずれかに引き付けられ、捕集される。
特に、この実施の形態においては、摩擦体２４がナイロン製で、静電捕集体２５がポリエチレン製であり、また、シリカとポリエチレンは互いに逆の極性に帯電し易いことから、空気中に存在する微細なシリカを静電捕集体２５によって効率よく捕集することができ、空気中のシリカを高効率で除去することができる。
【００１６】
そして、静電捕集装置２０では除去できなかった大きな塵埃および電荷を持たない塵埃は下流の濾過フィルタ５０によって捕集される。また、静電捕集体２５に捕集された塵埃が互いの分子間力によって引き付け合い凝集して大きな塊（凝集塊）になって静電捕集体２５から離脱すると、この凝集塊も下流の濾過フィルタ５０に捕集される。
このように、この空気浄化装置１０によれば、電荷を持つ微細な塵埃は上流側の静電捕集装置２０によって捕集することができ、大きな塵埃と電荷を持たない塵埃と静電捕集装置２０から離脱した凝集塊は下流側の濾過フィルタ５０によって捕集することができるので、塵埃を除去された清浄な空気を燃料電池２のカソード電極２ｃに供給することができる。その結果、カソード電極２ｃが塵埃の付着によって目詰まりすることがなくなり、電極の目詰まりに起因する燃料電池２の出力低下を防止することができる。特に、静電捕集装置２０によって空気中のシリカが高効率で除去されるので、シリカがカソード電極２ｃに付着して目詰まりを起こすのを防止することができる。
【００１７】
微細な塵埃を捕集する上流側の静電捕集装置２０はその構造上、圧力損失が小さく、大きな塵埃を捕集する下流側の濾過フィルタ５０は目が粗いので圧力損失が小さい。したがって、空気浄化装置１０全体としての圧力損失を小さくすることができ、且つ、微細な塵埃も除去することができる。
よって、燃料電池２の出力変動に伴う風量変化に起因する空気浄化装置１０における圧力変化が小さく、空気浄化装置１０の耐久性を高めることができる。
また、静電捕集装置２０の帯電用駆動源は、コンプレッサ５が燃料電池２に空気を供給するために発生させた空気流であるので、新たなエネルギ源が不要であり、装置構成を簡単化することができる。
また、空気浄化装置１０の圧力損失が小さいので、コンプレッサ５に必要とされる出力も小さくて済み、燃料電池２で発電した電力のうちコンプレッサ５で消費される割合を小さくすることができて効率が向上し、ひいては、燃料電池自動車の駆動出力の増大や航続距離の延伸が可能となる。
【００１８】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る空気供給装置の第２の実施の形態を図３および図４の図面を参照して説明する。
第２の実施の形態における空気浄化装置１０が第１の実施の形態のものと相違する点は、乱流発生部４０を備える点と、静電捕集装置２０の構成にある。
以下、第２の実施の形態における空気浄化装置１０を図３の断面図を参照して説明する。
【００１９】
静電捕集装置（静電捕集手段）２０は、管体１１において濾過フィルタ５０の上流に設置されており、静電捕集装置２０の上流に乱流発生部４０が設置されている。
乱流発生部４０は、管体１１の内周面に設置され先端を管体１１の中央に向かって突出させた多数の突起体４１で構成されている。
静電捕集装置２０は、管体１１の内周面に取り付けられた多数の摩擦体３１と多数の静電捕集体３２とから構成されている。摩擦体３１は硬直なナイロン繊維で形成され、基端が管体１１の内周面に固定され先端を管体１１の中央に向かって延ばした突起で構成されている。静電捕集体３２はしなやかなポリエチレン繊維で形成されて糸状をなし、基端が管体１１の内周面に固定され先端が自由端にされている。
摩擦体３１と静電捕集体３２は、乱流発生部４０より下流の所定領域に混在して設けられており、静電捕集体３２が風になびくと摩擦体３１に接触するように静電捕集体３２の長さが設定されている。
【００２０】
このように構成された空気浄化装置１０によれば、管体１１を流れてきた空気が乱流発生部４０を通過すると乱流が発生し、この空気の乱れによって静電捕集体３２が激しくなびいて、摩擦体３１に接触し摺動する。このときの摩擦によって摩擦体３１と静電捕集体３２が互いに逆の極性に帯電するので、空気中に存在する電荷を持った微細な塵埃が摩擦体３１および静電捕集体３２のいずれかに引き付けられ、捕集される。特に、空気に乱流を起こしているので、空気中の粒子である塵埃が摩擦体３１と静電捕集体３２に衝突し易くなっているので、捕集効果が大きい。
この実施の形態においても、摩擦体３１がナイロン製で、静電捕集体３２がポリエチレン製であり、また、シリカとポリエチレンは互いに逆の極性に帯電し易いことから、空気中に存在する微細なシリカを静電捕集体３２によって効率よく捕集することができ、空気中のシリカを高効率で除去することができる。
【００２１】
そして、静電捕集装置２０では除去できなかった大きな塵埃および電荷を持たない塵埃は下流の濾過フィルタ５０によって捕集される。また、摩擦体３１と静電捕集体３２に捕集された塵埃は、摩擦体３１と静電捕集体３２の接触により掻き落とされるものもあるが、それらは互いの分子間力によって引き付け合い凝集して大きな塊（凝集塊）となって、下流の濾過フィルタ５０に捕集される。
このように、第２の実施の形態の空気浄化装置１０によっても、電荷を持つ微細な塵埃は上流側の静電捕集装置２０によって捕集することができ、大きな塵埃と電荷を持たない塵埃と静電捕集装置２０から離脱した凝集塊は下流側の濾過フィルタ５０によって捕集することができるので、塵埃を除去された清浄な空気を燃料電池２のカソード電極２ｃに供給することができる。その結果、カソード電極２ｃが塵埃の付着によって目詰まりすることがなくなり、電極の目詰まりに起因する燃料電池２の出力低下を防止することができる。特に、静電捕集装置２０によって空気中のシリカが高効率で除去されるので、シリカがカソード電極２ｃに付着して目詰まりを起こすのを防止することができる。
【００２２】
微細な塵埃を捕集する上流側の静電捕集装置２０はその構造上、圧力損失が小さく、大きな塵埃を捕集する下流側の濾過フィルタ５０は目が粗いので圧力損失が小さい。したがって、空気浄化装置１０全体としての圧力損失を小さくすることができ、且つ、微細な塵埃も除去することができる。
よって、燃料電池２の出力変動に伴う風量変化に起因する空気浄化装置１０における圧力変化が小さく、空気浄化装置１０の耐久性を高めることができる。
また、静電捕集装置２０の帯電用駆動源は、コンプレッサ５が燃料電池２に空気を供給するために発生させた空気流であるので、新たなエネルギ源が不要であり、装置構成を簡単化することができる。
また、空気浄化装置１０の圧力損失が小さいので、コンプレッサ５に必要とされる出力も小さくて済み、燃料電池２で発電した電力のうちコンプレッサ５で消費される割合を小さくすることができて効率が向上し、ひいては、燃料電池自動車の駆動出力の増大や航続距離の延伸が可能となる。
【００２３】
なお、第２の実施の形態における空気浄化装置１０の乱流発生部４０は、図４に示すように、サイクロン４２で構成することも可能である。サイクロン４２は、空気に乱流を起こす機能だけでなく、旋回流を利用した遠心分離器としても機能するので、このサイクロン４２で空気中の大きな塵埃を除去することができ、濾過フィルタ５０の負荷を軽減することができる。
【００２４】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、静電捕集手段は電荷を持つ塵埃を捕集することができれば構造上の限定はなく、摩擦によって摩擦体および静電捕集体を帯電させるもの以外に、静電捕集手段に電荷をかけるものも好適に利用することができる。
また、シリカを捕集する静電捕集手段を構成する摩擦体と静電捕集体の材質はナイロンとポリエチレンの組み合わせが好適に利用することができるが、これに限るものではなく、捕集対象の塵埃の持つ電荷によって適宜の材質を採用することが可能である。
また、第１の実施の形態では静電捕集体が空気供給路に固定され、摩擦体が空気供給路を流通する空気によって回転するように取り付けられて構成しているが、これと逆に、摩擦体を固定し、静電捕集体を空気によって回転するように構成してもよい。
また、第２の実施の形態では摩擦体を硬直に形成し、静電捕集体が糸状で空気供給路を流通する空気によってなびくように構成しているが、これと逆に、静電捕集体を硬直に形成して空気供給路に固定し、摩擦体を糸状にして空気になびくように構成してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、シリカのように大気中に含まれる電荷を持つ微細な塵埃を静電捕集手段で除去することができるので、これら塵埃が燃料電池のカソード電極に供給されるのを防止することができ、塵埃付着による燃料電池の出力低下を防止することができるという優れた効果が奏される。また、静電捕集手段は圧力損失が小さいので、燃料電池へ空気を供給するために必要なエネルギが小さくて済み、燃料電池のエネルギ効率が向上するという効果もある。
請求項２から請求項４に係る発明によれば、空気流以外の動力なしに摩擦体および静電捕集体を帯電させることができるので、新たなエネルギ源が不要であり、装置構成が簡単になるという効果がある。
請求項５に係る発明によれば、電荷を持つ微細な塵埃は上流の静電捕集手段で除去され、また、静電捕集手段に捕集された電荷を持つ塵埃が互いの分子間力によって引き付け合い凝集して大きな塊（凝集塊）になって静電捕集手段から離脱すると、この凝集塊も下流の濾過式のフィルタに捕集されるため、下流の濾過式のフィルタでは大きな塵埃を除去できればよく、該フィルタの目を粗くすることができ、該フィルタの圧力損失を小さくすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る空気供給装置を備えた燃料電池システムの第１の実施の形態における構成図である。
【図２】前記実施の形態における空気供給装置の要部断面図である。
【図３】第２の実施の形態における空気供給装置の要部断面図である。
【図４】前記第２の実施の形態における空気供給装置の変形例の要部断面図である。
【符号の説明】
１  空気供給装置
２  燃料電池
２ｂ  アノード電極
２ｃ  カソード電極
６  空気供給路
２０  静電捕集装置（静電捕集手段）
２４  摩擦体
２５  静電捕集体
３１  摩擦体
３２  静電捕集体
５０  濾過フィルタ（濾過式のフィルタ）
【図１】
2004199897.tif 000003
【図２】
2004199897.tif 000004
【図３】
2004199897.tif 000005
【図４】
2004199897.tif 000006