(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池セルと、前記電池セルへの空気取り入れ管路と前記電池セルからの空気系排気管路との間で顕熱とともに潜熱を交換する回転式湿気・熱交換器を有し、大気を前記回転式湿気・熱交換器の放熱ゾーンに通して空気取り入れ管路に送るようにするとともに空気系排気を回転式湿気・熱交換器の吸熱ゾーンに通して大気へ放出するようにし、大気を前記回転式湿気・熱交換器の放熱ゾーンに通す前に加熱するヒーターを設け、前記吸熱ゾーンで結露した水を受けるドレンパンと、このドレンパンに溜まった水を前記放熱ゾーンに送るポンプを設け、前記電池セルの運転開始時のみヒーターを動作させ、前記ポンプを動作させて放熱ゾーンに水を供給するとともに回転式湿気・熱交換器の回転を通常運転時より遅くなるよう前記ヒーターと前記ポンプと前記回転式湿気・熱交換器の運転を制御するようにした燃料電池。
【請求項２】
電池セルと、前記電池セルへの燃料取り入れ管路と前記電池セルからの燃料系排気管路との間で顕熱とともに潜熱を交換する回転式湿気・熱交換器を有し、燃料を前記回転式湿気・熱交換器の放熱ゾーンに通して燃料取り入れ管路に送るようにするとともに燃料系排気を回転式湿気・熱交換器の吸熱ゾーンに通して大気へ放出するようにし、燃料を前記回転式湿気・熱交換器の放熱ゾーンに通す前に加熱するヒーターを設け、前記吸熱ゾーンで結露した水を受けるドレンパンと、このドレンパンに溜まった水を前記放熱ゾーンに送るポンプを設け、前記電池セルの運転開始時のみヒーターを動作させ、前記ポンプを動作させて放熱ゾーンに水を供給するとともに回転式湿気・熱交換器の回転を通常運転時より遅くなるよう前記ヒーターと前記ポンプと前記回転式湿気・熱交換器の運転を制御するようにした燃料電池。
【請求項３】
電池セルと、前記電池セルへの空気取り入れ管路と前記電池セルからの空気系排気管路との間で顕熱とともに潜熱を交換する第１回転式湿気・熱交換器と、前記電池セルへの燃料取り入れ管路と前記電池セルからの燃料系排気管路との間で顕熱とともに潜熱を交換する第２回転式湿気・熱交換器を有し、大気を前記第１回転式湿気・熱交換器の放熱ゾーンに通して空気取り入れ管路に送るようにするとともに空気系排気を第１回転式湿気・熱交換器の吸熱ゾーンを通して大気へ放出するようにし、前記第１回転式湿気・熱交換器の吸熱ゾーンで結露した水を受ける第１ドレンパンと、この第１ドレンパンに溜まった水を前記第１回転式湿度・熱交換器の放熱ゾーンに送る第１ポンプと、燃料を前記第２回転式湿気・熱交換器の放熱ゾーンに通して燃料取り入れ管路に送るようにするとともに燃料系排気を第２回転式湿気・熱交換器の吸熱ゾーンに通して大気へ放出するようにし、前記第２回転式湿気・熱交換器の吸熱ゾーンで結露した水を受ける第２ドレンパンと、この第２ドレンパンに溜まった水を前記第２回転式湿度・熱交換器の放熱ゾーンに送る第２ポンプと、大気を前記第１回転式湿気・熱交換器の放熱ゾーンに通す前に加熱する第１ヒーターと、燃料を前記第２回転式湿気・熱交換器の放熱ゾーンに通す前に加熱する第２ヒーターを設け、前記電池セルの運転開始時のみ第１及び第２ヒーターと、前記第１及び第２ポンプを動作させるとともに前記第１及び第２回転式湿気・熱交換器の回転を通常運転時より遅くなるよう前記第１及び第２ヒーターと前記第１及び第２回転式湿気・熱交換器の運転を制御するようにした燃料電池。
【請求項４】
電池セルの運転開始時のみヒーターを動作させるとともに回転式湿気・熱交換器の回転を通常運転時より遅くした請求項１又は請求項２又は請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
回転式湿気・熱交換器の回転を通常運転時より遅くする手段として回転速度を低下させた請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
回転式湿気・熱交換器の回転を通常運転時より遅くする手段として回転を間歇回転とした請求項４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば自動車や非常用電源あるいは分散電源などに用いられる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は運転に伴う環境負荷が小さいため近年注目を集めており、有害な排気ガス  を殆ど排出しないため市街地へも設置が可能であるため分散電源や自動車のエネルギー源としても用いられている。
【０００３】
そして燃料電池の普及のためには発電効率をいかに高めるかが重要なポイントの一つである。このために電極やセパレーターの改良など種々の改良がなされている。また燃料電池の効率を高めるために供給空気を加湿すると発電効果が上がることが一般に知られている。そして供給空気や燃料を加湿するために水蒸気浸透膜用い、排気と供給空気との間で湿気の交換をしたものとして例えば特開平６−１３２０３８号などが見られる。
【０００４】
このような水蒸気浸透膜を用いたものは、大きな面積の水蒸気浸透膜が必要となり、燃料電池の小型化が困難である。このために水を加熱して水蒸気を発生させ、その水蒸気で供給空気を加湿するものも開発された。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら加湿器を設けると、加湿器自身が消費するエネルギーが大きく結果として効率向上の成果が得られないという問題がある。
【０００６】
本発明は小型でありながら燃料電池に送られる空気を排出される蒸気を用いて加湿することによって効率を改善した燃料電池を提供しようとするものである。さらに燃料電池の起動時にも十分な蒸気を供給することができ、起動時の効率を高めて起動を速くすることができる燃料電池を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本件発明は以上のような課題を解決するため、空気取り入れ管路と空気系排気管路との間及び燃料取り入れ管路と前記電池セルからの燃料系排気管路との間で顕熱とともに潜熱を交換する回転式湿気・熱交換器を有し、大気及び燃料を回転式湿気・熱交換器の加湿通路に通す前に加熱するヒーターを設け、運転開始時にヒーターを動作させるとともに回転式湿気・熱交換器の回転を通常運転時より遅くするようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、空気取り入れ管路と空気系排気管路との間及び燃料取り入れ管路と前記電池セルからの燃料系排気管路との間で顕熱とともに潜熱を交換する回転式湿気・熱交換器を有し、大気あるいは燃料を回転式湿気・熱交換器の加湿通路に通して空気あるいは燃料取り入れ管路に送るようにするとともに排気を回転式湿気・熱交換器の脱湿通路に通して大気へ放出するようにし、大気あるいは燃料を回転式湿気・熱交換器の加湿通路に通す前に加熱するヒーターを設け、運転開始時にヒーターを動作させるとともに回転式湿気・熱交換器の回転を通常運転時より遅くしたものであり、運転開始時に回転式湿気・熱交換器の加湿通路内に残留した水分を取り入れ空気あるいは燃料に供給し、運転開始時点から十分な湿分を供給するという作用を有する。
【０００９】
【実施例】
以下本発明の燃料電池の実施例１について図に沿って詳細に説明する。図１は本発明の燃料電池のシステム図である。１は電池セルであり、この中に電解液や電極が設けられており、水素と空気を供給することによって水素と空気中の酸素とが反応し、電気を起こすものである。燃料電池の電池セルは一般的であるので、詳細な説明は省略する。
【００１０】
２は水素ボンベ（図示せず）やメタノールなどの燃料改質装置（図示せず）から送られる燃料（水素）を入れる燃料取入れ口であり、３は空気を入れる空気取入れ口である。４は排気口であり、ここから酸素の減少した空気と蒸気とが排出される。
【００１１】
５は回転式湿気・熱交換器であり例えばアルミ箔をハニカム状に形成し、そのアルミ箔の表面にシリカゲル等の湿気吸着剤を担持したもので、Ｆタームの３Ｌ０５９−ＢＡ０１に分類されるようなものである。
【００１２】
回転式湿気・熱交換器５は図１の矢印方向にモーター（図示せず）によって回転駆動される。また回転式湿気・熱交換器５は吸熱ゾーン６と放熱ゾーン７とに分割されている。吸熱ゾーン６ではこの部分を通過する空気系排気から潜熱と顕熱を回収し奪い、放熱ゾーン７ではこの部分を通過する空気へ潜熱と顕熱を与える。
【００１３】
この潜熱と顕熱を交換するプロセスについては、上記Fタームに分類される多くの出願で公知であるので、ここでの説明は省略する。
【００１４】
８はヒーターであり放熱ゾーン７へ入る通路内に設けられ、放熱ゾーンへ送られる空気を加熱するものである。９はドレンパンであり、吸熱ゾーン６の下に設けられ吸熱ゾーン６内で結露した水を受けるものである。１０は湿度センサーであり、空気取り入れ口３に入る前の空気の湿度を測定するものである。なお１２は燃料系排気口である。
【００１５】
図２は本発明の燃料電池の運転状態を示すフローチャートである。この動作は市販のシーケンサーやマイクロコンピューターを用いて簡単に実現することができる。先ず電池セル１の動作を開始すると、ステップ１で回転式湿気・熱交換器５を低速で回転させるとともにヒーター８に通電する。
【００１６】
次にステップ２で電池セル１の動作開始から所定時間Ｔ経過したか否か判断する。そして所定時間Ｔ経過していないとステップ１へ戻り、回転式湿気・熱交換器５の低速運転とヒーター８への通電を維持する。
【００１７】
これによってヒーター８で加熱された外気が放熱ゾーン７を通過し、湿気吸着剤に吸着された水分を放出する。従って外気は加湿され多湿空気となって電池セル１の空気取り入れ口３に入る。このようにして所定時間Ｔの間、多湿空気が電池セル１に供給され、電池セル１の立ち上がり時に水分を供給する。ここで所定時間Ｔを、電池セル１が十分に機能を発揮する状態になるまでの時間であるように設定する。
【００１８】
電池セル１の動作開始から所定時間Ｔ経過したらステップ３に進み、回転式湿気・熱交換器５を高速で回転させるとともにヒーター８への通電を停止する。この時つまり所定時間Ｔ経過後には電池セル１は十分に機能を発揮しており、電池セル１の排気口４から酸素の減少した高温の空気と蒸気とが排出される。
【００１９】
この高温の空気と蒸気が回転式湿気・熱交換器５の吸熱ゾーン６を通過する間に、回転式湿気・熱交換器５に熱と水分を与える。回転式湿気・熱交換器５は高速で回転しており、放熱ゾーン７へ短時間で移行する。そして放熱ゾーン７で外気に熱と蒸気とを与え、高温・多湿になった外気が空気取り入れ口３へ供給される。高温・多湿になった外気が電池セル１に供給されることによって電池セル１の発電効率が高くなる。
【００２０】
次にステップ４に進み、湿度センサー１０の出力ｗが所定値Ｗより大きいか否かチェックする。つまり空気取り入れ口３に入る空気の湿度があまり高いと逆に電池セル１の発電効率を低下させるため、空気の湿度を所定値Ｗ以下にする必要がある。
【００２１】
つまり電池セル１の電気的負荷が大きく発電量が多い時には供給空気の量が増加し、放熱ゾーン７を出た空気の湿度が低くなり、反対に発電量が少ない時には供給空気の量が少ないため放熱ゾーン７を出た空気の湿度が高くなる。
【００２２】
湿度センサー１０の出力ｗが所定値以上の場合はステップ５に進み、回転式湿気・熱交換器５の回転を減速し電池セル１の排気からの水蒸気の回収を低下させる。反対に湿度センサー１０の出力ｗが所定値以下の場合はステップ６に進み、回転式湿気・熱交換器５の回転を増速し電池セル１の排気からの水蒸気の回収を増加させる。これによって電池セル１の運転状況に応じた湿気と熱の供給を行うことができる。
【００２３】
ステップ５あるいはステップ６で回転式湿気・熱交換器５の回転を調整した後にステップ７へ進み、電池セル１の運転を終了するか否か判断し、運転を終了しない場合はステップ４へ戻り、終了する場合は終了操作へ進む。
【００２４】
以上の操作によって電池セル１に供給される空気は始動時から十分に加湿され、また回転式湿気・熱交換器５を湿気と熱の交換に用いているため、湿気や熱の媒体自身が移動し、湿気や熱の交換効率が高いため小型の回転式湿気・熱交換器５であっても十分な湿気と熱の交換を行うことができる。
【００２５】
以上説明の実施例１は空気と空気系排気との間で湿気・熱交換を行う例を示したが、図３に示す実施例２のように燃料である水素と燃料系排気との間で湿気・熱交換を行う回転式湿気・熱交換器５’を設けてもよい。ここで６’は吸熱ゾーン、７’は放熱ゾーンであり上記の実施例１の吸熱ゾーン６、放熱ゾーン７とそれぞれ実質的に同一である。８’はヒーターであり、燃料の水素を加熱するものである。
【００２６】
９’はドレンパンでこれも上記実施例１のドレンパン９と同一のものであり、湿度センサー１０’は実施例１の湿度センサー１０と、ポンプ１１’も実施例１のポンプ１１と実質的に同一である。またこの実施例２のものの動作は上記実施例１のものと同一であり、説明を省略する。
【００２７】
この実施例２のものは燃料である水素が始動時から十分に加湿され、電池セル１の効率が向上する。また回転式湿気・熱交換器５’を湿気と熱の交換に用いているため、湿気や熱の媒体自身が移動し、湿気や熱の交換効率が高いため小型の回転式湿気・熱交換器５’であっても十分な湿気と熱の交換を行うことができる。
【００２８】
以上説明の実施例１は空気と空気系排気との間で湿気・熱交換を行い、実施例２は燃料と燃料系排気との間で湿気・熱交換を行う例を示したが、図４に示す実施例３のように空気と空気系排気及び燃料である水素と燃料系排気との間で湿気・熱交換を行う回転式湿気・熱交換器５及び５’を設けてもよい。
【００２９】
以上の各実施例では回転式湿気・熱交換器５，５’の回転を遅くする手段として、単純に回転速度を落とし回転を速くする手段として単純に回転速度を速めるようにしたが、回転式湿気・熱交換器５，５’の回転を間歇的に回転させ、停止時間を長短調整することによって回転速度を速くしたり、落としたりした場合と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
以上の各実施例のものでも始動時の湿気の供給が不足する場合には、ドレンパン９，９’に受けた水を圧送するポンプ１１,１１’を設け、ドレンパン９，９’の水を回転式湿気・熱交換器５，５’の放熱ゾーン７，７’の上から滴下する構成にし、ステップ１とステップ２との間でポンプ１１,１１’を動作させるようにすると、始動時の湿気の供給量を増加させることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の燃料電池は上記の如く構成したので、湿気の透過膜を用いて排気中の湿気を供給空気に与えるものと比べて格段に小型化することができ、水を熱によって気化させて供給空気を加湿するものと比較して格段にエネルギー消費を小さくすることができる。
【００３２】
つまり、湿気や熱の媒体を移動しながら湿気と熱とを排気から供給空気へ移動させるため、小型の装置であっても十分な湿気と熱との交換を行うことができる。また運転開始から所定時間経過した後は、排気の湿気や熱をそのまま供給空気の加湿・加熱に用いるため消費エネルギーが小さいものである。
【００３３】
さらに本発明の燃料電池は運転開始時には、それ以前に運転したときに発生した水分を用いるようにしているため、始動時に外部から水を供給する必要がなく、維持管理が容易である。
【００３４】
しかも電池セルの始動時や負荷の状態など、運転状況に応じて湿気の供給を制御することができ、最適な加湿量とすることによって電池セルの発電効率を最適にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の実施例１を示す説明図である。
【図２】本発明の燃料電池の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の燃料電池の実施例２を示す説明図である。
【図４】本発明の燃料電池の実施例３を示す説明図である。
【符号の説明】
１  電池セル
２  水素取入れ口
３  空気取入れ口
４  空気系排気口
５、５’  回転式湿気・熱交換器
６、６’  吸熱ゾーン
７、７’  放熱ゾーン
８、８’  ヒーター
９、９’  ドレンパン
１０、１０’‘湿度センサー
１１、１１’  ポンプ
１２  燃料系排気口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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