(57)【要約】      （修正有）【課題】  特別な装置を別途設ける必要がなく、燃料電池システム全体の構成や制御が複雑化することのない加湿装置の排水構造を提供する。 【解決手段】  カソード側加湿器９内に、液水を溜める凹状の滞留部５１を設ける一方、前記ドレイン管３７の一端３７ａを、カソード側加湿器９の内部側に配置し、他端を、カソード側加湿器９の外部側に配置し、この一端３７ａを前記滞留部５１の底部近傍に配置し、かつ、ドレイン管３７の一端３７ａの圧力を他端の圧力よりも大きく設定することにより、前記滞留部５１に溜まった液水をドレイン管３７の一端側から吸入し、他端側から排出するように構成している。【選択図】図２
2005158593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給するカソードオフガス及びアノードオフガスの少なくともいずれかのオフガスを加湿する加湿装置に排出管を設け、該排出管を介して、加湿装置の内部に滞留する液水を加湿装置外に排出する加湿装置の排水構造であって、
前記加湿装置内に、前記液水を溜める滞留部を設ける一方、
前記排出管の一端を、加湿装置の内部側に配置した導入部に形成し、他端を、加湿装置の外部側に配置した排出部に形成し、この一端側の導入部を前記滞留部の底部近傍に配置し、
かつ、前記排出管の導入部内の圧力を排出部内の圧力よりも大きく設定することにより、前記滞留部に溜まった液水を排出管の導入部から吸入し、排出部から排出するように構成したことを特徴とする加湿装置の排水構造。
【請求項２】
前記加湿装置のガス流れ下流側に、加湿装置から排出された前記オフガスを燃焼させる燃焼器を配設し、該燃焼器に燃焼排ガスを排出する排気管を設け、該排気管に、前記加湿装置の排出管の他端に設けた排出部を連結させたことを特徴とする請求項１に記載の加湿装置の排水構造。
【請求項３】
前記滞留部を、加湿装置内における前記オフガスのガス流れ下流側の底部に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の加湿装置の排水構造。
【請求項４】
前記排出管を、加湿装置内における前記オフガスが流れる部位に、該オフガスの流れを遮るように配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加湿装置の排水構造。
【請求項５】
前記加湿装置内に配置された排出管を、加湿装置の底部に形成した滞留部から斜め上方に向けて延設したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の加湿装置の排水構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿装置の排水構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、通常、アノードに燃料ガスである水素ガスを供給し、カソードに酸化ガスである空気を供給し、これらの水素ガス及び空気で酸化還元反応を起こし、得られた化学エネルギーを直接電気エネルギーとして抽出している。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池においては、アノード側で水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、カソード側では電子と空気中の酸素が反応して水を生成する電気化学反応によって電気エネルギーを取り出すことができる。この固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。
【０００４】
ここで、固体高分子型燃料電池には固体高分子電解質膜が設けられており、該固体高分子電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下するため、固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。従って、固体高分子型燃料電池においては、燃料ガス及び酸化ガスを加湿して固体高分子電解質膜に水分を供給し、良好な反応を維持するために、加湿器が設けられている。
【０００５】
また、前記加湿器の内部に凝縮水が生じるため、加湿器にドレイン管を接続し、該ドレインラ配管から液水を加湿器の外部に排出している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１８４４４０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の加湿装置の排水構造においては、バルブやセンサー等の装置を別途設ける必要があり、燃料電池システム全体の構成や制御が複雑になり、また、バルブを開放したときに、燃料電池システムの運転圧が変動するおそれがあった。
【０００７】
また、加湿器内に滞留した液水を加湿器の下方からドレイン管を介して抜き出すため、このドレイン管内で液水が凍結した場合には、排水機構が機能しにくくなるおそれがあった。
【０００８】
そこで、本発明は、特別な装置を別途設ける必要がなく、燃料電池システム全体の構成や制御が複雑化することのない加湿装置の排水構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明に係る加湿装置の排水構造は、燃料電池に供給するカソードオフガス及びアノードオフガスの少なくともいずれかのオフガスを加湿する加湿装置に排出管を設け、該排出管を介して、加湿装置の内部に滞留する液水を加湿装置外に排出する加湿装置の排水構造であって、前記加湿装置内に、前記液水を溜める滞留部を設ける一方、前記排出管の一端を、加湿装置の内部側に配置した導入部に形成し、他端を、加湿装置の外部側に配置した排出部に形成し、この一端側の導入部を前記滞留部の底部近傍に配置し、かつ、前記排出管の導入部内の圧力を排出部内の圧力よりも大きく設定することにより、前記滞留部に溜まった液水を排出管の導入部から吸入し、排出部から排出するように構成している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る加湿装置の排水構造によれば、新たに特別な装置等を設けることなく、加湿装置内に滞留した液水を外部に効率的に排出することができる。よって、この加湿装置を備えた燃料電池システムは、簡単な構造となり、コストも安価となる。また、バルブ等を用いていないため、バルブ等を開放したときに発生する燃料電池システムの運転圧の変動などを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態による加湿装置の排水構造を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態による加湿装置の排水構造を適用した燃料電池システムを上方から見た平面図であり、燃料電池自動車などの移動体に搭載された状態を示している。また、以下において、本発明に係る加湿装置としてカソード側加湿器を例にとって説明し、燃料電池システムを構成する燃料電池として、固体高分子形燃料電池を例にとって説明する。
【００１３】
図１の矢印に示すように、この燃料電池自動車においては、車両前後方向が主移動方向となっており、特に車両前方が最も主となる移動方向に設定されている。
【００１４】
燃料電池システム１は、複数の支持材からなるフレーム３に搭載されており、燃料電池システム１における後部側に配置した燃料電池５と、該燃料電池５の前側で且つ車両の左側に配置した水タンク７と、燃料電池システム１の前端で且つ車両の右側に配置したカソード側加湿器９と、前記水タンク７の前側で且つカソード側加湿器９の車両左側に配置した燃焼器１１とを備えており、前記カソード側加湿器９と燃焼器１１とは、車両の左右方向（車幅方向）に沿って、燃料電池システム１の左右両側に配置されている。
【００１５】
また、燃料電池５のアノード側にはアノード供給ガス用配管１３とアノードオフガス用配管１５とが接続されており、アノード供給ガス用配管１３の途中部には、水タンク７に接続されたアノード側加湿器１７が配設されている。
【００１６】
そして、燃料電池５のカソード側には、カソード供給ガス用配管１９とカソードオフガス用配管２１とが接続されており、これらのカソード供給ガス用配管１９及びカソードオフガス用配管２１はカソード側加湿器９と燃料電池５のカソードとを連結している。
【００１７】
燃料電池５には、燃料極であるアノードと酸化剤極であるカソードとが電極として設けられており、それぞれの電極同士の間には電解質が配設され、該電解質に供給された水素Ｈと空気Ａの酸素とを用いて発電するように構成されている。前記アノードにおいては、供給された水素Ｈがイオン化され、電解質を介して反対極のカソードに移動する。また、カソードにおいては、供給された酸素が、アノードから移動してきた水素イオン及び電子と反応して水となって生成されると共に、この電気化学反応によって電気エネルギーが発生する。
【００１８】
また、水タンク７にはアノード側加湿器１７が接続され、該アノード側加湿器１７は前記水タンク７に貯蔵される水を利用してアノード供給ガス用配管１３を流れる水素Ｈを加湿する。
【００１９】
カソード側加湿器９は、内部に中空糸膜の集合体を備え、この中空糸膜内にカソードオフガス２９を流通させるとともに中空糸膜外にカソード供給ガス３１を流通させて、このカソードオフガス２９中の水分でカソード供給ガス３１を加湿する。カソードオフガス２９側を主体として考えると、カソードオフガス２９はカソード供給ガス３１に水分を吸い取られて除湿される。
【００２０】
燃焼器１１には、アノードオフガス用配管１５とカソード側加湿器９からの連結管３３が接続されており、前記アノードオフガス用配管１５を介して燃料電池５のアノードからアノードオフガス３５が送給され、連結管３３を介してカソードオフガス２９が送給される。このアノードオフガス３５中には、発電によって消費しきれずに残った水素Ｈが含まれており、この水素Ｈを燃焼器１１内で燃焼させる排水素処理装置として燃焼器１１が設けられている。
【００２１】
また、カソード側加湿器９の前側には、排出管であるドレイン管３７が車幅方向に沿って延設されている。即ち、このドレイン管３７は、一端３７ａが、カソード側加湿器９に接続され、車両の車幅方向の左方向に向かって燃焼器１１の前側を延びており、他端３７ｂは排気管３９に連結されている。また、ドレイン管３７は、ゴムなどの弾性体から形成されている。ここで、カソード側加湿器９内では水分が凝縮して液水Ｗが生成するが、この液水Ｗを外部に排出しないと液水Ｗでガス流路が閉塞し、圧力損失の増大や加湿性能の低下などを招くおそれがある。そこで、ドレイン管３７を設けて、不要な液水Ｗをカソード側加湿器９から排出して排気管３９に送るように構成している。
【００２２】
次いで、図２は、図１のカソード側加湿器９を拡大して示す平面図である。
【００２３】
この図２に示すように、カソード側加湿器９におけるカソードオフガス２９の流れ方向の下流側には、液水Ｗの滞留部５１が形成されている。即ち、カソード側加湿器９の内部においては、カソードオフガス２９用配管２１の接続部２１ａ側（図２の右側）から連結管３３の接続部３３ａ（図２の左側）に向けてカソードオフガス２９が流れており、このカソードオフガス２９のガス流れの下流側である連結管３３の接続部３３ａ近傍に滞留部５１が形成されている。
【００２４】
この滞留部５１は、図３に示すように、カソード側加湿器９の底壁面に形成された凹状のくぼみから構成されており、前述のように、図２の破線よりも同図の左側の部位に形成されている。また、本発明に係る排出管であるドレイン管３７の一端３７ａは、液水Ｗの入口となる導入部に形成され、該導入部は、滞留部５１の底部近傍に配置されている。また、ドレイン管３７の他端３７ｂは、図１に示すように、排気管３９の途中部に連結されている。
【００２５】
図３に示すように、ドレイン管３７の導入部は、滞留部５１における図３の左右方向の中央部近傍に配置され、この滞留部５１から斜め上方に向けてドレイン管３７が延び、カソード側加湿器９の外部にまで突出している。このように、カソード側加湿器９内におけるドレイン管３７は、カソード側加湿器９のガス流れ断面を遮るように斜めに配置されている。
【００２６】
次いで、図１を用いて、前記構成を有する燃料電池システム１内における燃料ガスである空気Ａ（カソード供給ガス３１）及び酸化ガスである水素Ｈ（アノード供給ガス）の流れを簡単に説明する。
【００２７】
まず、アノード供給ガスである水素Ｈがアノード供給ガス用配管１３内を流れてアノード側加湿器１７で加湿され、燃料電池５のアノードに供給される。
【００２８】
一方、カソード供給ガス３１である空気Ａは、図示しないコンプレッサで高圧力になった状態でカソード側加湿器９に送られて加湿され、カソード供給ガス用配管１９を介して燃料電池５のカソードに供給されると、これら水素Ｈ及び空気Ａが燃料電池内で反応して発電される。
【００２９】
その際、アノードからは、この発電で消費されずに残ったアノードオフガス３５がアノードオフガス用配管１５を介して燃焼器１１に送られる。また、カソードからは、発電により生成した水分を含み且つ発電によって消費されずに残った酸素を含むカソードオフガス２９が、カソードオフガス用配管２１を介してカソード側加湿器９内に送られ、連結管３３を介して燃焼器１１に送給される。
【００３０】
燃焼器１１では、前記アノードオフガス３５及びカソードオフガス２９を燃焼させたのち、燃焼後の排ガスＥが排気管３９を介して外部に放出される。
【００３１】
そして、カソード側加湿器９の液水Ｗの流れを説明する。
【００３２】
前記カソード側加湿器９においては、燃料電池から排出されるカソードオフガス２９を中空糸内部に流通させると、このカソードオフガス２９中の水分は中空糸の外表面に移動し、カソード供給ガス３１が加湿される。
【００３３】
ここで、カソードオフガス２９はほぼ飽和水蒸気になっているため、カソード側加湿器９の内部では、過飽和となった水蒸気は凝縮して液水Ｗとなり、該液水Ｗは、カソード側加湿器９の内部の底部に溜まるが、とりわけ、カソードオフガス２９のガス流れの下流側に形成された滞留部５１に多く溜まる。
【００３４】
一方、ドレイン管３７の一端３７ａ側に形成された導入部における圧力は、ドレイン管３７の他端３７ｂ側に形成された排出部における圧力よりも大きい値に設定されているため、図３の矢印に示すように、ドレイン管３７の導入部から液水Ｗが吸入され、斜め上方に向けて吸い上げられたのち、図１に示すように、高温の排気管３９に送られ、該排気管３９において蒸発して外部に液体のまま排出されることがない。
【００３５】
なお、ドレイン管３７の一端３７ａ側の圧力が他端３７ｂ側よりも大きいのは、カソード側加湿器９に供給されるカソード供給ガス３１及びカソードオフガス２９による要因と、ドレイン管３７の他端３７ｂが排気管３９に連結されていることによる要因とが総合的に作用している。
【００３６】
つまり、カソード側加湿器９に供給されるカソード供給ガス３１は、図示しないコンプレッサによって高い圧力をかけられながらカソード側加湿器９内部に送られるため、該カソード側加湿器９の内部における液水Ｗの液面は、カソード側加湿器９の内部のカソード供給ガス３１及びカソードオフガス２９の圧力Ｐによって上方から押されることによって、ドレイン管３７の一端３７ａ側の方が他端３７ｂ側よりも高い圧力に維持される。
【００３７】
また、排気管３９の内部は、排ガスＥが流れているため、この排ガスＥの流れに引っ張られて引圧となりドレイン管３７の他端３７ｂ側の圧力が低くなることによって、ドレイン管３７の一端３７ａ側の方が他端３７ｂ側よりも高い圧力に維持される。
【００３８】
なお、カソード供給ガス３１の温度や圧力を測定及び制御することにより、燃料電池の運転温度や圧力を最適にすることができる。この場合、例えば、カソード側加湿器９内の温度を測定するときは、液水Ｗの影響が少ない上部に温度計を配置することが望ましい。
【００３９】
以上の燃料電池システム１によれば、以下の作用効果を得ることができる。
【００４０】
ドレイン管３７の他端３７ｂを排気管３９に接続しているため、車両の走行によっても、ドレイン管３７の端部に異物等が入ることがない。即ち、ドレイン管３７の端部に排出口を設け、該排出口を、下方に向けて開放状態で配置すると、泥はね等によってドレイン管３７の端部から異物等が入るおそれがある。しかし、本実施形態のように、ドレイン管３７の端部を排気管３９に接続していれば、燃料電池システム１を汚染することもない。
【００４１】
また、ドレイン管３７の一端に設けた導入部をカソード側加湿器９内に配置しているため、液水Ｗの凍結時においても容易に解凍させることができる。
【００４２】
さらに、カソード側加湿器９内においてはカソードオフガス２９が流れており、このカソードオフガス２９の流力で液水Ｗがガス流れ下流側に移動するが、このガス流れ下流側に前記滞留部５１を配置しているため、液水Ｗを滞留部５１に効率的に溜めることができる。さらに、滞留部５１において、最も液水Ｗが滞留しやすい部位である中央部近傍にドレイン管３７の一端３７ａを配置しているため、液水Ｗの排出を効率的に行うことができる。
【００４３】
さらに、前記ドレイン管３７を、カソード側加湿器９内における前記カソードオフガス２９が流れる部位に、該カソードオフガス２９のガス流れ断面を遮るように配置しているため、ドレイン管３７におけるカソードオフガス２９が当たる部分の長さが長くなるため、高温のカソードオフガス２９の熱を効率的にドレイン管３７に伝達することができる。これによって、仮に、ドレイン管３７の内部で液水Ｗが凍結した場合でも、この凍結を速く溶解させることができる。
【００４４】
前記ドレイン管３７を、滞留部５１から斜め上方に向けて延設しているため、ドレイン管３７におけるカソードオフガス２９が当たる部分の長さを更に長くすることができ、液水Ｗの凍結時にも解凍時間を更に短縮することができる。また、燃料電池システム１を車両に搭載した場合、車両が停止すると、斜めに指向配置されたドレイン管３７から下方の滞留部５１までドレイン管３７内の液水Ｗが戻り、ドレイン管３７の内部に液水Ｗが溜まることがない。よって、ドレイン管３７の内部で液水Ｗが凍結等するおそれがない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態によるドレイン管を設けた燃料電池システム全体を概略的に示す平面図である。
【図２】図１のカソード側加湿器を拡大して示す平面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線による断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
Ｅ…排ガス（燃焼排ガス）
Ｗ…液水
９…カソード側加湿器（加湿装置）
１１…燃焼器
２９…カソードオフガス
３５…アノードオフガス
３７…ドレイン管（排出管）
３７ａ…一端（導入部）
３７ｂ…他端（排出部）
３９…排気管
５１…滞留部
【図１】
2005158593.tif 000003
【図２】
2005158593.tif 000004
【図３】
2005158593.tif 000005