(57)【要約】【課題】  燃焼器からの熱害を受けにくく、かつ、車両等の移動体の加減速によってもドレインライン内の液水が移動することのない燃料電池システムを提供する。【解決手段】  前記カソード側加湿器９及び燃焼器１１をそれぞれ前記車両の左右方向に沿って配置し、このカソード側加湿器９で生ずる液水を排出する加湿器側ドレインライン３７を、カソード側加湿器９から車両の左右方向に沿って且つ燃焼器１１の前側に配置している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード供給ガスとしての燃料ガス及びカソード供給ガスとしての酸化ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記アノード供給ガス及びカソード供給ガスの少なくともいずれかのガスに水分を供給する加湿器と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼器とを備え、主移動方向が前後方向である移動体に設けられた燃料電池システムにおいて、
前記加湿器及び燃焼器をそれぞれ前記移動体の左右方向に沿って配置し、この加湿器で生ずる液水を排出する加湿器側ドレインラインを、加湿器から移動体の左右方向に沿って且つ燃焼器の前側に配置したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼器で生ずる液水を排出する燃焼器側ドレインラインを、燃焼器から移動体の左右方向に沿って且つ燃焼器の後側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加湿器側ドレインラインを弾性材から形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池では、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する。
【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。すなわち、燃料電池車両は、水素貯蔵装置を車両に搭載しそこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【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、アノード電極側から排出されるアノードオフガス中には水素が含有されており、アノードオフガスをそのまま外気に排出すると環境に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、アノードオフガスを燃焼させてから外気に排出するべく、燃焼器も配設されている。
【０００６】
また、前記加湿器の内部に凝縮水が生じると共に、燃焼器にアノードオフガス及びカソードオフガスが流入するため、燃焼器内にも液水が滞留するおそれがあった。このため、加湿器や燃焼器にドレインラインを接続し、該ドレインラインから液水を外部に排出している（例えば、特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００１−６５９７７公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４４０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の技術においては、加湿器からの凝縮水を排出する加湿器側ドレインラインは燃焼器からの熱害を受けやすく、また、ドレインラインを車両の主移動方向である前後方向に沿って配置すると、車両の発進時や停止時に生じる加速度によってドレインライン内部の凝縮水や液水が前後方向に移動するおそれがあった。
【０００８】
そこで、本発明は、燃焼器からの熱害を受けにくく、かつ、車両等の移動体の加減速によってもドレインライン内の液水が移動することのない燃料電池システム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、本発明に係る燃料電池システムは、アノード供給ガスとしての燃料ガス及びカソード供給ガスとしての酸化ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記アノード供給ガス及びカソード供給ガスの少なくともいずれかのガスに水分を供給する加湿器と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼器とを備え、主移動方向が前後方向である移動体に設けられた燃料電池システムにおいて、前記加湿器及び燃焼器をそれぞれ前記移動体の左右方向に沿って配置し、この加湿器で生ずる液水を排出する加湿器側ドレインラインを、加湿器から移動体の左右方向に沿って且つ燃焼器の前側に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムによれば、加湿器側ドレインラインを燃焼器の前側に配置しているため、加湿器及び加湿器側ドレインラインが燃焼器による熱を受けにくくなる。このため、加湿器や加湿器側ドレインラインに特別な遮熱構造を施す必要がなく、加湿器側ドレインラインを耐熱性の低い安価な部材から形成することができる。
【００１１】
また、加湿器側ドレインラインを車幅方向に沿って左右方向に延設しているため、加湿器側ドレインライン内の液水が移動体の加減速による車両前後方向の加速度の影響を受けにくく、加湿器側ドレインライン内を液水がスムーズに流れるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態による燃料電池システムを図面に基づき説明する。
【００１３】
図１は、燃料電池自動車に搭載された本実施形態による燃料電池システムを上方から見た平面図である。なお、移動体としては、この燃料電池自動車に限定されず、燃料電池システムを搭載した車両に広く適用することができる。また、以下において、燃料電池システムを構成する燃料電池５として、固体高分子形燃料電池を例にとって説明する。さらに、後述するように、本発明に係る加湿器としてカソード側加湿器９を例にとって説明する。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
また、カソード側加湿器９及び燃焼器１１の前側には加湿器側ドレインライン３７が車幅方向に沿って延設されている。即ち、この加湿器側ドレインライン３７は、カソード側加湿器９の前部から、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、その端部３７ａは排気配管３９に連結されている。また、加湿器側ドレインライン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が生成するが、この液水を外部に排出しないと液水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、加湿器側ドレインライン３７を設けて、不要な液水をカソード側加湿器９から排出して排気配管３９に送るように構成している。
【００２３】
燃焼器側ドレインライン４１は、燃焼器１１の後側に車幅方向に沿って配置されている。即ち、燃焼器側ドレインライン４１は、燃焼器１１の後部から、燃焼器１１と水タンク７との間を車幅方向の左側に向かって延びており、その端部４１ａは排気配管３９に連結されている。ここで、燃焼器１１が例えば触媒燃焼器の場合には特に、液水が触媒の表面を覆うと触媒活性が著しく低下するため、燃焼器１１内に滞留する液水は排出する必要がある。よって、燃焼器側ドレインライン４１によって、効率的に液水を排気配管３９に排出している。
【００２４】
次いで、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。
【００２５】
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。
【００２６】
一方、カソード供給ガス３１である空気Ａがカソード側加湿器９で加湿され、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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を排気配管３９を介して外部に放出する。
【００２９】
なお、前記燃焼器１１における燃焼の際に水分が発生して液水Ｗ１となり、この液水Ｗ１は燃焼器側ドレインライン４１を介して排気配管３９に送給される。また、カソード側加湿器９においても、凝縮水（液水Ｗ２）が生成されるが、この液水Ｗ２は加湿器側ドレインライン３７を介して排気配管３９に送給される。
【００３０】
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。
【００３１】
前記カソード側加湿器９及び燃焼器１１をそれぞれ前記車両の左右方向に沿って配置し、このカソード側加湿器９で生ずる液水を排出する加湿器側ドレインライン３７を、カソード側加湿器９から車両の左右方向に沿って且つ燃焼器１１の前側に配置しているため、カソード側加湿器９及び加湿器側ドレインライン３７が燃焼器１１による熱を受けにくくなる。このため、カソード側加湿器９や加湿器側ドレインライン３７に特別な遮熱構造を施す必要がなく、加湿器側ドレインライン３７を耐熱性の低い安価な部材で形成することができ、コスト低減を図ることができる。
【００３２】
例えば、燃焼器１１を車両前方側で、カソード側加湿器９をこの燃焼器１１の車両後方側に配置した場合、車両が前方に向けて走行しているときは、燃焼器１１から発生する放射熱が走行風によって後方のカソード側加湿器９に流れる。このため、カソード側加湿器９が燃焼器１１による熱害を受けやすくなり、カソード側加湿器９に特別な遮熱構造を施す必要がある。一方、カソード側加湿器９を車両前方側で、燃焼器１１をこのカソード側加湿器９の車両後方側に配置した場合、加湿器側ドレインライン３７のうち、燃焼器１１よりも後方側に配置される部分は、燃焼器１１による熱害を受けやすくなるため、特別な耐熱構造を施す必要がある。さらに、カソード側加湿器９と燃焼器１１を左右方向に沿って配設し、加湿器側ドレインライン３７を燃焼器１１の後側に配置した場合も、車両走行風によって加湿器側ドレインライン３７が燃焼器１１の熱の影響を受けやすくなる。
【００３３】
従って、前述したとおり、カソード側加湿器９及び燃焼器１１をそれぞれ前記車両の左右方向に沿って配置すると共に、加湿器側ドレインライン３７を燃焼器１１の前側に配置することが望ましい。
【００３４】
さらに、加湿器側ドレインライン３７を車幅方向に沿って左右方向に延設しているため、加湿器側ドレインライン３７内の液水が車両の加減速による車両前後方向の加速度の影響を受けにくい。なお、左右方向にも加速度が多少加わるが、前後方向の加速度に比較すれば、左右方向の加速度は非常に小さい。
【００３５】
そして、カソード側加湿器９及び燃焼器１１を左右方向に略一直線状に配置し、且つ、加湿器側ドレインライン３７もこれらのカソード側加湿器９及び燃焼器１１に沿って配置しているため、ガスの流れがほぼ直線的になって流れを妨げることがない。即ち、ガスの流れを妨げる配管曲げ部を形成することがないため、ガスの保有するドレインのためのエネルギーを効率的に活用することができる。
【００３６】
なお、加湿器側ドレインライン３７及び燃焼器側ドレインライン４１の端部を排気配管３９に接続しているため、車両の走行によっても、ドレインラインの端部に異物等が入ることがない。即ち、ドレインライン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ライン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、ドレインラインの端部を排気配管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。
【００３７】
さらに、前記燃焼器側ドレインライン４１を、燃焼器１１から車両の左右方向に沿って且つ燃焼器１１の後側に配置しており、また、加湿器側ドレインライン３７を燃焼器側ドレインライン４１から離して配置しているため、加湿器側ドレインライン３７が燃焼器側ドレインライン４１から熱害を受けず、特別な遮熱構造を施す必要がない。
【００３８】
前記加湿器側ドレインライン３７をゴムなどの弾性材から形成しているため、車体から発生する低周波数域の振動によって加湿器側ドレインライン３７が共振を起こし、加湿器側ドレインライン３７のカソード側加湿器９との接続部及び排気管との接続部に応力が入力された場合でも、この応力集中を効率的に緩和することができる。即ち、加湿器側ドレインライン３７のような長尺部材は共振周波数が比較的低周波数域に偏って存在する。また、車両には比較的に低周波数域の振動が多く発生するため、加湿器側ドレインライン３７には車体からの振動による共振が発生しやすい。この共振が発生すると、加湿器側ドレインライン３７における接続部分に応力が集中しやすくなり、接続部分の変形等を起こすおそれがある。これに対して、本実施形態では、ゴム等の弾性体から加湿器側ドレインライン３７を形成しているため、共振が発生した場合でも、その振動を効率的に吸収して応力集中を緩和させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池システムを示す平面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料電池システム
５…燃料電池
９…カソード側加湿器（加湿器）
１１…燃焼器
２９…カソードオフガス
３１…カソード供給ガス（酸化ガス）（空気）
３５…アノードオフガス
３７…加湿器側ドレインライン
４１…燃焼器側ドレインライン
４３…アノード供給ガス（燃料ガス）（水素）
【図１】
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