(57)【要約】【課題】反応空気を加湿するための構成を簡素化して装置の大型化および重量の増加を抑制するようにした燃料電池の空気加湿装置を提供する。【解決手段】円筒状のエアフィルタ（２６）の内部に回転体（１２０）を設けると共に、燃料電池の発電に伴って発生した生成水を、生成水供給管（８４）を介して回転体（１２０）に滴下し、その遠心力を利用して周囲のエアフィルタ（２６）に向けて飛散して付着（吸収）させ、よってエアフィルタ（２６）を通過する反応空気を加湿する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される反応空気を加湿する燃料電池の空気加湿装置において、前記燃料電池に前記反応空気を供給するエアブロワと、前記エアブロワの空気取入口に配置されたエアフィルタと、前記燃料電池の発電によって生成された生成水を前記エアフィルタの内部に供給する生成水供給管と、および前記エアフィルタの内部に配置されると共に、前記供給された生成水を前記エアフィルタに向けて飛散させる生成水飛散機構とを備えることを特徴とする燃料電池の空気加湿装置。
【請求項２】
前記生成水飛散機構が、前記供給された生成水が滴下される円錐状の回転体からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の空気加湿装置。
【請求項３】
前記エアブロワが、ファンと、前記ファンを回転させる電動モータとを備えると共に、前記回転体が、前記電動モータによって前記ファンと共に回転させられることを特徴とする請求項２記載の燃料電池の空気加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の空気加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の含水量が減少すると発電効率が低下する。そこで、従来、燃料電池に供給される反応空気を加湿し、電解質膜の含水量を増加させて発電効率を向上させるようにした技術が数多く提案されている。
【０００３】
前記反応空気の加湿には、燃料電池の発電によって生成された生成水が広く利用されている。かかる技術にあっては、一般に、生成水を貯水槽に貯留すると共に、前記貯留した生成水をポンプやバルブを介して加湿器に供給し、よって前記加湿器を通過する反応空気を加湿するように構成している（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−１９５２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した特許文献１に記載される技術にあっては、生成水を加湿器に供給するためのポンプやバルブが必要とされることから、構成が複雑となって装置の大型化や重量の増加を招くという不具合があった。
【０００５】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、反応空気を加湿するための構成を簡素化して装置の大型化および重量の増加を抑制するようにした燃料電池の空気加湿装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料電池に供給される反応空気を加湿する燃料電池の空気加湿装置において、前記燃料電池に前記反応空気を供給するエアブロワと、前記エアブロワの空気取入口に配置されたエアフィルタと、前記燃料電池の発電によって生成された生成水を前記エアフィルタの内部に供給する生成水供給管と、および前記エアフィルタの内部に配置されると共に、前記供給された生成水を前記エアフィルタに向けて飛散させる生成水飛散機構とを備えるように構成した。
【０００７】
また、請求項２にあっては、前記生成水飛散機構が、前記供給された生成水が滴下される円錐状の回転体からなるように構成した。
【０００８】
また、請求項３にあっては、前記エアブロワが、ファンと、前記ファンを回転させる電動モータとを備えると共に、前記回転体が、前記電動モータによって前記ファンと共に回転させられるように構成した。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る燃料電池の空気加湿装置にあっては、燃料電池に反応空気を供給するエアブロワと、前記エアブロワの空気取入口に配置されたエアフィルタと、燃料電池の発電によって生成された生成水を前記エアフィルタの内部に供給する生成水供給管と、前記エアフィルタの内部に配置されると共に、前記供給された生成水をエアフィルタに向けて飛散させる生成水飛散機構とを備えるように構成した、即ち、燃料電池の発電に伴って生成された生成水を、生成水供給管と生成水飛散機構によってエアフィルタに付着（吸収）させ、よってエアフィルタを通過する反応空気を加湿するように構成したので、反応空気を加湿するための構成を簡素化することができ、装置の大型化と重量の増加を抑制することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る燃料電池の空気加湿装置にあっては、前記生成水飛散機構が、前記供給された生成水が滴下される円錐状の回転体からなるように構成したので、上記した効果に加え、簡易な構成でありながら生成水をエアフィルタ全体に斑なく飛散させることができ、よって反応空気をより効果的に加湿することができる。
【００１１】
また、請求項３に係る燃料電池の空気加湿装置にあっては、前記エアブロワが、ファンと、前記ファンを回転させる電動モータとを備えると共に、前記回転体が、前記電動モータによって前記ファンと共に回転させられるように構成したので、上記した効果に加え、構成が一層簡素となり、装置の大型化と重量の増加をより効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の空気加湿装置を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池の空気加湿装置を燃料電池ユニットの一部として示す概略図である。
【００１４】
図１において、符合１０は、第１実施例に係る燃料電池の空気供給装置を備えた発電ユニットを示す。発電ユニット１０は、燃料電池１２や配管類など、発電に必要な要素が携帯自在な大きさにパッケージ化されてなる。
【００１５】
燃料電池１２（具体的には積層体（セルスタック））は、単電池１４（セル）を複数個、具体的には７０個積層して形成され、定格出力１．０５ｋｗを発生する。尚、単電池１４は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持する空気極（カソード電極）と燃料極（アノード電極）と、各電極の外側に配置されるセパレータとからなる公知の固体高分子型燃料電池であり、詳しい説明は省略する。
【００１６】
燃料電池１２には、燃料電池１２に反応空気と冷却空気を供給する空気供給系２０が接続される。空気供給系２０は、空気を吸引して燃料電池１２に供給（送風）するエアブロワ２２と、エアブロワ２２を燃料電池１２の空気極（図示せず）に接続する反応空気供給路２４ａと、エアブロワ２２を燃料電池１２の冷却空気流路（図示せず）に接続する冷却空気供給路２４ｂとからなる。エアブロワ２２の空気取入口２２ａには、吸引される空気（反応空気および冷却空気）の粉塵を除去するエアフィルタ２６が配置される。
【００１７】
燃料電池１２には、さらに燃料電池１２に水素ガスを供給する水素ガス供給系３０が接続される。水素ガス供給系３０は、水素を高圧で封入した水素ガスボンベ３２と、水素ガスボンベ３２を燃料電池１２に接続する流路３４ａ〜３４ｄと、それらの途中に配置された後述する各要素とからなる。
【００１８】
水素ガスボンベ３２は、手動のボンベバルブ３６を介してレギュレータ３８に接続され、レギュレータ３８は、第１の流路３４ａを介してエジェクタ４０に接続される。第１の流路３４ａの途中には、メインバルブ４２（手動弁）が配置されると共に、メインバルブ４２をバイパスする第２の流路３４ｂが接続される。第２の流路３４ｂの途中には、第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６が配置される。
【００１９】
エジェクタ４０は、第３の流路３４ｃおよび第４の流路３４ｄを介して燃料電池１２の各燃料極に接続される。尚、第３の流路３４ｃが供給側の流路であり、第４の流路３４ｄが排出側の流路である。
【００２０】
また、第１の流路３４ａにおいてメインバルブ４２の下流には、パージガス（不活性ガス。例えば窒素ガス）を燃料電池１２に供給する窒素ガス供給系５０が接続される。窒素ガス供給系５０は、窒素を高圧で封入した窒素ガスボンベ５２と、窒素ガスボンベ５２を第１の流路３４ａに接続する第５の流路５４と、それらの途中に配置された後述する各要素とからなる。
【００２１】
窒素ガスボンベ５２は、手動のボンベバルブ５６を介してレギュレータ５８に接続され、レギュレータ５８は、第５の流路５４を介して第１の流路３４ａに接続される。また、第５の流路５４の途中には、第３の電磁バルブ６０が配置される。
【００２２】
また、前記したエジェクタ４０には、パージガス排出系７０が接続される。パージガス排出系７０は、エジェクタ４０に接続されたパージガス排出路７２と、パージガス排出路７２の途中に配置された第４の電磁バルブ７４とからなる。
【００２３】
また、燃料電池１２は、空気極の排出側に接続された反応空気排出口８０ａと、冷却空気流路の排出側に接続された冷却空気排出口８０ｂとを備える。反応空気排出口８０ａには、図示しない気液分離膜が設けられる。また、燃料電池１２は、生成水供給管８４を備える。生成水供給管８４は、その一端が反応空気排出口８０ａにおいて前記気液分離膜よりも上流側に接続されると共に、他端がエアフィルタ２６に接続される。尚、エアフィルタ２６は、反応空気排出口８０ａよりも下方（重力方向において下方）に配置される。
【００２４】
燃料電池１２の出力端子には、出力回路１００が接続される。出力回路１００は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２およびリレー１０４を介して図示しない外部機器に接続されると共に、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６を介してＥＣＵ１１０（電子制御ユニット）に接続される。ＥＣＵ１１０には、外部からオン・オフ自在な運転スイッチ１１２が接続されると共に、前記したリレー１０４が接続される。
【００２５】
次いで、上記した構成を前提に燃料電池１２の発電動作について説明する。
【００２６】
水素ガスボンベ３２に封入された高圧の水素は、ボンベバルブ３６が手動で開弁されることによってレギュレータ３８に供給される。レギュレータ３８で減圧、調圧された水素ガスは、メインバルブ４２が手動で操作（開弁）されることによって第１の流路３４ａを介してエジェクタ４０に供給され、さらに第３の流路３４ｃを介して燃料電池１２の燃料極に供給される。尚、図１に示す第１から第４の電磁バルブ４４，４６，６０，７４は、燃料電池１２の非運転時に水素ガスや窒素ガスが外部に流出するのを防止するため、燃料電池１２の運転終了時に全て閉弁されているものとする。換言すれば、第１から第４の電磁バルブ４４，４６，６０，７４は、いずれもノーマル・クローズ型の電磁バルブ（非通電時に閉弁し、通電時に開弁する電磁バルブ）である。
【００２７】
燃料電池１２の各単電池１４では、燃料極に供給された水素ガスが空気極に存在する反応空気（酸素）と電気化学反応を生じることにより、発電が開始される。尚、燃料極に供給された水素ガスのうち、空気との電気化学反応に供されなかった未反応ガスは、第４の流路３４ｄを介してエジェクタ４０に還流され、第３の流路３４ｃを介して再度燃料極に供給される。
【００２８】
燃料電池１２の発電が開始されると、その電力は出力回路１００に設けられた第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６で適宜な大きさの直流電圧に変換された後、ＥＣＵ１１０に動作電源として供給される。
【００２９】
電力の供給を受けて起動させられたＥＣＵ１１０は、第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６を開弁し、第２の流路３４ｂを介して水素ガスを燃料極に供給する。また、エアブロワ２２を動作させて冷却空気を冷却空気流路に供給すると共に、反応空気を空気極に供給する。
【００３０】
空気極を通過した反応空気、および各単電池１４の冷却に使用された冷却空気は、それぞれ反応空気排出口８０ａと冷却空気排出口８０ｂを介して燃料電池１２の内部から排出される。
【００３１】
尚、ＥＣＵ１１０が起動して第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６が開弁されると、メインバルブ４２を手動で操作する必要がなくなる。このため、ＥＣＵ１１０は、燃料電池１２の発電が開始されてＥＣＵ１１０が起動したこと、換言すれば、外部機器への電力供給の準備が整ったことを、音声や表示などの適宜な報知手段（図示せず）を介して操作者に報知する。
【００３２】
そして、外部機器への電力供給の準備が整ったことを知った操作者によって運転スイッチ１１２が手動で操作（オン）されると、ＥＣＵ１１０は、出力回路１００に設けられたリレー１０４を動作させて第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２と外部機器を導通させる。これにより、燃料電池１２で発電された電力は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２で適宜な大きさの直流電圧に変換された後、リレー１０４を介して外部機器へと供給される。
【００３３】
また、ＥＣＵ１１０は、図示しない電圧センサの出力に基づき、各電磁バルブを動作させて燃料電池１２のパージを実行する。具体的には、電圧センサの検出値が所定値以下に低下したとき、第２の流路３４ｂに配置された第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６を閉弁すると共に、第５の流路５４に配置された第３の電磁バルブ６０とパージガス排出路７２に配置された第４の電磁バルブ７４を開弁する。
【００３４】
これにより、水素ガスの供給が遮断される一方、窒素ガスボンベ５２に封入された高圧の窒素がボンベバルブ５６を介してレギュレータ５８に供給され、そこで減圧、調圧された後に第５の流路５４、エジェクタ４０および第３の流路３４ｃを介して燃料電池１２の燃料極に供給される。尚、ボンベバルブ５６は、燃料電池１２の運転開始時に操作者によって予め開弁されるものとする。
【００３５】
燃料極に供給された窒素ガスは、燃料極内に滞留した不反応ガスや生成水を燃料電池１２内から押し出しつつ、第４の流路３４ｄ、エジェクタ４０、パージガス排出路７２を介して外部に排出される。
【００３６】
また、燃料電池１２の発電に伴って空気極に生成された生成水は、使用済みの反応空気と共に反応空気排出口８０ａから排出され、前記気液分離膜によってガス成分から分離された後、生成水供給管８４を介してエアフィルタ２６の内部に供給される。
【００３７】
図２は、エアブロワ２２とエアフィルタ２６の斜視図である。
【００３８】
図２に示す如く、エアブロワ２２は空気取入口２２ａを上方（重力方向において上方）に向けて配置される。エアブロワ２２の空気取入口２２ａには、エアフィルタ２６が取り付けられる。即ち、エアフィルタ２６は、エアブロワ２２の上部に取り付けられる。
【００３９】
エアフィルタ２６は、不織布からなる円筒状のエレメント２６ａと、エレメント２６ａの上部に取り付けられるエレメントボディ２６ｂとを備える。エレメントボディ２６ｂには注水口２６ｃが突設され、注水口２６ｃには前記した生成水供給管８４が接続される。尚、図示は省略するが、エアブロワ２２の送風口２２ｂには前記した反応空気供給路２４ａと冷却空気供給路２４ｂが接続される。
【００４０】
図３は、エアブロワ２２の分解斜視図である。
【００４１】
図３に示すように、エアブロワ２２は、ブロワケース２２ｃと、ブロワケース２２ｃの内部に収容される遠心式のファン２２ｄと、ブロワケース２２ｃの内部に収容されてファン２２ｄを回転させる電動モータ２２ｅと、ブロワケース２２ｃに取り付けられてファン２２ｄと電動モータ２２ｅが収容される空間を封止するブロワカバー２２ｆとを備える。
【００４２】
電動モータ２２ｅは、その両端に出力軸（符号２２ｇと符号２２ｈで示す）を備えると共に、各出力軸２２ｇ，２２ｈが上下方向と平行になるように配置される。即ち、電動モータ２２ｅは、その上端と下端に上下軸周りに回転する出力軸２２ｇ，２２ｈを備える。ファン２２ｄは、電動モータ２２ｅの２本の出力軸の中、下端に配置された出力軸２２ｇに接続され、よって上下軸周りに回転させられる。
【００４３】
図４は、エアフィルタ２６の分解斜視図である。
【００４４】
図２と図４に示すように、エアフィルタ２６の内部には回転体１２０（生成水飛散機構）が配置される。回転体１２０は略円錐状を呈し、その頂部が前記した注水口２６ｃの直下に位置するように配置される。また、回転体１２０は、電動モータ２２ｅの２本の出力軸の中、上端に配置された出力軸２２ｈに接続され、よってファン２２ｄと共に電動モータ２２ｅによって上下軸周りに回転させられる。
【００４５】
回転体１２０は、その底面の周囲に凹状の受け部１２０ａを備える。また、回転体１２０の側面には、頂部から受け部１２０ａにわたって連続して形成された羽部１２０ｂが複数枚、等間隔に設けられる。
【００４６】
次いで、反応空気の加湿動作について説明すると、燃料電池１２が発電することによって空気極で生成された生成水は、反応空気排出口８０ａから排出された後、生成水供給管８４と注水口２６ｃを介して回転体１２０に滴下される。
【００４７】
このとき、回転体１２０はファン２２ｄと共に電動モータ２２ｅによって回転させられていることから、回転体１２０に滴下された生成水は、遠心力によって羽部１２０ｂから周囲のエアフィルタ２６に向かって飛散され、エアフィルタ２６に付着（吸収）させられる。これにより、エアブロワ２２で吸引された空気は、エアフィルタ２６を通過する際、そこに付着された生成水によって加湿される。尚、燃料電池１２の運転停止後（エアブロワ２２の停止後）に回転体１２０に滴下された生成水は、前記した受け部１２０ａに滞留し、次回の運転が開始されたときに飛散されてエアフィルタ２６に付着させられる。
【００４８】
このように、この実施例に係る燃料電池の空気加湿装置にあっては、円筒状のエアフィルタ２６の内部に回転体１２０を設けると共に、燃料電池１２の発電に伴って発生した生成水を、生成水供給管８４を介して回転体１２０に滴下し、その遠心力を利用して周囲のエアフィルタ２６に向けて飛散して付着（吸収）させ、よってエアフィルタ２６を通過する反応空気を加湿するように構成したので、反応空気を加湿するための構成を簡素化することができ、装置の大型化と重量の増加を抑制することができる。
【００４９】
また、回転体１２０を円錐状としたので、簡易な構成でありながら生成水をエアフィルタ２６全体に斑なく飛散させることができ、よって反応空気をより効果的に加湿することができる。
【００５０】
また、回転体１２０を、エアブロワ２２の電動モータ２２ｅによってファン２２ｄと共に回転させるようしたので、構成が一層簡素となり、装置の大型化と重量の増加をより効果的に抑制することができる。
【００５１】
以上の如く、この発明の第１実施例にあっては、燃料電池（１２）に供給される反応空気を加湿する燃料電池の空気加湿装置において、前記燃料電池に前記反応空気を供給するエアブロワ（２２）と、前記エアブロワ（２２）の空気取入口（２２ａ）に配置されたエアフィルタ（２６）と、前記燃料電池（１２）の発電によって生成された生成水を前記エアフィルタ（２６）の内部に供給する生成水供給管（８４）と、および前記エアフィルタ（２６）の内部に配置されると共に、前記供給された生成水を前記エアフィルタ（２６）に向けて飛散させる生成水飛散機構（回転体１２０）とを備えるように構成した。
【００５２】
また、前記生成水飛散機構（１２０）が、前記供給された生成水が滴下される円錐状の回転体（１２０）からなるように構成した。
【００５３】
また、前記エアブロワ（２２）が、ファン（２２ｄ）と、前記ファン（２２ｄ）を回転させる電動モータ（２２ｅ）とを備えると共に、前記回転体（１２０）が、前記電動モータ（２２ｅ）によって前記ファン（２２ｄ）と共に回転させられるように構成した。
【００５４】
尚、上記において、回転体１２０を円錐状としたが、他の形状であっても良い。また、回転体１２０を、エアブロワ２２のファン２２ｄと共に電動モータ２２ｅによって回転させるようにしたが、ファン２２ｄとは別のアクチュエータで回転させるようにしても良いし、ファン２２ｄが発生する渦流で回転させるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】この発明の第１実施例に係る燃料電池の空気加湿装置を燃料電池ユニットの一部として示す概略図である。
【図２】図１に示すエアブロワとエアフィルタの斜視図である。
【図３】図２に示すエアブロワの分解斜視図である。
【図４】図２に示すエアフィルタの分解斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
１２      燃料電池
２２      エアブロワ
２２ａ    空気取入口
２２ｄ    ファン
２２ｅ    電動モータ
２６      エアフィルタ
８４      生成水供給管
１２０    回転体（生成水飛散機構）
【図１】
2005302441.tif 000003
【図２】
2005302441.tif 000004
【図３】
2005302441.tif 000005
【図４】
2005302441.tif 000006