(57)【要約】【課題】燃料電池に冷却空気や反応空気を供給するためのファンを駆動するのに必要な消費電力を低下させると共に、燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制するようにした燃料電池の空気供給装置を提供する。【解決手段】エアブロワによって吸引した空気をアノードセパレータ１４ａに形成された冷却空気流路溝１４ａ２に冷却空気として供給すると共に、冷却空気流路溝１４ａ２の排出側１４ａ６とカソードセパレータ１４ｃに形成された反応空気流路溝１４ｃ２（空気極）の吸入側１４ｃ５を連通するマニホールド２２を設け、よって冷却空気流路溝１４ａ２から排出された冷却排気をマニホールド２２を介して空気極に反応空気として供給する。また、マニホールド２２に、冷却排気の一部を外部に排出する排出口２２ｃを設け、空気極に供給される冷却排気の流量を調節する。【選択図】図５
2005038724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気供給ファンによって燃料電池の冷却空気流路溝に冷却空気を供給すると共に、前記燃料電池の空気極に反応空気を供給する燃料電池の空気供給装置において、前記冷却空気流路溝の排出側と前記空気極の吸入側を連通する連通部材を設け、よって前記冷却空気流路溝から排出された冷却排気が前記連通部材を介して前記空気極に反応空気として供給されるように構成したことを特徴とする燃料電池の空気供給装置。
【請求項２】
前記連通部材が、前記冷却排気の一部を外部に排出する排出口を備え、よって前記空気極に供給される冷却排気の流量が調節されるように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の空気供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極に供給された水素と空気極に供給された反応空気（酸素）が電気化学反応を引き起こすことによって発電するが、前記空気極への反応空気の供給は、通常、ファン（エアブロワ）によって行われていた。また、燃料電池には、発電による温度上昇を抑制するための冷却空気が供給されるが、かかる冷却空気の供給は、従来、反応空気を供給するためのファンとは別体に設けられたファンによって行われていた（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−６７７７号公報（図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のように、従来技術にあっては、反応空気供給用と冷却空気供給用の２個のファンを使用していたため、消費電力が大きくなると共に、それらが取り付けられる燃料電池ユニットの大型化や重量増を招くといった不具合があった。
【０００４】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池に冷却空気や反応空気を供給するためのファンを駆動するのに必要な消費電力を低下させると共に、燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制するようにした燃料電池の空気供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、空気供給ファンによって燃料電池の冷却空気流路溝に冷却空気を供給すると共に、前記燃料電池の空気極に反応空気を供給する燃料電池の空気供給装置において、前記冷却空気流路溝の排出側と前記空気極の吸入側を連通する連通部材を設け、よって前記冷却空気流路溝から排出された冷却排気が前記連通部材を介して前記空気極に反応空気として供給されるように構成した。
【０００６】
また、請求項２にあっては、前記連通部材が、前記冷却排気の一部を外部に排出する排出口を備え、よって前記空気極に供給される冷却排気の流量が調節されるように構成した。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１にあっては、空気供給ファンによって燃料電池の冷却空気流路溝に冷却空気を供給すると共に、前記燃料電池の空気極に反応空気を供給する燃料電池の空気供給装置において、前記冷却空気流路溝の排出側と前記空気極の吸入側を連通する連通部材を設け、よって前記冷却空気流路溝から排出された冷却排気が前記連通部材を介して前記空気極に反応空気として供給されるように構成した、即ち、１個のエアブロワを駆動することで、燃料電池に冷却空気と反応空気の双方を供給するように構成したので、空気供給用のファンを駆動するのに必要な消費電力を低下させることができると共に、燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制することができる。
【０００８】
また、外気より温度の高い冷却排気を反応空気として使用することから、飽和水蒸気量が多くなり、空気極に滞留した生成水（蒸気）をより多く排出する（持ち去る）ことができる。
【０００９】
また、請求項２にあっては、冷却空気流路溝の排出側と空気極の吸入側を連通する連通部材が、冷却排気の一部を外部に排出する排出口を備え、よって空気極に供給される冷却排気の流量が調節されるように構成したので、流量の多い冷却排気を反応空気として使用した場合であっても、最適な量の反応空気を空気極に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の空気供給装置の最良の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池の空気供給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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
燃料電池１２には、燃料電池１２に冷却空気を供給するエアブロワ２０が接続されると共に、単電池１４に形成された冷却空気流路溝の排出側と反応空気流路溝の吸入側（共に図１で図示せず）を連通するマニホールド２２（前記した連通部材）が設けられる。
【００１５】
また、燃料電池１２には、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（燃料供給路）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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
また、前記したエジェクタ４０には、パージガス排出系８０が接続される。パージガス排出系８０は、エジェクタ４０に接続されたパージガス排出路８２と、パージガス排出路８２の途中に配置された第４の電磁バルブ８４とからなる。
【００２１】
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。
【００２２】
また、燃料電池１２の各単電池１４には、電圧センサ１１６が設けられる。電圧センサ１１６は、燃料電池１２の出力電圧Ｖの大きさに応じた信号を出力し、その出力はＥＣＵ１１０に送出される。
【００２３】
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。
【００２４】
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４４，４６，６０，８４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４４，４６，６０，８４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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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と共に、エアブロワ２０を動作させる。
【００２８】
エアブロワ２０で吸引された空気は、冷却空気として単電池１４の冷却空気流路溝に供給される。冷却空気流路溝を通過した冷却排気は、その一部が外部へと排出される一方、残りはマニホールド２２の内部で反転させられて反応空気流路溝に反応空気として供給される。反応空気流路溝を通過した反応空気は、排気として外部に排出される。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
また、ＥＣＵ１１０は、電圧センサ１１６の出力などに基づき、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１１６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８２に配置された第４の電磁バルブ８４を開弁する。
【００３２】
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。
【００３３】
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８２を介して燃料電池１２の外部に排出される。
【００３４】
図２は、燃料電池１２の斜視図である。
【００３５】
図２に示すように、燃料電池１２はケース１２Ａを備え、ケース１２Ａの内部には前記した単電池１４が積層されて配置される。ケース１２Ａの側面１２ａ（より具体的には、単電池１４の積層方向Ｄの延長線上に位置する側面）には、図示しない冷却空気供給口が設けられ、それを介してエアブロワ２０が接続される。エアブロワ２０の吸気口には、エアフィルタ２０ａが取り付けられる。また、エアブロワ２０はスクロールカバー２０ｂを備え、その内部には、電動モータ２０ｃの出力軸に固定されたファン（図示せず）が配置される。また、燃料電池の側面１２ａには水素ガス供給口１２ｂが設けられ、前記した水素ガス供給系３０、より具体的には、供給側の第３の流路３４ｃが接続される。
【００３６】
また、ケース１２Ａの側面１２ｃ（前記した側面１２ａと直交する側面）には、前記したマニホールド２２が４個のボルト１２０を介して取り付けられる。
【００３７】
図３は、マニホールド２２を取り外して示す燃料電池１２の斜視図である。
【００３８】
図３に示すように、側面１２ｃには、長方形の２個の開口部（符号１２４と１２６で示す）が、それらの長辺が前記積層方向Ｄと平行になるように穿設される。そのうち、符号１２４で示す開口部は、冷却排気が吐出される吐出口（以下「冷却排気吐出口」という）であり、後述する冷却空気流路溝の排出側と連通される。また、符号１２６で示す開口部は、反応空気の吸入口（以下「反応空気吸入口」という）であり、後述する空気極の吸入側と連通される。図示の如く、冷却排気吐出口１２４は、反応空気吸入口１２６より大きく形成される。
【００３９】
図４は、マニホールド２２をケース１２Ａの側面１２ｃと接する側から見た斜視図である。図３および図４に示すように、マニホールド２２は、側面１２ｃと離間する方向に凸状に形成される。また、その凸状の内部には、前記積層方向Ｄと直行する複数枚（具体的には５枚）の隔壁２２ａ（図４に示す）が設けられ、よって複数個（具体的には６個）の連通路２２ｂが形成される。
【００４０】
マニホールド２２は、冷却排気吐出口１２４と反応空気吸入口１２６を覆うように側面１２ｃに取り付けられる。これにより、冷却排気吐出口１２４と反応空気吸入口１２６は、前記した連通路２２ｂを介して連通させられる。尚、マニホールド２２と側面１２ｃの間にはポリエチレン系のシール材１２８が介挿され、よってマニホールド２２は、側面１２ｃに気密に取り付けられる。
【００４１】
また、マニホールド２２において、冷却排気吐出口１２４の延長線上に位置する部位には、排出口２２ｃが複数個、具体的には、各連通路２２ｂに２個ずつ、計１２個穿設される。
【００４２】
図５は、燃料電池１２における冷却空気および反応空気の流れを示す説明図である。
【００４３】
図５に示すように、単電池１４は、アノードセパレータ１４ａと、電解質膜１４ｂと、カソードセパレータ１４ｃとを備える。アノードセパレータ１４ａ、電解質膜１４ｂおよびカソードセパレータ１４ｃには、それぞれ冷却空気の流路となる冷却空気供給連通孔１４ａ１，１４ｂ１，１４ｃ１が穿設され、冷却空気供給連通孔１４ａ１，１４ｂ１，１４ｃ１は、前記したエアブロワ２０に接続される。
【００４４】
アノードセパレータ１４ａには、冷却空気の流路となる冷却空気流路溝１４ａ２が形成され、冷却空気流路溝１４ａ２は、前記した冷却空気供給連通孔１４ａ１と接続（連通）される。また、カソードセパレータ１４ｃには、反応空気の流路となる反応空気流路溝１４ｃ２が形成される。
【００４５】
また、アノードセパレータ１４ａ、電解質膜１４ｂおよびカソードセパレータ１４ｃには、それぞれ水素ガスの供給側の流路となる水素ガス供給連通孔１４ａ３，１４ｂ３，１４ｃ３が穿設され、それらは前記した第３の流路３４ｃに接続される。さらに、アノードセパレータ１４ａ、電解質膜１４ｂおよびカソードセパレータ１４ｃには、それぞれ水素ガスの排出側の流路となる水素ガス排出連通孔１４ａ４，１４ｂ４，１４ｃ４が穿設され、それらは前記した第４の流路３４ｄに接続される。尚、アノードセパレータ１４ａに形成された水素ガス供給連通孔１４ａ３と水素ガス排出連通孔１４ａ４は、アノードセパレータ１４ａにおいて冷却空気流路溝１４ａ２が形成された面の裏面に形成された水素ガス流路溝（図示せず）を介し、接続（連通）される。
【００４６】
エアブロワ２０で吸引された空気は、冷却空気供給連通孔１４ａ１，１４ｂ１，１４ｃ１を通過し、アノードセパレータ１４ａの一方の面に形成された冷却空気流路溝１４ａ２に、その吸入側１４ａ５から冷却空気として供給される。
【００４７】
冷却空気流路溝１４ａ２に供給された冷却空気は、発電によって発生した熱を吸収して温度上昇させられた後、冷却空気流路溝１４ａ２の排出側１４ａ６から冷却排気として排出され、前記した冷却排気吐出口１２４（図５で図示せず）を介してマニホールド２２の連通路２２ｂに流入させられる。
【００４８】
連通路２２ｂに流入した冷却排気は、連通路２２ｂの内部で反転させられ、カソードセパレータ１４ｃに形成された反応空気流路溝１４ｃ２（空気極）に、その吸入側１４ｃ５から反応空気として供給される。反応空気流路溝１４ｃ２に供給された反応空気は、排出側１４ｃ６からオフガスとして燃料電池１２の外部に排出される。
【００４９】
また、連通路２２ｂに流入させられた冷却排気の一部は、マニホールド２２に穿設された排出口２２ｃを介して燃料電池１２の外部に排出される。即ち、冷却排気の一部が排出口２２ｃを介して外部に排出されることにより、空気極に反応空気として供給される冷却排気の流量が調節される。これは、必要とされる反応空気の流量が、冷却空気の流量に比して少ないためである。従って、排出口２２ｃの総面積は、空気極に最適な量の反応空気を供給する、より具体的には、冷却排気の１０分の１程度の流量が反応空気として空気極に供給されるように、適宜設定される。
【００５０】
このように、第１実施例にあっては、エアブロワ２０によって吸引した空気をアノードセパレータ１４ａに形成された冷却空気流路溝１４ａ２に冷却空気として供給すると共に、冷却空気流路溝１４ａ２の排出側１４ａ６とカソードセパレータ１４ｃに形成された反応空気流路溝１４ｃ２（空気極）の吸入側１４ｃ５を連通するマニホールド２２を設け、よって冷却空気流路溝１４ａ２から排出された冷却排気がマニホールド２２を介して空気極に反応空気として供給されるように構成した、即ち、１個のエアブロワ２０を駆動することで、燃料電池１２に冷却空気と反応空気の双方を供給するように構成したので、空気供給用のファン（エアブロワ）を駆動するのに必要な消費電力を低下させることができると共に、燃料電池ユニット１０の大型化および重量増を抑制することができる。
【００５１】
また、発電によって発生した熱を吸収して外気より温度が上昇させられた冷却空気を反応空気として使用するようにしたことから、外気をそのまま反応空気として使用する場合に比して飽和水蒸気量が多くなり、よって空気極に滞留した生成水（蒸気）をより多く排出する（持ち去る）ことができる。
【００５２】
さらに、マニホールド２２に、冷却排気の一部を外部に排出する排出口２２ｃを設け、空気極に供給される冷却排気の流量を調節するように構成したので、流量の多い冷却排気を反応空気として使用した場合であっても、最適な量の反応空気を空気極に供給することができる。
【００５３】
以上の如く、この発明の第１実施例にあっては、空気供給ファン（エアブロワ２０）によって燃料電池（１２）の冷却空気流路溝（１４ａ２）に冷却空気を供給すると共に、前記燃料電池（１２）の空気極に反応空気を供給する燃料電池の空気供給装置において、前記冷却空気流路溝（１４ａ２）の排出側（１４ａ６）と前記空気極の吸入側（反応空気流路溝１４ｃ２の吸入側１４ｃ５）を連通する連通部材（マニホールド２２）を設け、よって前記冷却空気流路溝（１４ａ２）から排出された冷却排気が前記連通部材（２２）を介して前記空気極に反応空気として供給されるように構成した。
【００５４】
また、前記連通部材（２２）が、前記冷却排気の一部を外部に排出する排出口（２２ｃ）を備え、よって前記空気極に供給される冷却排気の流量が調節されるように構成した。
【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供給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に示す燃料電池の斜視図である。
【図３】図２に示す燃料電池を、マニホールドを取り外して示す斜視図である。
【図４】図３に示すマニホールドを燃料電池のケースの側面と接する側から見た斜視図である。
【図５】図２に示す燃料電池における冷却空気および反応空気の流れを示す説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１２      燃料電池
１４      単電池
１４ａ２  冷却空気流路溝
１４ａ６  冷却空気流路溝の排出側
１４ｃ２  反応空気流路溝
１４ｃ５  反応空気流路溝の吸入側
２０      エアブロワ（空気供給ファン）
２２      マニホールド（連通部材）
２２ｃ    排出口
【図１】
2005038724.tif 000003
【図２】
2005038724.tif 000004
【図３】
2005038724.tif 000005
【図４】
2005038724.tif 000006
【図５】
2005038724.tif 000007