(57)【要約】【課題】カソードガス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カソードガス加湿装置を提供する。【解決手段】燃料電池に供給されるカソードガスの流路と燃料電池から排出されたカソードオフガスの流路を導水管で接続し、カソードオフガスに含まれる生成水をカソードガスマニホールド（２６ａ）に供給すると共に、カソードガスマニホールド（２６ａ）に、供給された生成水の蒸発を促進するウィック（２６ｄ）を設け、よってカソードガスマニホールド（２６ａ）を通過するカソードガスを加湿する。【選択図】図４
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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カソードガスを加湿する燃料電池のカソードガス加湿装置において、前記カソードガスが通過するカソードガス流路と、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが通過するカソードオフガス流路と、前記カソードガス流路と前記カソードオフガス流路を接続して前記カソードオフガスに含まれる生成水を前記カソードガス流路に供給する導水管と、および前記カソードガス流路に供給された生成水の蒸発を促進する蒸発促進手段とを備えることを特徴とする燃料電池のカソードガス加湿装置。
【請求項２】
前記蒸発促進手段が、前記カソードガス流路に設けられたウィックからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池のカソードガス加湿装置。
【請求項３】
前記カソードオフガス流路において前記導水管が接続される部位が、前記カソードガス流路において前記導水管が接続される部位よりも重力方向において上方に配置されることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池のカソードガス加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池のカソードガス加湿装置に関する。
【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、燃料電池の空気極に供給されるカソードガス（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カソードガス加湿装置が数多く提案されている。
【０００３】
カソードガスの加湿には、燃料電池の発電に伴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カソードガス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、上記した従来技術にあっては、カソードガスを加湿するための専用の加湿器と、それに生成水を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、カソードガス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カソードガス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カソードガスを加湿する燃料電池のカソードガス加湿装置において、前記カソードガスが通過するカソードガス流路と、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが通過するカソードオフガス流路と、前記カソードガス流路と前記カソードオフガス流路を接続して前記カソードオフガスに含まれる生成水を前記カソードガス流路に供給する導水管と、および前記カソードガス流路に供給された生成水の蒸発を促進する蒸発促進手段とを備えるようにした。
【０００７】
また、請求項２にあっては、前記蒸発促進手段が、前記カソードガス流路に設けられたウィックからなるように構成した。
【０００８】
また、請求項３にあっては、前記カソードオフガス流路において前記導水管が接続される部位が、前記カソードガス流路において前記導水管が接続される部位よりも重力方向において上方に配置されるように構成した。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る燃料電池のカソードガス加湿装置にあっては、カソードガスが通過するカソードガス流路と、燃料電池から排出されたカソードオフガスが通過するカソードオフガス流路と、カソードガス流路とカソードオフガス流路を接続してカソードオフガスに含まれる生成水をカソードガス流路に供給する導水管と、カソードガス流路に供給された生成水の蒸発を促進する蒸発促進手段とを備えるようにしたので、カソードガス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に係る燃料電池のカソードガス加湿装置にあっては、蒸発促進手段がカソードガス流路に設けられたウィックからなるようにしたので、構成がより簡素となり、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。
【００１１】
また、請求項３に係る燃料電池のカソードガス加湿装置にあっては、カソードオフガス流路において導水管が接続される部位が、カソードガス流路において導水管が接続される部位よりも重力方向において上方に配置されるように構成したので、カソードオフガスに含まれる生成水を、動力源を使用することなく簡易かつ確実にカソードガス流路に供給することができる。このため、構成がより一層簡素となり、装置の大型化と重量の増加をより一層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カソードガス加湿装置の最良の実施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カソードガス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カソードガス加湿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（セル）１４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、それを挟持するカソード電極（空気極）とアノード電極（燃料極）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にカソードガス（反応空気）と冷却ガス（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、エアブロワ２２と、カソードガス供給路２４ａと、冷却ガス供給路２４ｂと、吸気マニホールドユニット２６とからなる。吸気マニホールドユニット２６は、燃料電池１２のカソードガス吸入口（図示せず）に接続されるカソードガスマニホールド（後述）と、燃料電池１２の冷却ガス吸入口（図示せず）に接続される冷却ガスマニホールド（後述）が一体に形成されてなり、エアブロワ２２は、カソードガス供給路２４ａを介してかかるカソードガスマニホールドに接続されると共に、冷却ガス供給路２４ｂを介して冷却ガスマニホールドに接続される。
【００１７】
また、燃料電池１２には、燃料電池１２にアノードガス（水素ガス）を供給するアノードガス供給系３０が接続される。アノードガス供給系３０は、アノードガスを高圧で封入したガスボンベ３２と、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】
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（手動弁）４２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の各アノード電極に接続される。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に供給するパージガス供給系５０が接続される。パージガス供給系５０は、パージガスを高圧で封入したガスボンベ５２と、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】
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には、空気排出系８０が接続される。空気排出系８０は、排気マニホールドユニット８２と、カソードオフガス排出路８４ａと、冷却オフガス排出路８４ｂとからなる。排気マニホールドユニット８２は、燃料電池１２のカソードガス排出口（図示せず）に接続されるカソードオフガスマニホールド（後述）と、燃料電池１２の冷却ガス排出口（図示せず）に接続される冷却オフガスマニホールド（後述）が一体に形成されてなり、カソードオフガス排出路８４ａはかかるカソードオフガスマニホールドに接続される。また、冷却オフガス排出路８４ｂは冷却オフガスマニホールドに接続される。
【００２４】
さらに、排気マニホールドユニット８２（具体的には、その中のカソードオフガスマニホールド）は、導水管９０を介してカソードガス供給路２４ａに接続される。
【００２５】
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、マイクロコンピュータからなるＥＣＵ（電子制御ユニット）１１０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。
【００２６】
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。
【００２７】
ガスボンベ３２に封入された高圧のアノードガスは、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、調圧されたアノードガスは、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のアノード電極に供給される。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の非運転時にアノードガスやパージ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。
【００２８】
燃料電池１２の各単電池１４では、アノード電極に供給されたアノードガスがカソード電極に存在するカソードガス（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、アノード電極に供給されたアノードガスのうち、カソードガス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を介して再度アノード電極に供給される。
【００２９】
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。
【００３０】
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を介してアノードガスをアノード電極に供給すると共に、エアブロワ２２を動作させる。
【００３１】
エアブロワ２２で吸引された空気の一部は、カソードガス供給路２４ａとカソードガスマニホールドを介して燃料電池１２のカソード電極にカソードガスとして供給されると共に、残余は冷却ガス供給路２４ｂと冷却ガスマニホールドを介して燃料電池１２の冷却ガス流路（図示せず）に冷却ガスとして供給される。このように、カソードガス供給路２４ａとカソードガスマニホールドがカソードガスの流路となる。以下、カソードガス供給路２４ａとカソードガスマニホールドを「カソードガス流路」と総称する。
【００３２】
カソード電極を通過したカソードオフガスは、カソードオフガスマニホールドとカソードオフガス排出路８４ａを介して燃料電池１２から排出される。また、冷却ガス流路を通過した冷却オフガスは、冷却オフガスマニホールドと冷却オフガス排出路８４ｂを介して燃料電池１２の外部に排出される。このように、カソードオフガスマニホールドとカソードオフガス排出路８４ａが燃料電池１２から排出されたカソードオフガスの流路となる。以下、カソードオフガスマニホールドとカソードオフガス排出路８４ａを「カソードオフガス流路」と総称する。
【００３３】
また、燃料電池１２の発電に伴って生成された生成水は、カソードオフガスと共にカソードオフガスマニホールドに排出されると共に、導水管９０を介してカソードガス供給路２４ａに供給される。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
これにより、アノードガスの供給が遮断される一方、ガスボンベ５２に封入された高圧のパージガスがボンベバルブ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のアノード電極に供給される。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。
【００３８】
アノード電極に供給されたパージガスは、アノード電極内に滞留した不反応ガスなどを燃料電池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を介して燃料電池１２の外部に排出される。
【００３９】
図２および図３は、燃料電池１２の斜視図である。
【００４０】
図２に示すように、燃料電池１２の側面には前記した吸気マニホールドユニット２６が取り付けられる。吸気マニホールドユニット２６において重力方向における下部にはカソードガスマニホールド２６ａが形成されると共に、上部には冷却ガスマニホールド２６ｂが形成される。また、吸気マニホールドユニット２６が取り付けられる側面と直交する側面には、前記した第３の流路３４ｃと第４の流路３４ｄ（それぞれ一部のみ示す）が接続される。
【００４１】
また、図３に示すように、燃料電池１２において吸気マニホールドユニット２６が取り付けられた側面に対向する側面には、前記した排気マニホールドユニット８２が取り付けられる。排気マニホールドユニット８２において重力方向における上部にはカソードオフガスマニホールド８２ａが形成されると共に、下部には冷却オフガスマニホールド８２ｂが形成される。
【００４２】
カソードオフガスマニホールド８２ａには、図示の如く、カソードオフガス排出路８４ａ（一部のみ示す）が接続される。また、カソードオフガスマニホールド８２ａの最下部には、導水管９０の上端が接続される。一方、導水管９０の下端は、カソードガス供給路２４ａ（一部のみ示す）においてカソードオフガスマニホールド８２ａよりも重力方向において下方に位置する部位に接続される。
【００４３】
即ち、カソードオフガス流路において導水管９０が接続される部位は、カソードガス流路において導水管９０が接続される部位よりも重力方向において上方に配置される。従って、カソードオフガスと共に燃料電池１２から排出された生成水は、導水管９０を介してカソードオフガス流路からカソードガス流路に（具体的には、カソードオフガスマニホールド８２ａからカソードガス供給路２４ａに）供給される。
【００４４】
また、カソードガス供給路２４ａにおいて導水管９０の下端が接続される部位は、前記したカソードガスマニホールド２６ａよりも重力方向において上方に位置させられる。従って、カソードガス供給路２４ａに供給された生成水は、さらにカソードガス供給路２４ａを通過してカソードガスマニホールド２６ａに供給される。
【００４５】
図４は、吸気マニホールドユニット２６の拡大斜視図である。
【００４６】
図４に示すように、カソードガスマニホールド２６ａの内部底面には、供給された生成水が貯留されるべき貯水部２６ｃが形成される。また、貯水部２６ｃには、複数個（具体的には３個）のウィック（蒸発促進手段）２６ｄが設けられる。各ウィック２６ｄは、平面視において長方形を呈すると共に、カソードガス供給路２４ａの出口２４ａ１を中心として放射状に（より具体的には、カソードガスの流れ方向に平行となるように）配置される。
【００４７】
図５は、ウィック２６ｄの拡大斜視図である。
【００４８】
図５に示すように、ウィック２６ｄは、重力方向に直立させられた格子状のフレーム２６ｅに貼り付けられる。フレーム２６ｅの高さ（即ち、ウィック２６ｄの高さ）は、カソードガスマニホールド２６ａへのカソードガスの流入を妨げない程度の値、具体的には、カソードガスマニホールド２６ａの高さの２分の１以下に設定される。また、ウィック２６ｄは、顕著な毛管現象を示す織布、不織布、あるいは多孔質材などの適宜な素材からなる。
【００４９】
フレーム２６ｅの下部には、台座部２６ｆが形成される。台座部２６ｆには、図示しないネジが挿通されるべきネジ挿通孔２６ｇが複数個（具体的には２個）穿設される。また、貯水部２６ｃの底面には、ネジ穴（図示せず）が複数個形成される。ウィック２６ｄは、かかるネジ挿通孔２６ｇとネジ穴をネジで螺合させることにより、貯水部２６ｃの底面に固定される。
【００５０】
ここで、図４を参照してカソードガスの加湿について説明する。燃料電池１２の発電に伴って生成された生成水は、カソードオフガスマニホールド８２ａ、導水管９０およびカソードガス供給路２４ａを介してカソードガスマニホールド２６ａに供給され、貯水部２６ｃに貯留される。貯水部２６ｃに貯留された生成水は、ウィック２６ｄに吸い上げられ、カソードガスマニホールド２６ａを通過するカソードガスにさらされる。これにより、生成水のカソードガスへと蒸発が促進され、よってカソードガスが効果的に加湿される。
【００５１】
このように、この発明に係る燃料電池のカソードガス加湿装置にあっては、カソードガス流路とカソードオフガス流路を接続してカソードオフガスに含まれる生成水をカソードガス流路に供給する導水管９０を設けると共に、カソードガス流路に供給された生成水の蒸発を促進するウィック２６ｄを設けるようにしたので、カソードガス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。
【００５２】
特に、カソードオフガス流路において導水管９０が接続される部位を、カソードガス流路において導水管９０が接続される部位よりも重力方向において上方に配置したので、カソードオフガスに含まれる生成水を、動力源を使用することなく簡易かつ確実にカソードガス流路に供給することができる。このため、構成がより一層簡素となり、装置の大型化と重量の増加をより一層効果的に抑制することができる。
【００５３】
また、ウィック２６ｄを、カソードガスの流れ方向に平行となるようにカソードガス供給路２４ａの出口２４ａ１を中心として放射状に配置したので、ウィック２６ｄに吸い上げられた生成水をより効果的に蒸発させることができ、よってカソードガスをより効果的に加湿することができる。
【００５４】
さらに、ウィック２６ｄの高さをカソードガスマニホールド２６ａの高さの２分の１以下に設定したので、カソードガスマニホールド２６ａへのカソードガスの流入を妨げることもない。
【００５５】
以上のように、この発明の第１実施例にあっては、燃料電池（１２）に供給されるカソードガスを加湿する燃料電池のカソードガス加湿装置において、前記カソードガスが通過するカソードガス流路（カソードガス供給路２４ａ、カソードガスマニホールド２６ａ）と、前記燃料電池（１２）から排出されたカソードオフガスが通過するカソードオフガス流路（カソードオフガスマニホールド８２ａ、カソードオフガス排出路８４ａ）と、前記カソードガス流路（２４ａ，２６ａ）と前記カソードオフガス流路（８２ａ，８４ａ）を接続して前記カソードオフガスに含まれる生成水を前記カソードガス流路（２４ａ，２６ａ）に供給する導水管（９０）と、および前記カソードガス流路（２４ａ，２６ａ）に供給された生成水の蒸発を促進する蒸発促進手段とを備えるようにした。
【００５６】
また、前記蒸発促進手段が、前記カソードガス流路（具体的にはカソードガスマニホールド２６ａ）に設けられたウィック（２６ｄ）からなるように構成した。
【００５７】
また、前記カソードオフガス流路（具体的にはカソードオフガスマニホールド８２ａ）において前記導水管（９０）が接続される部位が、前記カソードガス流路（具体的にはカソードガス供給路２４ａ）において前記導水管（９０）が接続される部位よりも重力方向において上方に配置されるように構成した。
【００５８】
尚、上記において、導水管９０の上端をカソードオフガス流路においてカソードオフガスマニホールド８２ａに接続するようにしたが、カソードオフガス排出路８４ａに接続するようにしても良い。また、導水管９０の下端をカソードガス流路においてカソードガス供給路２４ａに接続するようにしたが、カソードガスマニホールド２６ａに接続するようにしても良い。
【００５９】
また、生成水の蒸発を促進する蒸発促進手段としてウィック２６ｄを例に挙げたが、他の構成を用いても良い。また、貯水部２６ｃとウィック２６ｄをカソードガスマニホールド２６ａに設けたが、カソードガス供給路２４ａに設けるようにしても良い。さらに、ウィック２６ｄの個数や形状、配置方向も、上記に限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明の第１実施例に係る燃料電池のカソードガス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に示す燃料電池の斜視図である。
【図３】同様に、図１に示す燃料電池の斜視図である。
【図４】図２に示す吸気マニホールドユニットの拡大斜視図である。
【図５】図４に示すウィックの拡大斜視図である。
【符号の説明】
【００６１】
１２    燃料電池
２４ａ  カソードガス供給路（カソードガス流路）
２６ａ  カソードガスマニホールド（カソードガス流路）
２４ｄ  ウィック（蒸発促進手段）
８２ａ  カソードオフガスマニホールド（カソードオフガス流路）
９０    導水管
【図１】
2005322578.tif 000003
【図２】
2005322578.tif 000004
【図３】
2005322578.tif 000005
【図４】
2005322578.tif 000006
【図５】
2005322578.tif 000007