(57)【要約】【課題】燃料電池の発電によって生成された生成水を反応空気の加湿に利用しつつ、前記反応空気を加湿するための構成を簡素にして装置の大型化および重量の増加を抑制すると共に、バルブやポンプといった電気機器を不要として電力を消費しない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】反応空気の粉塵を除去するエアフィルタ２２ａと、一端８４ａが燃料電池１２に接続される（具体的には、燃料電池１２の反応空気排出口８０ａの下方に配置される）一方、他端８４ｂがエアフィルタ２２ａの上方に配置される導水管８４とを備えると共に、燃料電池１２の発電によって生成された生成水を導水管８４を介してエアフィルタ２２ａに滴下して含水させ、よってエアフィルタ２２ａを通過して燃料電池１２の空気極に供給される反応空気を加湿する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の空気極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、前記反応空気の粉塵を除去するエアフィルタと、一端が前記燃料電池に接続される一方、他端が前記エアフィルタの上方に配置される導水管とを備えると共に、前記燃料電池の発電によって生成された生成水を前記導水管を介して前記エアフィルタに滴下して含水させ、よって前記エアフィルタを通過して前記燃料電池の空気極に供給される反応空気を加湿するように構成したことを特徴とする燃料電池の空気加湿装置。
【請求項２】
さらに、前記エアフィルタの下方に貯水槽を配置し、前記エアフィルタに吸収されなかった生成水を前記貯水槽に貯留すると共に、前記貯水槽に前記エアフィルタの一部を収容し、よって前記エアフィルタの一部を前記貯留された生成水に浸漬させ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加湿装置。
【請求項３】
前記貯水槽の所定の高さに位置する部位に排水口を設け、よって前記エアフィルタの一部を前記所定の高さまで貯留された生成水に浸漬させるように構成した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。
【請求項４】
前記エアフィルタが、吸湿性を有する材質から製作されるように構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに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】
固体高分子型の燃料電池は、電解質膜の含水量が低下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、上記した従来技術にあっては、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。また、ポンプやバルブを駆動するための電力が必要になる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、燃料電池の発電によって生成された生成水を反応空気の加湿に利用しつつ、前記反応空気を加湿するための構成を簡素にして装置の大型化および重量の増加を抑制すると共に、バルブやポンプといった電気機器を不要として電力を消費しない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、燃料電池の空気極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、前記反応空気の粉塵を除去するエアフィルタと、一端が前記燃料電池に接続される一方、他端が前記エアフィルタの上方に配置される導水管とを備えると共に、前記燃料電池の発電によって生成された生成水を前記導水管を介して前記エアフィルタに滴下して含水させ、よって前記エアフィルタを通過して前記燃料電池の空気極に供給される反応空気を加湿するように構成した。
【０００７】
また、請求項２にあっては、さらに、前記エアフィルタの下方に貯水槽を配置し、前記エアフィルタに吸収されなかった生成水を前記貯水槽に貯留すると共に、前記貯水槽に前記エアフィルタの一部を収容し、よって前記エアフィルタの一部を前記貯留された生成水に浸漬させるように構成した。
【０００８】
また、請求項３にあっては、前記貯水槽の所定の高さに位置する部位に排水口を設け、よって前記エアフィルタの一部を前記所定の高さまで貯留された生成水に浸漬させるように構成した。
【０００９】
また、請求項４にあっては、前記エアフィルタが、吸湿性を有する材質から製作されるように構成した。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１にあっては、反応空気の粉塵を除去するエアフィルタと、一端が燃料電池に接続される一方、他端が前記エアフィルタの上方に配置される導水管とを備えると共に、前記燃料電池の発電によって生成された生成水を前記導水管を介して前記エアフィルタに滴下して含水させ、よって前記エアフィルタを通過して前記燃料電池の空気極に供給される反応空気を加湿するように構成したので、生成水を反応空気の加湿に利用しつつ、前記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、よって装置の大型化および重量の増加を抑制することができる。また、バルブやポンプといった電気機器を必要としないことから、電力を消費することもない。
【００１１】
また、請求項２にあっては、さらに、前記エアフィルタの下方に貯水槽を配置し、前記エアフィルタに吸収されなかった生成水を前記貯水槽に貯留すると共に、前記貯水槽に前記エアフィルタの一部を収容し、よって前記エアフィルタの一部を前記貯留された生成水に浸漬させるように構成したので、請求項１で述べた効果に加え、燃料電池から生成水が排出（生成）されないときであっても、貯水槽に貯留された生成水をエアフィルタに吸収させて含水させることができ、よって前記エアフィルタを通過して燃料電池の空気極に供給される反応空気を加湿することができる。
【００１２】
また、請求項３にあっては、前記貯水槽の所定の高さに位置する部位に排水口を設け、よって前記エアフィルタの一部を前記所定の高さまで貯留された生成水に浸漬させるように構成した、即ち、貯留された生成水に浸漬されるエアフィルタの表面積を所定の値以下に設定するように構成したので、請求項２で述べた効果に加え、貯留した生成水にエアフィルタを浸漬させた場合であっても、エアフィルタを通過する反応空気の流量を十分に確保することができ、よって空気極への反応空気の供給を妨げることがない。
【００１３】
また、請求項４にあっては、前記エアフィルタが、吸湿性を有する材質から製作されるように構成したので、従前の請求項で述べた効果に加え、エアフィルタの含水量および含水速度を向上させることができ、よって前記エアフィルタを通過して燃料電池の空気極に供給される反応空気をより効果的に加湿することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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は、吸引された空気（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２２ａと、エアフィルタ２２ａの下方（重力方向において下方）に配置された貯水槽２２ｂとを備える。
【００１９】
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（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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の下方（重力方向において下方）には、燃料電池１２から反応空気排出口８０ａを介して排出される生成水を受けるための受け部８２が配置される。受け部８２の底面には、導水管８４の一端８４ａが接続される。また、導水管８４の他端８４ｂは、前記したエアフィルタ２２ａの上方（重力方向において上方）に配置される。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
また、ＥＣＵ１１０は、図示しない電圧センサ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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
また、燃料電池１２が発電することによって空気極に生成された生成水は、反応空気排出口８０ａを介して空気極から排出され、受け部８２に滴下される。受け部８２に滴下された生成水は、導水管８４を介してエアフィルタ２２ａおよび貯水槽２２ｂに滴下される。
【００３９】
図２は、エアブロワ２２の斜視図である。また、図３は、エアブロワ２２の側面図である。尚、図３で、貯水槽２２ｂを断面で示す。以下、図２および図３を参照してエアブロワ２２について詳説する。
【００４０】
図２および図３に示すように、エアブロワ２２は、吸引した空気（反応空気および冷却空気）を吐出する吐出口２２ｃを備える。吐出口２２ｃは、前記した反応空気供給路２４ａおよび冷却空気供給路２４ｂに接続される。また、エアブロワ２２は電動モータ２２ｄを備え、その出力軸にはブロワケース２２ｅの内部に収容されたファン（図示せず）が固定される。
【００４１】
エアブロワ２２の吸気口には、エアフィルタ２２ａが取り付けられる。エアフィルタ２２ａは、ろ紙などの吸湿性を有する材質から製作される。また、エアフィルタ２２ａより重力方向において上方には、前述した如く、導水管８４の他端８４ｂが配置される一方、エアフィルタ２２ａより重量方向において下方には、貯水槽２２ｂが配置される。尚、貯水槽２２ｂの上面は開口され、そこからエアフィルタ２２ａの一部（下部）が前記貯水槽２２ｂの内部に収容される。
【００４２】
また、貯水槽２２ｂの側面には、排水口２２ｂ１が形成される。排水口２２ｂ１は、具体的には、貯水槽２２ｂの底面から所定の高さｈに位置する部位に形成される。
【００４３】
次いで、図４を参照して反応空気の加湿動作について説明する。図４は、その動作を示す模式図である。
【００４４】
図４に示すように、この実施例にあっては、重力方向（図に矢印ｇで示す）において上方から順に、燃料電池１２、受け部８２、導水管８４の一端８４ａ、他端８４ｂ、エアフィルタ２２ａ、貯水槽２２ｂの順序で配置される。
【００４５】
従って、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、受け部８２に滴下され、さらに導水管８４を介してエアフィルタ２２ａに滴下される。
【００４６】
エアフィルタ２２ａに滴下された生成水は、エアフィルタ２２ａに吸収され、よってエアフィルタ２２ａが含水させられる。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２２ａに含水された水分（生成水）によって加湿された後、反応空気供給路２４ａを介して燃料電池１２の空気極に反応空気として供給される。
【００４７】
このように、この発明の第１実施例に係る燃料電池の空気加湿装置にあっては、反応空気の粉塵を除去するエアフィルタ２２ａと、一端８４ａが燃料電池１２に接続される（具体的には、燃料電池１２の反応空気排出口８０ａの下方に配置される）一方、他端８４ｂがエアフィルタ２２ａの上方に配置される導水管８４とを備えると共に、燃料電池１２の発電によって生成された生成水を導水管８４を介してエアフィルタ２２ａに滴下して含水させ、よってエアフィルタ２２ａを通過して燃料電池１２の空気極に供給される反応空気を加湿するように構成したので、生成水で反応空気を加湿する際、専用のバルブやポンプを使用する必要がないことから、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、よって装置の大型化および重量の増加を抑制することができる。また、バルブやポンプといった電気機器を必要としないことから、電力を消費することもない。
【００４８】
また、エアフィルタ２２ａを、吸湿性を有する材質から製作するように構成したので、エアフィルタ２２ａの含水量および含水速度を向上させることができ、よって反応空気をより効果的に加湿して燃料電池１２の発電効率を一層向上させることができる。
【００４９】
図４の説明を続けると、エアフィルタ２２ａに含水されなかった（エアフィルタ２２ａで吸収しきれなかった）生成水は、エアフィルタ２２ａの下方に配置された貯水槽２２ｂに貯留される。
【００５０】
ここで、エアフィルタ２２ａの一部（下部）は貯水槽２２ｂの内部に収容されることから、前記エアフィルタの一部は貯留された生成水に浸漬されることになる。従って、燃料電池１２から生成水が排出（生成）されないときであっても、貯水槽２２ｂに貯留された生成水をエアフィルタ２２ａに吸収させて含水させることができ、よってエアフィルタ２２ａを通過する反応空気を加湿して燃料電池１２の発電効率を向上させることができる。
【００５１】
また、貯水槽２２ｂの側面には、上記した排出口２２ｂ１が形成されるため、生成水の水位は所定の高さｈ以上にはならない。換言すれば、生成水に浸漬されるエアフィルタ２２ａの表面積を、所定の値以下に設定することができる。このため、貯留した生成水にエアフィルタ２２ａを浸漬させた場合であっても、エアフィルタ２２ａを通過する反応空気の流量を十分に確保することができ、空気極への反応空気の供給を妨げることがない。尚、この実施例にあっては、エアフィルタ２２ａの表面積の１／２以上が常に水面上から出ている（生成水に浸漬されない）ように、前記所定の高さｈを設定するようにした。
【００５２】
また、燃料電池１２の運転を開始するとき（生成水が生成されておらず、かつ貯水槽２２ｂにも貯留されていないとき）は、外部からエアフィルタ２２ａに水を掛けて（または受け部８２に水を供給して、あるいは貯水槽２２ｂに水を供給して）含水させておくことにより、運転初期から反応空気を加湿することができ、よって運転開始直後の発電効率を容易に向上させることができる。
【００５３】
以上の如く、この発明の第１実施例にあっては、燃料電池（１２）の空気極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、前記反応空気の粉塵を除去するエアフィルタ（２２ａ）と、一端（８４ａ）が前記燃料電池（１２）に接続される一方、他端（８４ｂ）が前記エアフィルタ（２２ａ）の上方に配置される導水管（８４）とを備えると共に、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導水管（８４）を介して前記エアフィルタ（２２ａ）に滴下して含水させ、よって前記エアフィルタ（２２ａ）を通過して前記燃料電池（１２）の空気極に供給される反応空気を加湿するように構成した。
【００５４】
さらに、前記エアフィルタの下方に貯水槽（２２ｂ）を配置し、前記エアフィルタ（２２ａ）に吸収されなかった生成水を前記貯水槽（２２ｂ）に貯留すると共に、前記貯水槽（２２ｂ）に前記エアフィルタ（２２ａ）の一部を収容し、よって前記エアフィルタ（２２ａ）の一部を前記貯留された生成水に浸漬させるように構成した。
【００５５】
また、前記貯水槽（２２ｂ）の所定の高さ（ｈ）に位置する部位に排水口（２２ｂ１）を設け、よって前記エアフィルタ（２２ａ）の一部を前記所定の高さ（ｈ）まで貯留された生成水に浸漬させるように構成した。
【００５６】
また、前記エアフィルタ（２２ａ）が、吸湿性を有する材質（例えばろ紙）から製作されるように構成した。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【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に示すエアブロワの斜視図である。
【図３】図１に示すエアブロワの側面図である。
【図４】図１に示す装置における反応空気の加湿動作を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００５８】
１２      燃料電池
２２ａ    エアフィルタ
２２ｂ    貯水槽
２２ｂ１  排水口
８４      導水管
８４ａ    導水管の一端
８４ｂ    導水管の他端
【図１】
2005071730.tif 000003
【図２】
2005071730.tif 000004
【図３】
2005071730.tif 000005
【図４】
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