(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータータンクと水回収器とを一体に形成し、かつ前記水回収器を前記ヒータタンクの上部に設け、上記ヒータータンクで温度を調整した水で酸化剤ガスと、燃焼ガスとを加湿するようにしたことを特徴とする燃料電池加湿装置。
【請求項２】
上記水回収器と上記ヒータータンクとを、これらの間に配設した連結管で接続したことを特徴とする請求項１の燃料電池加湿装置。
【請求項３】
上記連結管に液面検知器を設けたことを特徴とする請求項１または２のいずれかの燃料電池加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜からなる電解質膜の一方の側にカソードを配し、他方の側にアノードを配したセルを用い、カソードにカソードガス（空気等の酸化剤ガス）を、アノードにアノードガス（水素リッチな燃料ガス）をそれぞれ供給し、両ガスを電気化学的に反応させることによって発電するようになっている。この電気化学反応は、アノードガスの水素が水素イオンとなり、電解質膜の内部をアノード側からカソード側に移動することを伴っている。
ここで、電解質膜が乾燥するとイオン伝導性が低下するので、運転時には、その湿潤状態を保つことが必要である。
【０００３】
そこで、従来例えば、特開平１０−１０６５９３号公報記載の技術では、燃料電池の加湿と、冷却水循環手段とを兼ね備えた装置を採用し、加えて、生成水回収手段を備えている。しかしながら、生成水の回収手段としては、生成水回収タンクより、バルブの開閉による装置への水供給方法をとっている。このためには、タンクの水量を監視し、バルブを、手動、または自動的に開閉する必要があり、システムが複雑化してしまうという難点があった。
【０００４】
一方、特に、車両等の移動体用の燃料電池のように、頻繁に起動、停止を繰り返すシステムでは、立ち上げ時間短縮のため、燃料電池の循環水を温め、効率の良い温度まで昇温することが必要である。しかし、この技術では、この点を考慮していない。このような点を考慮した技術として、特開平７−３２６３７６号公報記載の技術がある。しかし、この公報記載の技術では、生成水の回収方法は記されておらず、使用される水は、外部から供給されたもののみとなっている。また、ヒーター内、または、その他の場所で気泡が発生した場合に、気泡の抜け道が無いために、気泡が開放されず、循環ポンプ等を破損する可能性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記事情に対して、本発明は、燃料電池内で発生する水を適切かつ自動的に回収しつつ、燃料電池の循環水を温め、効率の良い温度まで昇温することをも適切に行うことができるようにし、燃料電池システムを特に車両等の移動体用においても適合させるようにした燃料電池加湿装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池加湿装置は、ヒータータンクと水回収器とを一体に形成し、かつ前記水回収器を前記ヒータタンクの上部に設け、上記ヒータータンクで温度を調整した水で酸化剤ガスと、燃焼ガスとを加湿するようにしたことを特徴とする。
本発明が適用される燃料電池に必要な酸化剤ガスは、酸素である。しかし、実際には、酸素のみではなく空気を用いることが一般的であることから、以下の説明では、便宜上空気ともいう。本明細書中で空気と記載されている場合、当業者の常識に従って酸素もしくは酸素濃度の高い空気で置き換えることができる。
また、燃料ガスは、一般に水素リッチガスであり、以下Ｈ2とも表わす。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら本発明に係る燃料電池加湿装置の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係る燃料電池加湿装置の一実施の形態を示す概念図である。この実施の形態に係る燃料電池加湿装置１００は、主要な構成要素として、加湿器１０４、１０５、水回収器１０７および該水回収器１０７と一体のヒータータンク１０８を含む。
【０００８】
これらの構成要素を含む本実施の形態に係る燃料電池加湿装置を、その作用機序に従って説明する。
まず、酸化剤として用いられる空気は、外部から供給されて、コンプレッサー１０２により加圧され、空気加湿器１０４で加湿される。燃料ガスであるH2（水素または水素リッチガス）は、水素燃料源１０３により供給され、H2加湿器１０５で加湿される。水素燃料源１０３としては、ボンベ、または水素吸蔵合金、またはメタノール改質器等を挙げることができる。
【０００９】
図３に加湿器１０４および１０５の原理を示す。同図に示すように浸透膜３０１を介して水を、水通路３０２に、H2または空気（ガス）を通路３０３に流すことにより、水の蒸発を利用してH2、および空気を加湿することができる。この際、水を温めておくことで、加湿器１０４、１０５が熱交換器ともなり、ガス温度を上昇させ、飽和水蒸気量を上げることができる。水とガスとは、向流させることにより、温度の交換効率および加湿効率が高まる。
【００１０】
加湿、および加温されたH2、空気は燃料電池１０１に供給され、燃料電池１０１の発電に使用される。H2は、H2循環ポンプ１１１で循環され、再利用される。
燃料電池１０１では、
H2+1/2 02→H2O
の反応により、カソード側である空気側で水が生成する。
【００１１】
図４に、本発明に好適な燃料電池１０１の構造を示す。イオン交換膜４０４は、水分を含んだ状態にあるとき、良好な水素イオン伝導性を持ち、安定した発電を行う。上記のようにして加湿器１０４、１０５により加湿されたガスを通すことにより、イオン交換膜４０４を常に湿潤状態に保つことができる。
【００１２】
燃料電池１０１は、この図４にあるように、イオン交換膜４０４を介して空気通路（セル）４０１と、Ｈ2通路（セル）４０２とを対峙させ、これらの通路４０１、４０２が、それらの背面で水通路４０３と熱交換可能になるように構成している。すなわち、通路（セル）４０１、４０２、４０４間に水通路４０３のある構造としている。
【００１３】
この水通路４０３には、後述するように、水が循環し、燃料電池１０１で発生する熱を利用し、加えて、水の温度を変化させることにより、スタック温度を管理することができるようにしている。すなわち、起動時に適切な温度に燃料電池を昇温でき、燃料電池用の温度ムラをなくすことができるように構成している。
【００１４】
カソード側である空気側で生成した水は、空気の流れとともに、水滴、および水蒸気として燃料電池１０１より排出し、水回収器１０７に送られる。水回収器１０７では、バブリング作用により、水滴が除去される。水滴はそのまま水回収器１０７に溜まり、空気は、空気排出管１０９より排気される。
【００１５】
水の流れとしては、図１に示すように、水循環ポンプ１０６より加圧された水がシステム内を循環している。水循環ポンプ１０６より出た水は、水導入管１１３よりヒータータンク１０８に入り、加温される。水送出管１１４より排出された水は、燃料電池１０１へ流れる通路１１６と、加湿器に流れる通路１１５に分離される。燃料電池１０１では、前述したように図４の水通路４０３を通り、そこを通す水の温度をコントロールすることにより、スタック（セルの積層形態）の温度をコントロールできる。
【００１６】
この、燃料電池１０１より出た水は水循環ポンプ１０６に戻り、循環される。通路１１５の水は、H2加湿器１０５と空気加湿器１０４のそれぞれ供給するために、通路１１７、１１８に分離される。それぞれの加湿器１０４、１０５を出た水は、通路１１９で合流し、水循環ポンプ１０６へと戻される。
【００１７】
ここで、図２は、図１のA部分の拡大詳細図である。これに基づいて、水回収器１０７とヒータータンク１０８についてさらに説明する。
燃料電池１０１より排出される生成された水分を含む空気は、空気導入管２０４から、水回収器１０７に入り、バブリングによる作用で水分を除去し、空気排出管１０９より排出される。この際、燃料電池１０１、およびコンプレッサー１０２によって温められた空気により、運転開始時等ほぼ室温である水を加温することができる。また、燃料電池１０１から排出される高温の空気温度を下げて、安全に大気に放出することができる。そして、水回収器１０７の水で背圧をかけることにより、燃料電池１０１内の圧力を高めることができ、単位体積あたりの酸素量を上げ、燃料電池１０１の出力を向上させることができる。
【００１８】
水回収器１０７の下には、ヒータータンク１０８が、細い連結管２０９を通じてつながっている。これによって、ヒータータンク１０８の水が減少すると、水回収器１０７の水が、重力によってヒータータンク１０８に供給される。
【００１９】
この連結管２０９には、液面検知器２０７を取り付けている。これによって水面を監視することにより、ヒータータンク１０８内の水が減少し、ヒータータンク１０８が空炊きされることを防ぐことができる。すなわち、例えば、液面が下がった場合に、警告し、場合によっては、システム全体を止めるように構成することができる。しかも、連結管２０９に細い管を用いることにより、移動体用として用いる際に起こる外的な振動による水面変化の影響を少なくして測定することが可能である。
液面検知器２０７は、例えば、連結管に透明な材質のものを使用し、レーザー光で水の有無による屈折率変化を検知するといったレーザー 式のものを採用することができる。
【００２０】
燃料電池１０１によって生成する水が過剰な方向である場合は、空気による圧力、または重力により、水は、水排出管１１０より自動的に排出される。回収された生成水は、ヒータータンク１０８の水が供給ガスの加湿等のために減少した場合でも、重力によって自動的に、ヒータータンク１０８に蓄えられる。したがって、従来のようにバルブ等を用いず、自動的に、水を供給することができる。
【００２１】
この供給された水は、ヒータータンク１０８のヒーター１１２により加温され、前述したように、燃料電池１０１、および加湿器１０４、１０５に供給される。なお、このヒーター１１２は、ヒータータンク１０８にシールを介して取り付けている。これによって、循環水を効率的に加温し、水回収器１０７への熱の流出を防ぐことができる。
また、ヒータータンク１０８内、または水循環経路内で気泡が発生した場合でも、連結管２０９より、気泡が、空気排出管１０９を通って開放されるため、気泡が循環することを防ぐことができる。
【００２２】
図２に示すように、水送出管１１４は、ヒータータンク１０８の上蓋より下に少し突出させている。これにより、ヒータータンク１０８の上部に溜まった気泡の加湿器１０４、１０５等への流出を防ぐことができる。また、ヒータータンク１０８の上部であるため、温度の高い水を送り出すことができる。
【００２３】
水導入管１１３はヒータータンク１０８の下部まで伸ばした所より流入させている。これにより、ヒータータンク１０８内で水の対流が起こり、熱の拡散が行われ、１０８内の温度分布の均一化を行うことができる。また、暖められていない水が、そのまま水送出管１１４に流出することを防止することができる。
この時、連結管２０９より上にある水回収器１０７には、連結管２０９を細くしたことにより水の対流が起こらない。したがって、回収器１０７に、ヒータータンク１０８の熱が流れ込み、空気によって熱が奪われるようなことを防止できる。
さらに、上記水回収器１０７は、水排出管１１０および空気は移出管１０９が大気に開放してあるので、ポンプ１０６をヒータータンク１０８と同程度の高さに設置することにより、呼び水は空気導入管２０４より導入すれば良い。
【００２４】
また、ヒータータンク１０８、水回収器１０７、連結管２０９に、断熱性を持たせることにより、外気への伝熱による熱の損失を防ぐことができる。さらに、このように連結管２０９に断熱性に持たせることにより、ヒーター１０８の熱が、連結管２０９を伝わり、水回収器１０７を加熱し、空気のバブリングによって熱が奪われることを防止できる。
【００２５】
本発明では、本実施の形態に示すように、水回収器１０７とヒータータンク１０８と一体化することにより、燃料電池１０１での生成水の自動的な回収と、過剰な水の自動的な排出を行うことによる、システムの効率化、およびコンパクト化を行っている。ここでさらに、燃料電池１０１を一体に構成することにより、この特徴を発揮させることができる。
【００２６】
他の実施の形態
本発明に係る燃料電池加湿装置は、以上で説明した実施の形態に限られることなく、当業者にとって自明な範囲における修飾・変更・付加は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、本実施の形態で示されるヒーター１１２に代用されるものとして、水素の触媒燃焼による熱を用いることができる。
また、本装置で分離された水を、水蒸気改質方式のメタノール改質器で用いる水として供給することもできる。
【００２７】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、燃料電池内で発生する水を適切かつ自動的に回収しつつ、燃料電池の循環水を温め、効率の良い温度まで昇温することをも適切に行うことができるようにし、燃料電池システムを特に車両等の移動体用においても適合させるようにした燃料電池加湿装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池加湿装置の一実施の形態を説明する概念図である。
【図２】本発明に係る燃料電池加湿装置の一実施の形態について、水回収器とヒータータンクの部分をより拡大して示す図１のＡ部分の拡大図である。
【図３】本発明で用いることのできる加湿器の内部構造を説明する概念図である。
【図４】本発明で用いることのできる燃料電池の内部構造を説明する概念図である。
【符号の説明】
１００        燃料電池加湿装置
１０１        燃料電池
１０２        コンプレッサー
１０３        水素燃料源
１０４        空気加湿器
１０５        Ｈ2加湿器
１０６        水循環ポンプ
１０７        水回収器
１０８        ヒータータンク
１０９        空気排出管
１１２        ヒーター
１１３        水導入管
１１４        水送出管
１１１        Ｈ2循環ポンプ
２０７        液面検知器
２０９        連結管
３０１        浸透膜
３０２        水通路
３０３        通路
４０１        空気通路
４０２        Ｈ2通路
４０３        水通路
４０４        イオン交換膜
【図１】
0003871182.tif 000002
【図２】
0003871182.tif 000003
【図３】
0003871182.tif 000004
【図４】
0003871182.tif 000005