(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池容器内に、燃料電池本体部と、該燃料電池本体部に燃料ガスを供給し排出する第１メイン通路を有する燃料ガス通路部と、燃料電池本体部に酸化ガスを供給し排出する第２メイン通路を有する酸化ガス通路部と、燃料ガス及び酸化ガスの湿度をそれぞれ測定する第１及び第２湿度センサーを有する湿度測定装置と、を具備する燃料電池において、
上記湿度測定装置は、第１メイン通路の燃料ガスに第１湿度センサーを晒すよう該燃料ガスを迂回させる第１バイパス通路と、上記第１メイン通路上に設置され、第１バイパス通路への迂回を切替える第１切替バルブと、第２メイン通路の酸化ガスに第２湿度センサーを晒すよう該酸化ガスを迂回させる第２バイパス通路と、上記第２メイン通路上に設置され、第２バイパス通路への迂回を切替える第２切替バルブとで構成され、上記第１及び第２バイパス通路には、それぞれ第１及び第２湿度センサーの上流側で、且つ、第１及び第２バイパス通路と第１及び第２メイン通路との接続部分に隣接して、上記第１及び第２湿度センサーを乾燥する際、乾燥用ガスが供給される乾燥用ガスの供給口と、それぞれ第１及び第２湿度センサーの下流側で、且つ、第１及び第２バイパス通路と第１及び第２メイン通路との接続部分に隣接して乾燥用ガスを排出する排出口とを有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池であり、特に、電気自動車等の移動用電源や定置用電源として用いる燃料電池、または、研究実験用の燃料電池に使用される加湿ガスの、湿度あるいは温度及び湿度を測定することが可能な燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等の移動用電源や定置用電源として燃料電池が使用されている。燃料電池は、燃料電池本体部、燃料ガス通路部、酸化ガス通路部、湿度測定装置等から構成されていて、水素ガス等の燃料ガスのもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する一種の電池である。そして、燃料電池内部の湿度あるいは温度及び湿度は、湿度測定装置の湿度センサー等により測定している。
【０００３】
従来、燃料電池は、作動中は常に湿度センサーが高湿度雰囲気中に曝されており、性能低下や寿命低下の問題が有った（特開平８−１６７４２１号公報、特開平９−１８０７５０号公報参照）。これは、燃料電池、特に固体高分子電解質型燃料電池、に用いられる水素や空気等のガスは、加湿装置あるいは何らかの加湿する手段によって水分を加えてから、燃料電池に導入されるからである。このようにガスを加湿する理由は、主に燃料電池の電解質膜のイオン導電性を維持する必要があるためである。
【０００４】
この加湿度合いを最適にする、あるいは維持するために湿度測定が重要となってくる。このガスの湿度を測定するために使用される湿度センサーは、高い湿度雰囲気中に長時間曝されると、性能低下や寿命が短くなるなどの問題が有る。
【０００５】
また、燃料電池に用いられる水素や空気等のガスは、加湿されると同時に加熱されているので、もし加湿装置等から燃料電池に至る間に冷えてしまうと、せっかく加湿したガスから水分が結露し、１）ガスの湿度が低下する、２）結露した水の液滴が燃料電池内のガスや生成した水蒸気等の移動を妨げる、等の問題が起こる。
【０００６】
湿度センサーを使用するにあたっては、燃料電池の外側に配置した加湿装置から燃料電池に直接つながるメインの配管の他に、湿度測定時用のガスラインを並行して設け、そして、湿度測定時にのみ湿度センサーを加湿ガスに曝し、また、未使用時は、Ｎ２（窒素）ガス等で乾燥させていた。この際、切替バルブを多用するため、どうしても広いスペースが必要となり、また、システムが複雑になっていた。例えば、直径９ｍｍの配管を使用すると、３０ｃｍ×４０ｃｍ×２０ｃｍ程度のスペースが必要となっていた。
【０００７】
また、燃料電池に用いられる水素や空気等の冷却防止のために、ヒーティング・ケーブル等を途中の配管に巻付ける等の、余分に加熱する、あるいは断熱するための機器を追加する必要があり、システムの効率が低下し、複雑化していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の問題を解決することであり、水素等の燃料ガスや空気等の酸化ガスの湿度を測定する機能をコンパクトにするとともに、余分な加熱機器等を省略することを可能とする燃料電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池容器内に、燃料電池本体部と、該燃料電池本体部に燃料ガスを供給し排出する第１メイン通路を有する燃料ガス通路部と、燃料電池本体部に酸化ガスを供給し排出する第２メイン通路を有する酸化ガス通路部と、燃料ガス及び酸化ガスの湿度をそれぞれ測定する第１及び第２湿度センサーを有する湿度測定装置と、を具備する燃料電池において、上記湿度測定装置は、第１メイン通路の燃料ガスに第１湿度センサーを晒すよう該燃料ガスを迂回させる第１バイパス通路と、上記第１メイン通路上に設置され、第１バイパス通路への迂回を切替える第１切替バルブと、第２メイン通路の酸化ガスに第２湿度センサーを晒すよう該酸化ガスを迂回させる第２バイパス通路と、上記第２メイン通路上に設置され、第２バイパス通路への迂回を切替える第２切替バルブとで構成され、上記第１及び第２バイパス通路には、それぞれ第１及び第２湿度センサーの上流側で、且つ、第１及び第２バイパス通路と第１及び第２メイン通路との接続部分に隣接して、上記第１及び第２湿度センサーを乾燥する際、乾燥用ガスが供給される乾燥用ガスの供給口と、それぞれ第１及び第２湿度センサーの下流側で、且つ、第１及び第２バイパス通路と第１及び第２メイン通路との接続部分に隣接して乾燥用ガスを排出する排出口とを有する燃料電池である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の発明の実施の形態を説明する。
本発明の燃料電池及びその湿度測定方法の実施例について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、実施例の燃料電池の使用時の説明図である。図２は、実施例の燃料電池の湿度測定時の説明図である。図３は、実施例の燃料電池の湿度測定直後の説明図である。図１〜図３の各図とも、（ａ）は上面断面図、（ｂ）は正面断面図、（ｃ）は側面断面図である。
【００１３】
実施例を説明する。本実施例の燃料電池１は、図１に示すように、燃料電池容器２、燃料電池本体部３、燃料ガス通路部４ａ、酸化ガス通路部４ｂ、湿度測定装置５、等を備えている。燃料電池容器２は、燃料電池本体部３、燃料ガス通路部４ａ、酸化ガス通路部４ｂ、湿度測定装置５、等を内部に収納する。燃料電池本体部３は、燃料電池外部に設置した燃料ガスタンク及び酸化ガスタンク（両者とも図示していない。）から供給される水素等の燃料ガス及び空気等の酸化ガスを使用し、燃料ガスの化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料ガス通路部４ａは、第１メイン通路４１ａを有しており、燃料ガスを燃料電池本体部３に供給し排出する。酸化ガス通路部４ｂは、第２メイン通路４１ｂを有しており、酸化ガスを燃料電池本体部３に供給し排出する。
【００１４】
湿度測定装置５は、第１及び第２湿度センサー５１ａ、５１ｂ、第１及び第２バイパス通路６ａ、６ｂ、第１及び第２切替バルブ７ａ、７ｂを備えている。第１及び第２湿度センサー５１ａ、５１ｂは、それぞれ燃料ガス及び酸化ガスの湿度を測定する。第１及び第２バイパス通路６ａ、６ｂは、例えば管状部材からなり、そして、それぞれ第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂと接続されている。第１及び第２切替バルブ７ａ、７ｂは、それぞれ第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂと第１及び第２バイパス通路６ａ、６ｂとのＴ字形接続部分に設けられており、そして、例えばＴ字状に３方向に口の開いた構造からなる。第１及び第２切替バルブ７ａ、７ｂを切替えると、第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂに供給された燃料ガス及び酸化ガスは、第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂのまま、又は、第１及び第２バイパス通路６ａ、６ｂに迂回させて、燃料電池本体部３に供給することができる。第１バイパス通路６ａと第１切替バルブ７ａ、そして、第２バイパス通路６ｂと第２切替バルブ７ｂにより、それぞれ第１及び第２メイン通路の燃料ガス及び酸化ガスを迂回されると、第１及び第２湿度センサー５１ａ、５１ｂをそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスに晒すことができ、第１及び第２湿度センサー５１ａ、５１ｂは燃料ガス及び酸化ガスの湿度を測定することができる。
【００１５】
また、第１及び第２バイパス通路６ａ、６ｂは、第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂとの接続部分に隣接して乾燥ガス用供給口６１ａ、６１ｂ及び排出口６２ａ、６２ｂを有しており、乾燥ガス用供給口６１ａ、６１ｂは、第１及び第２湿度センサーの上流側に位置している。乾燥ガス用排出口６２ａ、６２ｂは、第１及び第２湿度センサーの下流側に位置している。第１及び第２湿度センサー５１ａ、５１ｂは、それぞれ供給口６１ａ、６１ｂから導入された乾燥ガスに晒すこととなり、乾燥される。そして、乾燥ガスは、排出口６２ａ、６２ｂから排出される。乾燥ガス用供給口６１ａ、６１ｂ及び排出口６２ａ、６２ｂと、第１及び第２バイパス通路６ａ、６ｂと第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂとの接続部分と、の間に存在する燃料ガス及び酸化ガスを乾燥ガスと一緒に排出することとなるが、この間の距離は隣接しているため、短くなり、排出される燃料ガス及び酸化ガスの量を低減することが可能である。
【００１６】
湿度測定装置５は、上記のように燃料電池容器内部に収納されているので、湿度測定装置のスペースが非常にコンパクトになり、また、加熱・断熱、保温のための機構を不要とすることができる。
【００１７】
次に、本実施例の燃料電池１における燃料ガス及び酸化ガスの湿度の測定について、説明する。
１）燃料電池１を通常使用するとき、湿度は測定しないので、第１及び第２切替バルブ７ａ、７ｂを切替えることはなく、燃料ガス及び酸化ガスは、それぞれ第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂのみを使用して、燃料電池本体部３に供給され排出される（図１参照）。
２）燃料ガス及び酸化ガスの湿度を測定するとき、第１及び第２切替バルブ７ａ、７ｂを切替える。第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂに供給されていた燃料ガス及び酸化ガスは、それぞれ迂回することとなり、第１及び第２バイパス通路６ａ、６ｂから第１及び第２温度センサー５１ａ、５１ｂに供給され、湿度測定後、第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂに戻され、燃料電池本体部３に供給される。第１及び第２湿度センサー５１ａ、５１ｂは、それぞれ燃料ガス又は酸化ガスに晒されるため、湿度を測定することができる（図２参照）。
３）上記２）の湿度測定作業が終了すると、第１及び第２湿度センサー５１ａ、５１ｂを乾燥させる必要が生じる。そのために、第１及び第２切替バルブ７ａ、７ｂは、第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂに切替えることとなり、燃料ガス及び酸化ガスはそれぞれ迂回することなく第１及び第２メイン通路４１ａ、４１ｂのみを使用して燃料電池本体部３に供給される。一方、乾燥ガスタンク（図示していない。）からの乾燥ガスがそれぞれ乾燥ガス用供給口６１ａ、６１ｂから第１及び第２バイパス通路６ａ、６ｂに導入され、第１及び第２湿度センサー５１ａ、５１ｂに供給され、排出口６２ａ、６２ｂから排出される（図３参照）。これにより、第１及び第２湿度センサー５１ａ、５１ｂは乾燥ガスに晒されることとなり、乾燥させることができる。
４）乾燥ガスの供給は停止され、燃料電池の通常使用となり、上記１）と同様になる。
【００１８】
実施例においては、燃料ガス及び酸化ガスの湿度を測定し乾燥することとして説明したが、一方のガスの湿度のみを測定し乾燥することは可能である。また、湿度測定装置５に温度センサー等を設けることは可能であり、湿度とともに温度を測定することができる。乾燥ガス用排出口６２ａ、６２ｂを設ける代わりに燃料ガス又は酸化ガスの第１又は第２メイン通路４１ａ、４１ｂを使用して排出することも可能である。乾燥ガスとして、加湿する前の燃料ガス及び酸化ガスを使用することができ、これにより、乾燥ガスや乾燥ガスタンク等を用意する必要はなくなる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、水素等の燃料ガスや空気等の酸化ガスの湿度を測定する機能をコンパクトにするとともに、余分な加熱機器等を省略することを可能とする燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の燃料電池の使用時の説明図。
【図２】実施例の燃料電池の湿度測定時の説明図。
【図３】実施例の燃料電池の湿度測定直後の説明図。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  燃料電池容器
３  燃料電池本体部
４ａ  燃料ガス通路部
４１ａ  第１メイン通路
４ｂ  酸化ガス通路部
４１ｂ  第２メイン通路
５  湿度測定装置
５１ａ  第１湿度センサー
５１ｂ  第２湿度センサー
６ａ  第１バイパス通路
６ｂ  第２バイパス通路
６１ａ、６１ｂ  乾燥ガス用供給口
６２ａ、６２ｂ  乾燥ガス用排出口
７ａ  第１切替バルブ
７ｂ  第２切替バルブ
【図１】
0004362893.tif 000002
【図２】
0004362893.tif 000003
【図３】
0004362893.tif 000004