JP2003017100A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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JP2003017100A
JP2003017100A JP2001202965A JP2001202965A JP2003017100A JP 2003017100 A JP2003017100 A JP 2003017100A JP 2001202965 A JP2001202965 A JP 2001202965A JP 2001202965 A JP2001202965 A JP 2001202965A JP 2003017100 A JP2003017100 A JP 2003017100A
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JP
Japan
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air
fuel
fuel cell
air supply
water
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Application number
JP2001202965A
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Japanese (ja)
Inventor
Munehisa Horiguchi
宗久 堀口
Nobuhiko Hirai
信彦 平井
Masanori Okada
真規 岡田
Ryoichi Okimoto
亮一 沖本
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Equos Research Co Ltd
Original Assignee
Equos Research Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a counter flow of water sprayed into an air supply chamber to an air intake duct or an air supply fan. SOLUTION: This fuel cell system is equipped with a cell of a fuel cell having a fuel electrode, a fuel passage in contact with the fuel electrode, an oxygen electrode, an air passage in contact with the oxygen electrode, and an electrolyte membrane interposed between the fuel electrode and the oxygen electrode; an air supply chamber connected to an air inlet end present at one end of the air passage of a plurality of cells of the fuel cell; a water supply means installed inside the air supply chamber; an air exhaust chamber connected to an air outlet end present at the other end of the air passage of a plurality of cells of the fuel cell; and an air intake duct connecting a discharge port of the air supply fan and an air intake port installed on the top of the air supply chamber, and the air intake duct is formed so as to extend upward from the top of the air supply chamber in the periphery of air intake port.

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池装置に関
するものである。 【0002】 【従来の技術】従来、燃料電池は発電効率が高く、有害
物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置とし
て、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化
されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車
両用の動力源として開発が進んでいる。 【0003】燃料電池には、種々の形式のものが知られ
ており、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、
固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよ
いが、固体電解質を用いた燃料電池が有望視されてい
る。 【0004】この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガ
ス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該
ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接す
る燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガスとして水素ガス
を供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子と
に分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過す
る。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸
素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化剤と
しての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イ
オン及び電子が結合して、水が生成される。このような
電気化学反応によって起電力が生じるようになってい
る。 【0005】また、前記固体電解質と前記燃料極、前記
酸素極、前記空気流路、前記燃料流路とを併せて燃料電
池セルとする。さらに、該燃料電池セルを複数積層させ
たものを燃料電池スタックとしている。この燃料電池装
置においては、空気流路に液体水を供給することにより
固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持するものがある
(特開2000−12056号公報参照)。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の燃料電池装置においては、空気供給ファンが燃料電
池スタックとほぼ同じ高さに配設されている。このた
め、空気供給室内にスプレーされた水が空気供給ファン
や該空気供給ファンと空気供給室との間に配設された空
気導入ダクトの中に逆流してしまうことがある。 【0007】一般に、自動車等の車両の場合、乗員や荷
物を積載するためのスペースを広くとるために、駆動
源、駆動力伝達機構等を車室や荷室の床下等に配設する
ことが要求されている。そこで、従来の燃料電池装置の
場合、燃料電池スタック、燃料貯蔵手段等に加えて、空
気供給ファンや該空気供給ファンと空気供給室との間に
配設された空気導入ダクトも前記床下に配設するように
なっている。そのため、前記空気供給ファン及び空気導
入ダクトの位置が空気供給室の位置よりも低くなり、該
空気供給室内にスプレーされた水が逆流してしまうこと
がある。 【0008】図2は従来の車両に搭載された燃料電池装
置における燃料電池スタック、空気供給ファン及び空気
導入ダクトを示す図、図3は従来の車両に搭載された燃
料電池装置における空気の流れを示す模式断面図であ
る。 【0009】図において、51は燃料電池スタック、5
6は空気供給ファンである。そして、前記燃料電池スタ
ック51は車両の下部フレーム53の上側に取り付けら
れ、前記空気供給ファン56は燃料電池スタック51と
ほぼ同じ高さに取り付けられる。 【0010】また、前記燃料電池スタック51の上側に
は、燃料電池スタック51を構成する複数の燃料電池セ
ルの空気流路の一端が連結され、酸化剤としての空気を
導入するための空気供給室54が取り付けられる。さら
に、該空気供給室54の前方(図における左方)には、
空気供給ファン56からの空気を空気供給室54に送り
込むための空気導入ダクト55が接続される。また、前
記空気供給室54内には、水をスプレーする図示されな
い水供給ノズルが配設されている。 【0011】一方、前記燃料電池セルの空気流路の他端
にあたる燃料電池スタック51の下側には、前記空気流
路から排出された空気を排出するための空気排出室57
が取り付けられる。さらに、該空気排出室57の後方
(図における右方)には、空気を車両の外部に排出する
ための空気排出ダクト61が接続される。なお、前記空
気排出室57の底面は、排水管58を介して、水タンク
52の上面に連続されている。 【0012】前記燃料電池スタック51内には、図にお
ける上下方向に延在する多数の空気流路が形成され、該
空気流路の一面が酸素極に接している。そして、該酸素
極の反対側には固体高分子電解質膜を挟んで燃料極が配
設され、該燃料極に接して水素ガスの通路としての燃料
流路が形成されている。 【0013】なお、前記燃料電池スタック51は、前方
がわずかに下になるように、傾いた状態で配設される。
そして、前記空気供給室54の上面は、図において水平
になっている。そのため、空気導入ダクト55から送り
込まれた酸化剤としての空気の流路断面が、空気供給室
54の前方から後方へ向かって狭くなるので、空気はす
べての空気流路へ均等に導入される。 【0014】一方、空気排出室57の下面も水平になっ
ているので、空気流路から排出された空気の流路断面
が、前記空気排出室57の前方から後方へ向かって広く
なるので、空気はスムーズに空気排出ダクト61に向け
て排出される。 【0015】ところで、前記水供給ノズルからスプレー
された水は、重力及び空気の流れによって、多数の前記
空気流路内に進入する。そして、酸素極を湿潤な状態に
保つので、酸素極と燃料極とに挟まれた固体高分子電解
質膜が良好に機能する。また、燃料である水素と酸化剤
である酸素とが結合して水を生成する電気化学反応にお
いて、反応熱が発生するが、該反応熱は前記スプレーさ
れた水によって吸収される。すなわち、前記スプレーさ
れた水は冷却作用も果たすものである。 【0016】そして、前記スプレーされた水は前記空気
流路の下端から、空気とともに排出される。この場合、
液相の水は、そのままの状態で空気排出室57の底面か
ら、排水管58を介して、前記水タンク52内に流入し
て貯留される。また、空気とともに排出された気相の
水、すなわち、水蒸気は、空気排出室57内に配設され
た金網、金属ロッド等の部材にトラップされ、冷却さ
れ、凝縮されて液体となる。そして、空気排出室57の
底面から、排水管58を介して、前記水タンク52内に
流入して貯留される。 【0017】なお、水分を分離した空気は、前記空気排
出室57に接続された空気排出ダクト61を通って排気
管59L、59Rから外部に排出される。ここで、前記
空気排出ダクト61は、水素吸蔵合金等の燃料貯蔵手段
60内を通過して、左右に分岐する前記排気管59L、
59Rに接続されている。一方、前記水タンク52に貯
留された水は、循環ポンプ等によって水供給ノズルに再
度供給されて、スプレーされる。これにより、水はほと
んどがリサイクルされて使用されるので、水の補給量を
少なくすることができる。 【0018】しかし、前記従来の燃料電池装置において
は、空気供給ファン56が燃料電池スタック51とほぼ
同じ高さになるように配設され、前記空気供給ファン5
6から供給される空気を空気供給室54内に導入する空
気導入ダクト55の排出口が前記空気供給室54の前面
に接続されている。このため、水供給ノズルから空気供
給室54内にスプレーされた水が空気導入ダクト55や
空気供給ファン56の方向に逆流し易くなってしまう。 【0019】燃料電池装置の通常の使用状況において
は、図3における矢印で示されるように、燃料電池スタ
ック51に供給される空気は車両の前方から後方に流れ
るので、空気供給室54内にスプレーされた水が空気導
入ダクト55や空気供給ファン56の方向に逆流するこ
とはほとんどない。しかし、車両が障害物や段差を乗り
越えたり、悪路を走行したりする場合に車両が傾いた時
や車両が跳ねた時には、水供給ノズルから空気供給室5
4内にスプレーされた水が空気導入ダクト55や空気供
給ファン56の方向に逆流してしまうことがある。 【0020】そして、空気供給室54内にスプレーされ
た水が空気導入ダクト55や空気供給ファン56の方向
に逆流してしまうと、燃料電池セルの空気流路に供給さ
れる水の量が減少してしまう。そのため、空気流路と接
した酸素極の表面を湿潤な状態に維持することができな
くなり、固体高分子電解質膜が良好な状態で機能しなく
なり、燃料電池セルの出力が低下してしまう。 【0021】また、逆流した水が外部へ流出すると、燃
料電池セルの空気流路に供給する水の総量が減少し、水
の補給量が増加してしまう。 【0022】さらに、逆流した水が空気供給ファン56
の電気配線に付着したり、外部に流出した水が車両の電
気配線に付着して、電気コネクタが腐食したり、漏電等
が発生したりする恐れがある。 【0023】さらに、逆流した水が空気導入ダクト55
や空気供給ファン56に付着したまま放置すると、冬季
には凍結してしまう恐れがある。 【0024】本発明は、前記従来の問題点を解決して、
空気供給ファンの吐出口と前記空気供給室の上面に設け
られた空気導入口とを空気導入ダクトで連結し、さらに
空気導入ダクトは、空気導入口周辺において、空気供給
室の上面から上側に伸びるように形成するこによって、
空気供給室内にスプレーされた水が空気導入ダクトや空
気供給ファンに逆流することがない燃料電池装置を提供
することを目的とする。 【0025】 【課題を解決するための手段】そのために、本発明の燃
料電池装置においては、燃料極及び該燃料極に接した燃
料流路と、酸素極及び該酸素極に接した空気流路と、前
記燃料極及び酸素極により狭持される電解質膜を持つ燃
料電池セルと、複数の前記燃料電池セルの空気流路の一
端にある空気入口端と接続する空気供給室と、該空気供
給室内に配設された水供給手段と、複数の前記燃料電池
セルの空気流路の他端にある空気出口端と接続する空気
排出室と、空気供給ファンの吐出口と前記空気供給室の
上面に設けられた空気導入口とを連結する空気導入ダク
トとを備え、該空気導入ダクトは、空気導入口周辺にお
いて、空気供給室の上面から上側に伸びるように形成さ
れている。 【0026】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。 【0027】図1は本発明の実施の形態における車両に
搭載された燃料電池装置の燃料電池スタック及び空気導
入ダクトを示す要部側面図、図4は本発明の実施の形態
における車両に搭載された燃料電池装置の模式平面図、
図5は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃
料電池装置における空気の流れを示す模式断面図、図6
は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電
池装置における水の流れを示す模式断面図である。 【0028】図において、11は複数の燃料電池セルか
ら構成される燃料電池スタック(FC)であり、乗用
車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車
両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、
照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中
にも使用される電気を消費する補機類を多数備えてお
り、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求さ
れる出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池
11と、図示されない蓄電手段としての2次電池とを併
用して使用することが望ましい。 【0029】そして、燃料電池セルは、アルカリ水溶液
型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型
(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタ
ノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高
分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。 【0030】なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料と
し、酸素又は空気を酸化剤とするPEMFC(Prot
on Exchange Membrane Fuel
Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton
Exchange Membrane)型燃料電池と
呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、
一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電
解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセ
ル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したス
タック(Stack)から成る(特開平11−3172
35号公報参照)。 【0031】この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガ
ス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。 【0032】そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極と
し、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に
燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオ
ン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体
高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の
他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する空気流路を介
し前記酸素極に酸化ガスとして空気を供給すると、空気
中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が
生成される。このような電気化学反応によって起電力が
生じるようになっている。 【0033】例えば、本実施の形態においては、1例と
して、PEM型燃料電池であり、100枚のセルを直列
に接続したスタックを使用する。この場合、総電極面積
は150〔cm 2〕であり、開放端子電圧は約100
〔V〕、出力は約6〔kW〕である。そして、定常動作
時の温度は50〜90〔℃〕程度である。 【0034】なお、図示されない改質装置によってメタ
ノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水
素ガスを燃料電池セルに直接供給することもできるが、
車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給
することができるようにするためには、燃料貯蔵手段1
2に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。ここ
で、該燃料貯蔵手段12は、水素吸蔵合金やデカリンの
ような水素吸蔵液体を格納した容器、水素ガスボンベの
ように水素ガスを格納した容器等から成る。これによ
り、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給される
ので、前記燃料電池セルは車両の負荷の変動に遅れるこ
となく追随して、必要な電流を供給することができる。 【0035】この場合、前記燃料電池セルの出力インピ
ーダンスは極めて低く、0に近似させることが可能であ
る。 【0036】図において、燃料電池セルに燃料としての
水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示さ
れる。ここで、燃料電池スタック11は、車両底板15
の上に配設される。また、前記燃料電池スタック11の
後方(図において右方)には燃料貯蔵手段12が、同様
に車両底板15の上に配設される。さらに、該燃料貯蔵
手段12の後方には、排水ポンプ14及び水タンク13
が配設される。 【0037】なお、前記車両底板15は、前記車両のフ
レームを構成する強度部材であってもよいし、強度部材
としての機能を果たすことなく、単に車両の底面を覆う
だけの板部材であってもよい。そして、前記車両底板1
5が強度部材である場合、前記燃料電池スタック11、
燃料貯蔵手段12、排水ポンプ14及び水タンク13は
前記車両底板15の上に取り付けられ、該車両底板15
が強度部材でない場合、前記燃料電池スタック11、燃
料貯蔵手段12、排水ポンプ14及び水タンク13は、
車両底板15とは別の図示されない強度部材に取り付け
られる。 【0038】また、図に示される車両の左右の前輪28
L、28R及び左右の後輪29L、29Rも同様に、車
両底板15が強度部材である場合は、サスペンション機
構等を介して車両底板15に取り付けられ、該車両底板
15が強度部材でない場合は、スペンション機構等を介
して車両底板15とは別の図示されない強度部材に取り
付けられる。 【0039】ここで、前記燃料電池スタック11、燃料
貯蔵手段12、排水ポンプ14及び水タンク13は、薄
く扁平な直方体の形状を有し、前後に並んで、すなわ
ち、タンデムに配設されているので、前記燃料電池スタ
ック11及び燃料貯蔵手段12の上を覆うように車室や
荷室の床板を配設しても、前記車室や荷室の床の高さを
高くする必要がない。また、重量物である燃料電池スタ
ック11、燃料貯蔵手段12、排水ポンプ14及び水タ
ンク13が低い位置に配設されるので、車両の重心位置
が低くなり、車両の安定性が向上する。さらに、前記燃
料電池スタック11、燃料貯蔵手段12、排水ポンプ1
4及び水タンク13が、前輪28L、28Rの車軸と後
輪29L、29Rの車軸との間に配設されているので、
車両の重心位置近傍に重量物が集中し、重心回りの慣性
モーメントが低減され、車両の旋回性が向上する。 【0040】そして、水素ガスは、前記燃料貯蔵手段1
2から、図示されない燃料供給管路を通って、燃料電池
スタック11の各燃料電池セルに供給される。また、前
記燃料供給管路には、図示されない燃料圧力調整弁、燃
料供給電磁弁、逆止弁及び圧力センサが配設される。そ
して、燃料電池セルに供給される水素ガスがあらかじめ
設定した一定の圧力に維持されるように、圧力センサで
前記燃料供給管路内の水素ガスの圧力をモニターしなが
ら、燃料圧力調整弁を調整して、水素ガスを燃料貯蔵手
段12から供給する。なお、該燃料貯蔵手段12は、十
分に大きな容量を有し、常に十分に高い圧力の水素ガス
を供給することができる能力を有するものである。 【0041】そして、燃料電池セルから排出される水素
ガスは、図示されない燃料排出管路を通って大気中へ排
出される。なお、前記水素ガスをそのまま大気中へ排出
せずに、酸素と結合させて水にした後で、排出させるよ
うにしてもよい。また、前記燃料排出管路には、図示さ
れないフィルタ、燃料排出電磁弁、逆止弁等が配設され
る。 【0042】一方、酸化剤としての空気は、図5におい
て矢印で示されるように、シロッコファン等から構成さ
れる酸化剤供給源としての空気供給ファン26から、該
空気供給ファン26の吐出口26aに接続された空気導
入ダクト25を通って、燃料電池スタック11の上側に
取り付けられた空気供給室17に供給される。なお、該
空気供給室17内には、水をスプレーする水供給ノズル
が配設されている。 【0043】ここで、前記空気供給ファン26及び空気
導入ダクト25は、その吹き出し口の位置が空気供給室
17の最も高い部位よりも高い位置になるように配設さ
れる。そのため、前記空気導入ダクト25は空気供給室
17の上面に形成された空気導入口17aに接続され
る。また、前記空気導入ダクト25は、空気導入口17
a周辺において、空気供給室の上面から上側に伸びるよ
うに形成されている。 【0044】これにより、車両が障害物や段差を乗り越
えたり、悪路を走行したりする場合に車両が傾いたり跳
ねた時であっても、水供給ノズルから空気供給室17内
にスプレーされた水が、空気導入ダクト25やその前方
の空気供給ファン26の吐出口26aに到達するまで逆
流してしまうことがない。すなわち、車両が傾いたり跳
ねた時に、空気供給室17内にスプレーされた水が跳ね
上がって、前記空気導入ダクト25内にまで侵入したと
しても、該空気導入ダクト25の奥にまでは届かないの
で、空気導入ダクト25やその前方に接続された空気供
給ファン26にまで進入することがない。 【0045】これにより、前記空気供給ファン26の吐
出口26aから、空気導入ダクト25を通って空気供給
室17までの、全体として下向きの空気流路が形成され
る。なお、空気供給ファン26の空気導入部分又は空気
導入ダクト25の途中には空気中の塵埃(じんあい)、
汚染物質、有害成分等を除去するためのフィルタが配設
されることが望ましい。 【0046】この場合、燃料電池セルに供給される空気
の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要
がない。そのため、前記空気供給ファン26、空気導入
ダクト25、空気供給室17、後述される空気排出室1
8、接続マニホールド19、空気排出ダクト27L、2
7R等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化
することができる。 【0047】また、前記燃料電池セルの前記空気流路の
一端に対する他端には、前記空気流路から排出された空
気を排出するための空気排出室18が取り付けられる。
さらに、該空気排出室18の後方には、空気を車両の外
部に排出するための接続マニホールド19が接続され
る。該接続マニホールド19は、複数に分岐して燃料貯
蔵手段12の内部を通過し、後方に配設された左右の空
気排出ダクト27L、27Rに接続される。 【0048】なお、前記燃料電池セル内には、図1にお
ける上下方向に延在する多数の空気流路が形成され、該
空気流路の一面が酸素極に接している。そして、該酸素
極の反対側には固体高分子電解質膜を挟んで燃料極が配
設され、該燃料極に接して水素ガスの通路としての燃料
流路が形成されている。 【0049】また、前記燃料電池スタック11は、前方
(図における左方)がわずかに下になるように、傾いた
状態で配設される。そして、前記空気供給室17の上面
は、図1に示されるように、水平になっている。そのた
め、空気導入ダクト25から送り込まれた酸化剤として
の空気の流路断面が、空気供給室17の前方から後方へ
向かって狭くなるので、空気はすべての空気流路へ均等
に導入される。なお、前記空気供給室17の上面の高さ
は、その上を覆うように配設される車室や荷室の床板の
高さを低くするために、できる限り低いことが望まし
い。 【0050】一方、空気排出室18の下面も水平になっ
ているので、空気流路から排出された空気の流路断面
が、前記空気排出室18の前方から後方へ向かって広く
なるので、空気はスムーズに接続マニホールド19に向
けて排出される。これにより、空気は、図5において矢
印で示されるように、前記燃料電池セルの空気流路か
ら、空気排出室18、接続マニホールド19及び左右の
空気排出ダクト27L、27Rを通って、大気中に排出
される。なお、前記空気排出室18の下面も、前記燃料
電池スタック11の取付位置及び車室や荷室の床板の高
さを低くするために、できる限り下方に突出しないこと
が望ましい。すなわち、前記空気排出室18の厚さはで
きる限り薄いことが望ましい。 【0051】ところで、前記水供給ノズルからスプレー
された水は、重力及び空気の流れによって、多数の前記
空気流路内に進入する。そして、酸素極を湿潤な状態に
保つので、酸素極と燃料極とに挟まれた固体高分子電解
質膜が良好に機能する。また、燃料である水素と酸化剤
である酸素とが結合して水を生成する電気化学反応にお
いて、反応熱が発生するが、該反応熱は前記スプレーさ
れた水によって吸収される。すなわち、前記スプレーさ
れた水は冷却作用も果たすものである。 【0052】ここで、スプレーされた水は液体の状態、
すなわち、液相であり、反応熱を吸収して気化する。そ
のため、気化潜熱によって空気流路内の酸素極等を冷却
するので、冷却効率が極めて高い。また、常圧の空気中
に液相の水をスプレーするだけなので、前記水供給ノズ
ルは通常のものであってよく、特別の構成を有する必要
がない。 【0053】そして、前記スプレーされた水は前記空気
流路の下端から、空気とともに排出される。この場合、
液相の水は、そのままの状態で空気排出室18の底面に
一旦(たん)貯留される。また、空気とともに排出され
た気相の水、すなわち、水蒸気は、空気排出室18内に
配設された金網、金属ロッド等の部材にトラップされ、
冷却され、凝縮されて液体となる。そして、空気排出室
18の底面に一旦貯留される。なお、水分を分離した空
気は、前記空気排出室18に接続された接続マニホール
ド19を通って外部に排出される。 【0054】ここで、前記空気排出室18内の後方下端
部は、水排出管路としての排水管22に接続される。そ
して、該排水管22は排水ポンプ14の吸引口に連結さ
れているので、空気排出室18の底面に一旦貯留された
水は、孔から吸い込まれ、前記排水管22を通って排出
される。 【0055】そして、該排水管22を通って排水ポンプ
14に吸引された水は、図6における実線の矢印で示さ
れるように、該排水ポンプ14の吐出口に一端が接続さ
れ、水タンク13の上面に他端が接続された水排出管路
としての連結管23を通って、水タンク13内に流入し
て貯留される。 【0056】また、前記空気排出ダクト27L、27R
にも図示されない凝縮器が配設され、外部に排出される
空気に含まれる水を凝縮して分離するようになってい
る。そして、分離された水は、図示されない排水管を通
って排水ポンプ14に吸引され、水タンク13内に貯留
される。ここで、前記凝縮器は、例えば、金網、金属ロ
ッド等であるが、いかなるものであってもよい。 【0057】なお、該水タンク13に貯留された水は、
図6において点線の矢印で示されるように、図示されな
い循環ポンプ、水供給管路等を通って水供給ノズルに再
度供給されて、スプレーされる。 【0058】これにより、水はほとんどがリサイクルさ
れて使用されるので、水の補給量を少なくすることがで
きる。 【0059】なお、前記蓄電手段としての2次電池は、
いわゆる、バッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッ
ケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオ
ン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的であるが、電気
自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン
電池、ナトリウム硫黄電池、ニッケル水素電池等が望ま
しい。 【0060】例えば、本実施の形態においては、1例と
して、高性能鉛蓄電池を使用する。この場合、開放端子
電圧は約50〔V〕であり、約1〔kW〕の電流を5〜
20分程度供給することができる程度の容量を有する。 【0061】なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリ
でなくてもよく、電気二重層コンデンサのようなコンデ
ンサ(キャパシタ)、フライホイール、超伝導コイル、
畜圧器等のように、エネルギーを電気的に蓄積し放出す
る機能を有するものであれば、いかなる形態のものであ
ってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使
用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用しても
よい。 【0062】また、前記燃料電池セルは図示されない負
荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。こ
こで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるイン
バータ装置であり、前記燃料電池セル又はバッテリから
の直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転さ
せる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発
電機としても機能するものであり、車両の減速運転時に
は、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆
動モータは車輪によって回転させられて発電するので、
前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装
置(ブレーキ)として機能する。そして、前記回生電流
がバッテリに供給されて該バッテリが充電される。 【0063】なお、本実施の形態において、燃料電池装
置は図示されない制御手段を有する。該制御手段は、C
PU、MPU等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手
段、入出力インターフェイス等を備え、圧力センサ、そ
の他のセンサから燃料電池セルに供給される水素、酸
素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記
空気供給ファン26、燃料圧力調整弁、燃料供給電磁
弁、燃料排出電磁弁等の動作を制御する。さらに、前記
制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、
燃料電池装置の動作を統括的に制御する。 【0064】このように、本実施の形態においては、空
気導入ダクト25は燃料電池スタック11の上側に取り
付けられた空気供給室17の上面に形成された空気導入
口17aに接続されるようになっている。また、該空気
導入ダクト25は、空気導入口17a周辺において、空
気供給室の上面から上側に伸びるように形成されてい
る。 【0065】したがって、車両が傾いたり跳ねた時に、
空気供給室17内にスプレーされた水が跳ね上がって、
前記空気導入ダクト25の空気導入口17a周辺にまで
侵入したとしても、該空気導入ダクト25の上方にまで
は届かないので、空気導入ダクト25やその前方に接続
された空気供給ファン26の吐出口26aの内部にまで
進入することがない。 【0066】このため、スプレーされた水が流出して燃
料電池セルの空気流路に供給される水の量が減少するよ
うなことがないので、空気流路内の酸素極の表面を湿潤
な状態に維持することができる。そして、固体高分子電
解質膜が良好に機能するので、燃料電池セルの出力が低
下してしまうことがない。また、燃料電池セルの空気流
路に供給する水の総量が減少しないので、水の補給量が
増やす必要もない。 【0067】さらに、逆流した水が空気供給ファン26
の回転翼に衝突して、該回転翼が腐食してしまうことも
ない。 【0068】さらに、逆流した水が空気供給ファン26
の電気配線に付着したり、外部に流出した水が車両の電
気配線に付着することがないので、電気コネクタが腐食
したり、漏電等が発生したりする恐れもない。また、付
着した水が冬季に凍結してしまう恐れもない。 【0069】なお、本発明は前記実施の形態に限定され
るものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させ
ることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除す
るものではない。 【0070】 【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、燃料電池装置においては、燃料極及び該燃料極に
接した燃料流路と、酸素極及び該酸素極に接した空気流
路と、前記燃料極及び酸素極により狭持される電解質膜
を持つ燃料電池セルと、複数の前記燃料電池セルの空気
流路の一端にある空気入口端と接続する空気供給室と、
該空気供給室内に配設された水供給手段と、複数の前記
燃料電池セルの空気流路の他端にある空気出口端と接続
する空気排出室と、空気供給ファンの吐出口と前記空気
供給室の上面に設けられた空気導入口とを連結する空気
導入ダクトとを備え、該空気導入ダクトは、空気導入口
周辺において、空気供給室の上面から上側に伸びるよう
に形成されている。 【0071】この場合、空気供給室内にスプレーされた
水が跳ね上がって、空気導入ダクトや空気供給ファンの
内部にまで進入することがない。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a fuel cell device.
Is what you do. [0002] Conventionally, fuel cells have high power generation efficiency and are harmful.
Since it does not emit substances, it can be used as an industrial or household power generator.
Or as a power source for satellites and spacecraft
In recent years, cars such as passenger cars, buses, trucks, etc.
It is being developed as a power source for both uses. [0003] Various types of fuel cells are known.
And alkaline aqueous solution type, phosphoric acid type, molten carbonate type,
Solid oxide type, direct type methanol, etc.
However, fuel cells using solid electrolytes are promising.
You. In this case, a solid polymer electrolyte membrane is
Are sandwiched between the diffusion electrodes, integrated and joined. And the
One of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode and is in contact with the surface of the fuel electrode.
Hydrogen gas as fuel gas to the fuel electrode through a fuel flow path
Supply hydrogen to hydrogen ions (protons) and electrons
Hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane
You. Further, the other of the gas diffusion electrodes is used as an oxygen electrode,
An oxidant is added to the oxygen electrode through an air flow path in contact with the surface of the element electrode.
When the air is supplied, the oxygen in the air and the hydrogen
The on and electrons combine to produce water. like this
Electromotive force is generated by electrochemical reaction
You. Further, the solid electrolyte, the fuel electrode,
The fuel electrode is combined with the oxygen electrode, the air flow path, and the fuel flow path.
We assume pond cell. Further, a plurality of the fuel cells are stacked.
These are called fuel cell stacks. This fuel cell device
In the installation, by supplying liquid water to the air flow path
Some keep the solid polymer electrolyte membrane wet
(See JP-A-2000-12056). SUMMARY OF THE INVENTION
In conventional fuel cell devices, the air supply fan
It is located at almost the same height as the pond stack. others
Water sprayed into the air supply chamber
And the air provided between the air supply fan and the air supply chamber.
Backflow may occur in the air introduction duct. Generally, in the case of vehicles such as automobiles, occupants and cargo
Drive to increase space for loading objects
Power source, driving force transmission mechanism, etc. under the floor of the cabin or luggage compartment
Is required. Therefore, the conventional fuel cell device
In addition to the fuel cell stack and fuel storage means,
Air supply fan or between the air supply fan and the air supply chamber
The installed air introduction duct should also be installed under the floor
Has become. Therefore, the air supply fan and the air guide
The position of the inlet duct is lower than the position of the air supply chamber,
Water sprayed into the air supply chamber may flow back
There is. FIG. 2 shows a conventional fuel cell device mounted on a vehicle.
Cell stack, air supply fan and air in the unit
FIG. 3 is a view showing an introduction duct, and FIG.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an air flow in the fuel cell device.
You. In the figure, reference numeral 51 denotes a fuel cell stack, 5
6 is an air supply fan. And the fuel cell stack
The hook 51 is attached above the lower frame 53 of the vehicle.
The air supply fan 56 is connected to the fuel cell stack 51.
Can be mounted at almost the same height. Further, on the upper side of the fuel cell stack 51,
Are a plurality of fuel cell cells constituting the fuel cell stack 51.
One end of the air flow path of the
An air supply chamber 54 for introduction is attached. Further
In front of the air supply chamber 54 (left side in the figure),
The air from the air supply fan 56 is sent to the air supply chamber 54
An air introduction duct 55 is connected to the air inlet. Also before
In the air supply chamber 54, water is sprayed (not shown).
A fresh water supply nozzle is provided. On the other hand, the other end of the air passage of the fuel cell unit
On the lower side of the fuel cell stack 51 corresponding to
Air discharge chamber 57 for discharging air discharged from the road
Is attached. Further, behind the air discharge chamber 57
(Right side in the figure) discharges air to the outside of the vehicle
Exhaust duct 61 is connected. The sky
The bottom surface of the gas discharge chamber 57 is connected to a water tank via a drain pipe 58.
52 is continued to the upper surface. In the fuel cell stack 51, as shown in FIG.
A number of air passages extending in the vertical direction are formed,
One surface of the air flow path is in contact with the oxygen electrode. And the oxygen
The fuel electrode is located on the opposite side of the electrode with the solid polymer electrolyte membrane
And a fuel as a hydrogen gas passage in contact with the fuel electrode.
A channel is formed. The fuel cell stack 51 is located at the front.
Is slightly tilted downward.
The upper surface of the air supply chamber 54 is horizontal in the drawing.
It has become. Therefore, it is sent from the air introduction duct 55.
The flow path cross section of the air as the oxidant
As the air becomes narrower from the front to the rear of 54,
It is evenly introduced into all air channels. On the other hand, the lower surface of the air discharge chamber 57 is also horizontal.
Flow section of the air discharged from the air flow path
Is widened from the front to the rear of the air discharge chamber 57.
So that the air flows smoothly to the air discharge duct 61
Is discharged. By the way, spray from the water supply nozzle
The water that has been removed by gravity and air flow
Enter into the air flow path. And make the oxygen electrode wet
The solid polymer electrolyte sandwiched between the oxygen electrode and the fuel electrode
The membrane works well. In addition, hydrogen as fuel and oxidizer
Oxygen, which combines with oxygen to produce water
Reaction heat is generated, and the reaction heat is
Absorbed by spilled water. That is, the spray
The drained water also performs a cooling function. [0016] The sprayed water is air
It is discharged together with air from the lower end of the flow path. in this case,
The water in the liquid phase can be removed from the bottom of the air discharge chamber 57 as it is.
Then, the water flows into the water tank 52 through a drain pipe 58.
Is stored. In addition, gas phase discharged with air
Water, i.e., water vapor, is disposed in the air discharge chamber 57.
Trapped by the wire mesh, metal rod, etc.
And is condensed into a liquid. And the air discharge chamber 57
From the bottom surface, through the drain pipe 58, into the water tank 52
It flows in and is stored. The air from which the water has been separated is discharged to the air exhaust port.
Exhaust through air discharge duct 61 connected to exit chamber 57
It is discharged outside from the pipes 59L and 59R. Where
The air discharge duct 61 is a fuel storage means such as a hydrogen storage alloy.
The exhaust pipe 59L, which passes through the inside of the exhaust pipe 60 and branches left and right,
59R. On the other hand, the water is stored in the water tank 52.
The retained water is returned to the water supply nozzle by a circulation pump or the like.
Supplied and sprayed. As a result, the water
Since most of the water is recycled and used,
Can be reduced. However, in the conventional fuel cell device,
Is that the air supply fan 56 is almost the same as the fuel cell stack 51.
The air supply fan 5 is disposed so as to be at the same height.
For introducing the air supplied from 6 into the air supply chamber 54
The outlet of the air introduction duct 55 is located at the front of the air supply chamber 54.
It is connected to the. Therefore, the air supply from the water supply nozzle
The water sprayed into the supply chamber 54 is
Backflow tends to occur in the direction of the air supply fan 56. In a normal use situation of the fuel cell device
Represents the fuel cell stack as indicated by the arrow in FIG.
The air supplied to the rack 51 flows from the front to the rear of the vehicle.
Therefore, the water sprayed in the air supply chamber 54 conducts air.
Backflow in the direction of the inlet duct 55 and the air supply fan 56
And almost none. However, the vehicle rides on obstacles and steps
When the vehicle leans when crossing or traveling on a rough road
When the vehicle or the vehicle bounces, the air supply chamber 5
4 sprayed into the air introduction duct 55 and the air supply duct.
It may flow backward in the direction of the supply fan 56. Then, it is sprayed into the air supply chamber 54 and
Water flowing in the direction of the air introduction duct 55 and the air supply fan 56
Backflow into the fuel cell air flow path.
The amount of water that is drained decreases. As a result, the air
The surface of the oxygen electrode cannot be kept moist
The solid polymer electrolyte membrane does not function in good condition
As a result, the output of the fuel cell decreases. When the backflowed water flows out, the fuel
The total amount of water supplied to the air passage of the fuel cell decreases,
Replenishment amount increases. Further, the water flowing backward is supplied to the air supply fan 56.
Water that has adhered to the electrical wiring of
Adhesion to air wiring, corrosion of electrical connectors, leakage, etc.
May occur. Further, the water that has flowed back is supplied to the air introduction duct 55.
And leave it attached to the air supply fan 56 in winter
May freeze. The present invention solves the above-mentioned conventional problems,
Provided on the discharge port of the air supply fan and the upper surface of the air supply chamber
Connected air inlet with air inlet duct,
The air inlet duct provides air supply around the air inlet.
By extending upward from the top of the chamber,
The water sprayed into the air supply chamber is
Provides a fuel cell device that does not flow backward to the air supply fan
The purpose is to do. [0025] For this purpose, the fuel of the present invention is provided.
In a fuel cell device, the fuel electrode and the fuel in contact with the fuel electrode
A fuel flow path, an oxygen electrode and an air flow path in contact with the oxygen electrode,
Fuel with an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode
Fuel cells and one of the air flow paths of the plurality of fuel cells.
An air supply chamber connected to the air inlet end at the end;
Water supply means disposed in a supply room, and a plurality of the fuel cells
Air connected to the air outlet end at the other end of the cell air flow path
A discharge chamber, a discharge port of the air supply fan, and the air supply chamber.
An air inlet duct connecting the air inlet provided on the upper surface
And the air introduction duct is provided around the air introduction port.
And extend upward from the upper surface of the air supply chamber.
Have been. Embodiments of the present invention will be described below.
This will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a vehicle according to an embodiment of the present invention.
Fuel cell stack and air conduction of mounted fuel cell device
FIG. 4 is a side view of a main part showing an inlet duct, and FIG. 4 is an embodiment of the present invention.
Schematic plan view of a fuel cell device mounted on a vehicle in,
FIG. 5 is a view showing the fuel mounted on the vehicle according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic sectional view showing the flow of air in the fuel cell device.
Is a fuel cell mounted on the vehicle according to the embodiment of the present invention.
It is a schematic cross section which shows the flow of water in a pond device. In the figure, reference numeral 11 denotes a plurality of fuel cells.
Fuel cell stack (FC) composed of
Cars such as cars, buses, trucks, passenger carts, luggage carts, etc.
Used as a power source for both uses. Here, the vehicle is
Lighting equipment, radio, power windows, etc.
Equipped with many auxiliary devices that consume electricity
Driving patterns are diverse,
The power output range is extremely wide, so the fuel cell
11 and a secondary battery (not shown) as power storage means.
It is desirable to use it. The fuel cell is made of an alkaline aqueous solution.
Type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type
(MCFC), solid oxide type (SOFC), direct type meta
Noll (DMFC), etc.
It is desirable to use a molecular fuel cell (PEMFC). More preferably, hydrogen gas is used as fuel.
PEMFC (Prot) using oxygen or air as an oxidizing agent
on Exchange Membrane Fuel
Cell) type fuel cell or PEM (Proton
Exchange Membrane type fuel cells
What is called. Here, the PEM fuel cell is
Generally, solid polymer electrolytes that transmit ions such as protons
A catalyst, electrode, and separator combined on both sides of the
(Cell) connected in series and multiple
(Stack) (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 11-3172)
No. 35). In this case, the solid polymer electrolyte membrane is
Are sandwiched between the diffusion electrodes, integrated and joined. Then, one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode.
And the fuel electrode is connected to the fuel electrode through a fuel flow path in contact with the surface of the fuel electrode.
When hydrogen gas is supplied as fuel gas, hydrogen is
(Protons) and electrons are separated into hydrogen ions
Permeates through the polymer electrolyte membrane. Further, the gas diffusion electrode
The other is used as an oxygen electrode, and an air flow path is in contact with the oxygen electrode surface.
When air is supplied as oxidizing gas to the oxygen electrode,
The oxygen inside, the hydrogen ions and the electrons combine to form water
Generated. The electromotive force generated by such an electrochemical reaction
Is to occur. For example, in this embodiment, one example
Then, it is a PEM type fuel cell, and 100 cells are connected in series.
Use the stack connected to. In this case, the total electrode area
Is 150 cm Two ] And the open terminal voltage is about 100
[V], the output is about 6 [kW]. And steady operation
The temperature at this time is about 50 to 90 [° C.]. A meta-forming device (not shown) converts the
Water, which is fuel obtained by reforming knol, gasoline, etc.
Raw gas can be supplied directly to the fuel cells,
Stable and sufficient supply of hydrogen even during high-load operation of vehicles
In order to be able to
It is desirable to supply the hydrogen gas stored in 2. here
The fuel storage means 12 is made of hydrogen storage alloy or decalin.
Such as a container containing hydrogen storage liquid
As described above. This
Hydrogen gas is always supplied sufficiently at almost constant pressure
Therefore, the fuel cell may not be able to keep up with changes in vehicle load.
The required current can be supplied immediately following. In this case, the output impedance of the fuel cell is
-Dance is very low and can be approximated to 0
You. In the figure, the fuel cell
A device for supplying hydrogen gas and air as an oxidant is shown.
It is. Here, the fuel cell stack 11 includes a vehicle bottom plate 15.
It is arranged above. Further, the fuel cell stack 11
A fuel storage means 12 is provided at the rear (right side in the figure).
Is disposed on the vehicle bottom plate 15. Further, the fuel storage
Behind the means 12, a drain pump 14 and a water tank 13
Is arranged. Note that the vehicle bottom plate 15 is
The frame may be a strength member or a strength member.
Simply cover the bottom of the vehicle without performing its function
Plate member. And the vehicle bottom plate 1
When 5 is a strength member, the fuel cell stack 11,
The fuel storage means 12, the drain pump 14 and the water tank 13
The vehicle bottom plate 15 is mounted on the vehicle bottom plate 15.
Is not a strength member, the fuel cell stack 11
Charge storage means 12, drain pump 14 and water tank 13,
Attached to a strength member (not shown) separate from the vehicle bottom plate 15
Can be The left and right front wheels 28 of the vehicle shown in FIG.
L, 28R and left and right rear wheels 29L, 29R
When both bottom plates 15 are strength members, the suspension machine
The vehicle bottom plate 15 is attached to the vehicle bottom plate 15 through a structure or the like.
If 15 is not a strength member, use a
To a strength member (not shown) separate from the vehicle bottom plate 15.
Attached. Here, the fuel cell stack 11, the fuel
The storage means 12, the drain pump 14 and the water tank 13 are thin.
It has the shape of a flat rectangular parallelepiped,
That is, since the fuel cell stack is provided in tandem,
Cabin 11 and fuel storage means 12
Even if the floorboard of the luggage compartment is installed, the height of the floor
There is no need to be high. In addition, heavy fuel cell
, Fuel storage means 12, drain pump 14 and water tank
Link 13 is located at a lower position, so the center of gravity of the vehicle
And the stability of the vehicle is improved. Further, the fuel
Fuel cell stack 11, fuel storage means 12, drain pump 1
4 and the water tank 13 are axles of the front wheels 28L, 28R and the rear.
Since it is arranged between the axles of the wheels 29L and 29R,
Heavy objects concentrate near the center of gravity of the vehicle, causing inertia around the center of gravity
The moment is reduced, and the turning performance of the vehicle is improved. The hydrogen gas is stored in the fuel storage means 1.
2 through a fuel supply line (not shown)
The fuel is supplied to each fuel cell of the stack 11. Also before
The fuel supply line has a fuel pressure regulating valve (not shown)
A charge supply solenoid valve, a check valve and a pressure sensor are provided. So
And the hydrogen gas supplied to the fuel cells is
A pressure sensor is used to maintain the set constant pressure.
While monitoring the pressure of hydrogen gas in the fuel supply line,
Adjust the fuel pressure control valve to store hydrogen gas in the fuel storage
Supplied from stage 12. Note that the fuel storage means 12 is
Hydrogen gas with a large capacity per minute and always at a sufficiently high pressure
Has the ability to supply The hydrogen discharged from the fuel cell unit
Gas is discharged to the atmosphere through a fuel discharge line (not shown).
Will be issued. In addition, the hydrogen gas is discharged into the atmosphere as it is.
Instead of combining it with oxygen to form water and then letting it drain.
You may do it. Also, the fuel discharge line is shown in the drawing.
Filter, fuel discharge solenoid valve, check valve, etc.
You. On the other hand, air as an oxidizing agent is shown in FIG.
As shown by the arrow,
The air supply fan 26 as an oxidant supply source
An air guide connected to the discharge port 26a of the air supply fan 26
Through the inlet duct 25 and above the fuel cell stack 11
It is supplied to the attached air supply chamber 17. In addition,
A water supply nozzle that sprays water inside the air supply chamber 17
Are arranged. Here, the air supply fan 26 and the air
The position of the outlet of the introduction duct 25 is the air supply chamber.
Arranged at a position higher than the highest part of 17
It is. Therefore, the air introduction duct 25 is provided in the air supply chamber.
17 is connected to an air inlet 17a formed on the upper surface of
You. Further, the air introduction duct 25 is connected to the air introduction port 17.
a, it extends upward from the upper surface of the air supply chamber around
It is formed as follows. Thus, the vehicle gets over an obstacle or a step.
Vehicle leans or jumps when driving on rough roads
Even when it is knocked, the water supply nozzle is
Sprayed into the air introduction duct 25 and its front
Until the air supply fan 26 reaches the discharge port 26a.
No shedding. That is, the vehicle leans or jumps
When sprayed, the water sprayed into the air supply chamber 17 splashes
Rises and enters the air introduction duct 25.
Even if it does not reach the inside of the air introduction duct 25
And the air supply duct 25 and the air supply connected in front of it.
It does not enter the supply fan 26. As a result, the discharge of the air
Air supply from outlet 26a through air introduction duct 25
A generally downward air flow path is formed up to the chamber 17.
You. In addition, the air introduction part of the air supply fan 26 or the air
In the middle of the introduction duct 25, dust in the air (dust),
A filter is installed to remove pollutants and harmful components
It is desirable to be done. In this case, the air supplied to the fuel cells
Pressure is about atmospheric pressure and it is necessary to pressurize
There is no. Therefore, the air supply fan 26,
Duct 25, air supply chamber 17, air discharge chamber 1 described later
8, connection manifold 19, air discharge duct 27L,
7R etc. do not need to have pressure resistance, so the configuration is simplified
can do. Further, the air flow path of the fuel cell unit
At the other end with respect to one end, the air discharged from the air flow path is provided.
An air discharge chamber 18 for discharging air is attached.
Further, behind the air discharge chamber 18, air is supplied outside the vehicle.
The connection manifold 19 for discharging to the section is connected
You. The connection manifold 19 branches into a plurality of fuel
The left and right sky passing through the inside of the storage means 12 and disposed behind.
It is connected to the air discharge duct 27L, 27R. FIG. 1 shows the inside of the fuel cell.
A number of air passages extending in the vertical direction are formed,
One surface of the air flow path is in contact with the oxygen electrode. And the oxygen
The fuel electrode is located on the opposite side of the electrode with the solid polymer electrolyte membrane
And a fuel as a hydrogen gas passage in contact with the fuel electrode.
A channel is formed. The fuel cell stack 11 is located at the front
(Left side in the figure) tilted slightly down
Arranged in state. And the upper surface of the air supply chamber 17
Are horizontal as shown in FIG. That
As an oxidant sent from the air introduction duct 25
Cross section of the air flow from the front to the rear of the air supply chamber 17
Air narrows toward all air channels
Will be introduced. The height of the upper surface of the air supply chamber 17
Of the floorboards of the cabin and luggage compartment
It is desirable to keep the height as low as possible to keep the height low.
No. On the other hand, the lower surface of the air discharge chamber 18 is also horizontal.
Flow section of the air discharged from the air flow path
Is widened from the front to the rear of the air discharge chamber 18.
Air flows smoothly to the connection manifold 19
And discharged. This causes the air to flow in FIG.
As shown by the mark, the air flow path of the fuel cell
The air discharge chamber 18, the connection manifold 19 and the left and right
Discharged into the atmosphere through air discharge ducts 27L and 27R
Is done. The lower surface of the air discharge chamber 18 is also
The mounting position of the battery stack 11 and the height of the floor panel of the cabin or the cargo room
Do not protrude as low as possible to keep it low
Is desirable. That is, the thickness of the air discharge chamber 18 is
It is desirable to be as thin as possible. By the way, spray from the water supply nozzle
The water that has been removed by gravity and air flow
Enter into the air flow path. And make the oxygen electrode wet
The solid polymer electrolyte sandwiched between the oxygen electrode and the fuel electrode
The membrane works well. In addition, hydrogen as fuel and oxidizer
Oxygen, which combines with oxygen to produce water
Reaction heat is generated, and the reaction heat is
Absorbed by spilled water. That is, the spray
The drained water also performs a cooling function. Here, the sprayed water is in a liquid state,
That is, it is in a liquid phase and absorbs heat of reaction and evaporates. So
Therefore, oxygen electrode etc. in the air flow path is cooled by latent heat of vaporization
Therefore, the cooling efficiency is extremely high. Also, in normal pressure air
Only spray water in the liquid phase to the water supply nozzle.
Can be conventional and have a special configuration
There is no. And, the sprayed water is the air
It is discharged together with air from the lower end of the flow path. in this case,
The liquid water is left as it is on the bottom of the air discharge chamber 18.
Once (simply) stored. It is also discharged with air
The vapor-phase water, ie, water vapor, enters the air discharge chamber 18.
It is trapped by members such as wire nets and metal rods,
It is cooled and condensed into a liquid. And the air discharge chamber
18 is temporarily stored on the bottom surface. In addition, the sky where water was separated
The air is connected to the connection manifold connected to the air discharge chamber 18.
Through the gate 19 to the outside. The rear lower end of the air discharge chamber 18
The unit is connected to a drain pipe 22 as a water discharge pipe. So
Then, the drain pipe 22 is connected to the suction port of the drain pump 14.
Is stored once at the bottom of the air discharge chamber 18.
Water is sucked through the holes and discharged through the drain 22
Is done. Then, a drain pump is passed through the drain pipe 22.
14 is indicated by the solid arrow in FIG.
One end is connected to the discharge port of the drain pump 14 so that
Water drain pipe with the other end connected to the upper surface of the water tank 13
Flows into the water tank 13 through the connecting pipe 23 as
Is stored. The air discharge ducts 27L, 27R
A condenser (not shown) is provided and discharged to the outside
The water contained in the air is condensed and separated
You. The separated water passes through a drain pipe (not shown).
Is sucked by the drain pump 14 and stored in the water tank 13.
Is done. Here, the condenser is, for example, a wire mesh,
And the like, but may be any. The water stored in the water tank 13 is
As shown by a dotted arrow in FIG.
Through the circulation pump, water supply line, etc. to the water supply nozzle.
Supplied and sprayed. Thus, most of the water is recycled.
It can be used with less water
Wear. The secondary battery as the power storage means is as follows:
It is a so-called battery (storage battery).
Kercadmium battery, nickel metal hydride battery, lithium ion
Batteries and sodium-sulfur batteries are common,
High-performance lead-acid batteries used in automobiles, etc., lithium ion
Batteries, sodium-sulfur batteries, nickel-metal hydride batteries, etc. are desirable
New For example, in this embodiment, one example
And use a high performance lead-acid battery. In this case, open terminal
The voltage is about 50 [V], and the current of about 1 [kW]
It has a capacity that can be supplied for about 20 minutes. The power storage means is not necessarily a battery.
It is not necessary to use capacitors such as electric double layer capacitors.
Sensors (capacitors), flywheels, superconducting coils,
Electrically accumulates and discharges energy, such as a pressurizer
Any form that has the function of
You may. In addition, one of these can be used alone
May be used or a combination of multiple
Good. Further, the fuel cell is a negative electrode (not shown).
The load is connected to a load and supplies the generated current to the load. This
Here, the load is generally the drive control device.
A fuel cell or a battery.
DC current is converted to AC current, and the wheels of the vehicle are rotated.
Supply to the drive motor. Here, the drive motor is
It also functions as an electric
Generates a so-called regenerative current. In this case, the drive
The dynamic motor is rotated by the wheels to generate electricity,
Braking the wheels, i.e. the braking system of the vehicle
Acts as a brake (brake). And the regenerative current
Is supplied to the battery to charge the battery. In the present embodiment, the fuel cell device
The device has control means (not shown). The control means is C
Operation means such as PU and MPU, storage means such as semiconductor memory
Pressure sensors,
And hydrogen supplied to the fuel cell from other sensors
Element, air flow, temperature, output voltage, etc.
Air supply fan 26, fuel pressure regulating valve, fuel supply electromagnetic
Controls the operation of valves, fuel discharge solenoid valves, etc. In addition,
The control means cooperates with another sensor and another control device,
The operation of the fuel cell device is controlled overall. As described above, in the present embodiment, the empty
The air introduction duct 25 is located above the fuel cell stack 11.
Air introduction formed on the upper surface of the attached air supply chamber 17
It is adapted to be connected to the mouth 17a. Also, the air
The introduction duct 25 is empty around the air introduction port 17a.
It is formed to extend upward from the upper surface of the air supply chamber.
You. Therefore, when the vehicle leans or bounces,
Water sprayed into the air supply chamber 17 jumps up,
Around the air inlet 17a of the air inlet duct 25
Even if it invades, it will reach above the air introduction duct 25
Is not reachable, so it is connected to the air introduction duct 25 and its front
To the inside of the discharge port 26a of the air supply fan 26
Never enter. As a result, the sprayed water flows out and burns.
The amount of water supplied to the air passage of the fuel cell decreases.
Wet the surface of the oxygen electrode in the air flow path because there is no beating
State can be maintained. And solid polymer electric
Since the degraded membrane works well, the output of the fuel cell is low.
There is no going down. Also, the air flow of the fuel cell
Since the total amount of water supplied to the road does not decrease,
No need to increase. Further, the water that has flowed back is supplied to the air supply fan 26.
Impacts on the rotor blades and corrodes the rotor blades.
Absent. Further, the water that has flowed back is supplied to the air supply fan 26.
Water that has adhered to the electrical wiring of
Electrical connectors are not corroded because they do not adhere to air wiring
And there is no danger of electric leakage or the like. Also,
There is no danger that the water will freeze in winter. The present invention is not limited to the above embodiment.
It is not intended to be
And exclude them from the scope of the present invention.
Not something. As described in detail above, according to the present invention,
Then, in the fuel cell device, the fuel electrode and the fuel electrode
A fuel flow path in contact with the oxygen electrode and an air flow in contact with the oxygen electrode
Channel and electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode
And a plurality of the fuel cells having air
An air supply chamber connected to an air inlet end at one end of the flow path,
Water supply means disposed in the air supply chamber;
Connects to the air outlet at the other end of the fuel cell air flow path
Air discharge chamber, the outlet of the air supply fan and the air
Air connecting the air inlet provided on the upper surface of the supply chamber
An introduction duct, wherein the air introduction duct has an air introduction port.
At the periphery, extend upward from the upper surface of the air supply chamber
Is formed. In this case, the air was sprayed into the air supply chamber.
Water jumps up and the air introduction duct and air supply fan
Never enter the interior.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施の形態における車両に搭載された
燃料電池装置の燃料電池スタック及び空気導入ダクトを
示す要部側面図である。 【図2】従来の車両に搭載された燃料電池装置における
燃料電池スタック、空気供給ファン及び空気導入ダクト
を示す図である。 【図3】従来の車両に搭載された燃料電池装置における
空気の流れを示す模式断面図である。 【図4】本発明の実施の形態における車両に搭載された
燃料電池装置の模式平面図である。 【図5】本発明の実施の形態における車両に搭載された
燃料電池装置における空気の流れを示す模式断面図であ
る。 【図6】本発明の実施の形態における車両に搭載された
燃料電池装置における水の流れを示す模式断面図であ
る。 【符号の説明】 11 燃料電池スタック 17 空気供給室 17a 空気導入口 18 空気排出室 25 空気導入ダクト 26 空気供給ファン 26a 吐出口
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a main part side view showing a fuel cell stack and an air introduction duct of a fuel cell device mounted on a vehicle according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a fuel cell stack, an air supply fan, and an air introduction duct in a conventional fuel cell device mounted on a vehicle. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a flow of air in a conventional fuel cell device mounted on a vehicle. FIG. 4 is a schematic plan view of a fuel cell device mounted on a vehicle according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a flow of air in a fuel cell device mounted on a vehicle according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a flow of water in a fuel cell device mounted on a vehicle according to an embodiment of the present invention. [Description of Signs] 11 Fuel cell stack 17 Air supply chamber 17a Air introduction port 18 Air discharge chamber 25 Air introduction duct 26 Air supply fan 26a Discharge port

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 真規 東京都千代田区外神田2丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者 沖本 亮一 東京都千代田区外神田2丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CX05 5H027 AA06 DD00    ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Makoto Okada             2-19-12 Sotokanda, Chiyoda-ku, Tokyo             Equos Research Co., Ltd. (72) Inventor Ryoichi Okimoto             2-19-12 Sotokanda, Chiyoda-ku, Tokyo             Equos Research Co., Ltd. F term (reference) 5H026 AA06 CX05                 5H027 AA06 DD00

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 (a)燃料極及び該燃料極に接した燃料
流路と、酸素極及び該酸素極に接した空気流路と、前記
燃料極及び酸素極により狭持される電解質膜を持つ燃料
電池セルと、(b)複数の前記燃料電池セルの空気流路
の一端にある空気入口端と接続する空気供給室と、
(c)該空気供給室内に配設された水供給手段と、
(d)複数の前記燃料電池セルの空気流路の他端にある
空気出口端と接続する空気排出室と、(e)空気供給フ
ァンの吐出口と前記空気供給室の上面に設けられた空気
導入口とを連結する空気導入ダクトとを備え、該空気導
入ダクトは、空気導入口周辺において、空気供給室の上
面から上側に伸びるように形成されていることを特徴と
する燃料電池装置。
Claims: 1. A fuel electrode and a fuel flow path in contact with the fuel electrode, an oxygen electrode and an air flow path in contact with the oxygen electrode, and a narrower fuel flow path between the fuel electrode and the oxygen electrode. A fuel cell having an electrolyte membrane held therein, and (b) an air supply chamber connected to an air inlet end at one end of an air flow path of the plurality of fuel cells.
(C) water supply means disposed in the air supply chamber;
(D) an air discharge chamber connected to an air outlet end at the other end of the air flow path of the plurality of fuel cells, and (e) air provided on a discharge port of an air supply fan and an upper surface of the air supply chamber. A fuel cell device, comprising: an air introduction duct connected to an introduction port; wherein the air introduction duct is formed so as to extend upward from an upper surface of the air supply chamber around the air introduction port.
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