JP2005044665A - 燃料電池の空気供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に冷却空気や反応空気を供給するためのファンを駆動するのに必要な消費電力を低下させると共に、簡易な構成で反応空気を加湿して発電効率を向上させ、さらには燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制するようにした燃料電池の空気供給装置を提供する。
【解決手段】冷却空気排出口１２ｃと反応空気供給口１２ｄを連通する連通路１８を設け、燃料電池１２から排出された冷却排気を前記連通路１８を介して空気極に反応空気として供給するように構成する。また、連通路１８の途中に、空気極から排出された反応排気に含まれる水蒸気を反応空気として供給される冷却排気に添加して加湿する加湿器２４を設ける。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池の空気供給装置に関する。

燃料電池は、燃料極に供給された水素と空気極に供給された反応空気（酸素）が電気化学反応を引き起こすことによって発電するが、前記空気極への反応空気の供給は、通常、ファン（エアブロワ）によって行われていた。また、燃料電池には、発電による温度上昇を抑制するための冷却空気が供給されるが、かかる冷却空気の供給は、従来、反応空気を供給するためのファンとは別体に設けられたファンによって行われていた（例えば特許文献１参照）。

ところで、燃料電池の電解質膜が乾燥すると、発電効率が低下する。そこで、反応空気を加湿して電解質膜が乾燥するのを防止することが広く行われている（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−６７７７号公報（図１など） 特開２０００−３０６５９５号公報

上記のように、従来技術にあっては、反応空気供給用と冷却空気供給用の２個のファンを使用していたため、消費電力が大きくなると共に、それらが取り付けられる燃料電池ユニットの大型化や重量増を招くといった不具合があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池に冷却空気や反応空気を供給するためのファンを駆動するのに必要な消費電力を低下させると共に、燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制するようにした燃料電池の空気供給装置を提供することにある。

また、反応空気を加湿するための加湿器の構成が複雑になって大型化すると、同様に燃料電池ユニットの大型化や重量増を招くといった不具合が生じる。

従って、この発明のさらなる目的は、反応空気を加湿して発電効率を向上させると共に、反応空気を加湿するための加湿器の構成を簡易にし、燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制するようにした燃料電池の空気供給装置を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、空気供給ファンによって燃料電池に冷却空気を供給すると共に、前記燃料電池の空気極に反応空気を供給する燃料電池の空気供給装置において、前記冷却空気の排出口と前記反応空気の吸入口を連通する連通路を設け、前記燃料電池から排出された冷却排気を前記連通路を介して前記空気極に反応空気として供給すると共に、前記連通路の途中に、前記空気極から排出された反応排気に含まれる水蒸気を前記反応空気に添加して加湿する加湿器を設けるように構成した。

また、請求項２にあっては、前記加湿器が、中空糸膜からなるように構成した。

また、請求項３にあっては、前記連通路の途中に、前記燃料電池から排出された冷却排気の一部を前記燃料電池の外部に排出し、残りを前記空気極に反応空気として供給する流量制御バルブを設けるように構成した。

請求項１にあっては、空気供給ファンによって燃料電池に冷却空気を供給すると共に、前記燃料電池の空気極に反応空気を供給する燃料電池の空気供給装置において、前記冷却空気の排出口と前記反応空気の吸入口を連通する連通路を設け、前記燃料電池から排出された冷却排気を前記連通路を介して前記空気極に反応空気として供給するように構成した、即ち、１個のエアブロワを駆動することで、燃料電池に冷却空気と反応空気の双方を供給するように構成したので、空気供給用のファンを駆動するのに必要な消費電力を低下させることができると共に、燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制することができる。

また、連通路の途中に、空気極から排出された反応排気に含まれる水蒸気を反応空気に添加して加湿する加湿器を設けるように構成したので、簡易な構成で反応空気を加湿することができ、燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制することができる。さらに、外気より温度の高い冷却排気を反応空気として使用することから、より多くの水分（水蒸気）を取り込むことができ、燃料電池の発電効率をより向上させることができる。

また、請求項２にあっては、前記加湿器が、中空糸膜からなるように構成したので、上記した効果に加え、反応排気に多量に含まれる水蒸気をそのまま反応空気に添加して加湿することができるため、凝縮水を使用して加湿するようにした装置などに比して加湿器の構成が簡易となり、燃料電池ユニットの大型化および重量増をより一層抑制することができる。

また、請求項３にあっては、前記連通路の途中に、前記燃料電池から排出された冷却排気の一部を前記燃料電池の外部に排出し、残りを前記空気極に反応空気として供給する流量制御バルブを設けるように構成したので、上記した効果に加え、流量の多い冷却排気を反応空気として使用した場合であっても、最適な量の反応空気を空気極に供給することができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の空気供給装置の最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池の空気供給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。

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。

燃料電池１２には、燃料電池１２に冷却空気を供給するエアブロワ１６が接続されると共に、冷却排気（燃料電池１２から排出された冷却空気）を反応空気として供給するための連通路１８が接続される。連通路１８の途中には、リリーフバルブ２０（３方弁。前記した流量制御バルブ）が配置され、リリーフバルブ２０のリリーフ側の出口には冷却排気の排出路となる冷却排気排出路２２が接続される。また、連通路１８においてリリーフバルブ２０より下流には、加湿器２４が配置される。

さらに、燃料電池１２には、反応排気（オフガス。空気極から排出された反応空気）の排出路となる反応排気排出路２６が接続される。反応排気排出路２６の途中には、前記した加湿器２４が配置される。即ち、連通路１８と反応排気排出路２６の途中には、同一の加湿器２４が配置される。

また、燃料電池１２には、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。

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。

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。

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。

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。

また、前記したエジェクタ４０には、パージガス排出系８０が接続される。パージガス排出系８０は、エジェクタ４０に接続されたパージガス排出路８２と、パージガス排出路８２の途中に配置された第４の電磁バルブ８４とからなる。

尚、図１において、水素ガスやパージガスの流路となる各流路を太い実線で示し、空気の流路となる各流路を２重線で示した。

図１の説明を続けると、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。

また、燃料電池１２の各単電池１４には、電圧センサ１１６が設けられる。電圧センサ１１６は、燃料電池１２の出力電圧Ｖの大きさに応じた信号を出力し、その出力はＥＣＵ１１０に送出される。

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。

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４４，４６，６０，８４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４４，４６，６０，８４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。

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。

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。

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と共に、エアブロワ１６を動作させる。

エアブロワ１６で吸引された空気は、冷却空気として燃料電池１２に供給される。燃料電池１２から排出された冷却空気（冷却排気）は、一部が冷却排気排出路２２を介して燃料電池１２の外部に排出される一方、残りが連通路１８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。空気極から排出された反応空気（反応排気）は、反応排気排出路２６を介して外部に排出される。

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。

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。

また、ＥＣＵ１１０は、電圧センサ１１６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１１６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８２に配置された第４の電磁バルブ８４を開弁する。

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。

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８２を介して燃料電池１２の外部に排出される。

図２は、燃料電池１２およびそれに接続される連通路１８などの斜視図である。

図２を参照して燃料電池１２およびそれに接続される連通路１８などについて詳説すると、図示の如く、燃料電池１２はケース１２Ａを備える。ケース１２Ａの内部には、前記した単電池１４が積層されて配置される。また、燃料電池１２の側面１２ａには、図示しない冷却空気供給口が設けられ、それを介してエアブロワ１６が接続される。エアブロワ１６の吸気口には、エアフィルタ１６ａが取り付けられる。また、エアブロワ１６はスクロールカバー１６ｂを備え、その内部には、電動モータ１６ｃの出力軸に固定されたファン（図示せず）が配置される。

燃料電池１２の側面１２ｂ（エアブロワ１６が取り付けられた側面１２ａと対向する側面）には、冷却空気排出口１２ｃが設けられ、冷却空気排出口１２ｃには前記した連通路１８が接続される。

連通路１８は、具体的には、第１の連通路１８ａと、第２の連通路１８ｂと、第３の連通路１８ｃとからなり、第１の連通路１８ａの一端は冷却空気排出口１２ｃに接続される一方、第１の連通路１８ａの他端はリリーフバルブ２０を介して第２の連通路１８ｂの一端に接続される。また、第２の連通路１８ｂの他端は、加湿器２４に接続される。

図３は、加湿器２４の断面図である。加湿器２４は、同図に示す中空糸膜２４ａを数千本束ねてケース２４ｂに収容してなる。中空糸膜２４ａは、内径が数百μｍ程度の公知の中空糸である。ケース２４ｂの外周には、冷却排気流入口２４ｂ１および冷却排気流出口２４ｂ２が設けられる。また、ケース２４ｂの両端には、反応排気流入口２４ｂ３と反応排気流出口２４ｂ４が設けられる。上記した第２の連通路１８ｂの他端は、このうち冷却排気流入口２４ｂ１に接続される。

図２の説明に戻ると、第３の連通路１８ｃの一端は、加湿器２４の冷却排気流出口２４ｂ２に接続される一方、第３の連通路１８ｃの他端は、燃料電池の側面１２ａに設けられた反応空気供給口１２ｄに接続される。このように、冷却空気排出口１２ｃと反応空気供給口１２ｄは、連通路１８、リリーフバルブ２０および加湿器２４を介して連通させられる。尚、リリーフバルブ２０のリリーフ側の出口２０ａには、前述したように、冷却排気排出路２２が接続される。

燃料電池の側面１２ｂには、さらに反応空気排出口１２ｅが設けられ、反応空気排出口１２ｅには、前記した反応排気排出路２６が接続される。

反応排気排出路２６は、具体的には、第１の反応排気排出路２６ａと第２の反応排気排出路２６ｂとからなり、第１の反応排気排出路２６ａの一端は、反応空気排出口１２ｅに接続される一方、他端は加湿器２４の反応排気流入口２４ｂ３に接続される。また、加湿器２４の反応排気流出口２４ｂ４には、第２の反応排気排出路２６ｂが接続される。

尚、燃料電池１２には水素ガス供給系３０も接続されるが、図２で図示を省略した。

次いで、エアブロワ１６で吸引された空気の流れについて詳説すると、エアブロワ１６で吸引された空気は、燃料電池１２（より具体的には、単電池１４に形成された冷却空気流路溝（図示せず））に供給される。

燃料電池１２に供給された冷却空気は、発電によって発生した熱を吸収して温度上昇させられた後、冷却空気排出口１２ｃから冷却排気として排出され、第１の連通路１８ａ、リリーフバルブ２０、第２の連通路１８ｂおよび加湿器の冷却排気流入口２４ｂ１を介して加湿器のケース２４ｂの内部に流入させられる。

加湿器のケース２４ｂの内部に流入させられた冷却排気は、中空糸膜２４ａの外周を通過して冷却排気流出口２４ｂ２から第３の連通路１８ｃへと流出し、さらに反応空気供給口１２ｄ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。

また、第１の連通路１８ａに流入させられた冷却排気が増加し、リリーフバルブ２０に作用する圧力が所定の値を超えると、冷却排気の一部がリリーフバルブ２０を介して冷却排気排出流路２２に流入させられ、燃料電池１２の外部に排出される。即ち、冷却排気の一部がリリーフバルブ２０を介して外部に排出されることにより、空気極に反応空気として供給される冷却排気の流量が調節される。これは、必要とされる反応空気の流量が、冷却空気の流量に比して少ないためである。従って、リリーフバルブ２０の動作圧力は、空気極に最適な量の反応空気を供給する、より具体的には、冷却排気の１０分の１程度の流量が反応空気として空気極に供給されるように、適宜設定される。

燃料電池１２の空気極に供給された反応空気は、空気極内で発生した水蒸気を多量に含んだ状態で反応空気排出口１２ｅから反応排気として排出され、第１の反応排気排出路２６ａおよび加湿器の反応排気流入口２４ｂ３を介して加湿器のケース２４ｂの内部に流入させられる。

加湿器のケース２４ｂの内部に流入させられた反応排気は、中空糸膜２４ａの内部を通過して反応排気流出口２４ｂ４から第２の反応排気排出路２６ｂへと流出し、燃料電池１２の外部に排出される。

ここで、中空糸膜２４ａの内部を反応排気が通過すると、中空糸膜２４ａの毛管内で蒸気圧が低下し、反応排気に含まれる水蒸気が凝縮する。水蒸気の凝縮によって生じた凝縮水は、毛管現象によって中空糸膜２４ａの外周へと吸い上げられ、中空糸膜２４ａの外周を通過する冷却排気に添加される。これにより、反応空気として空気極に供給される冷却排気が加湿される。

このように、第１実施例にあっては、冷却空気排出口１２ｃと反応空気供給口１２ｄを連通する連通路１８を設け、燃料電池１２から排出された冷却排気を前記連通路１８を介して空気極に反応空気として供給するように構成した、即ち、１個のエアブロワ１６を駆動することで、燃料電池１２に冷却空気と反応空気の双方を供給するように構成したので、空気供給用のファン（エアブロワ１６）を駆動するのに必要な消費電力を低下させることができると共に、燃料電池ユニット１０の大型化および重量増を抑制することができる。

また、連通路１８の途中に、空気極から排出された反応排気に含まれる水蒸気を反応空気として供給される冷却排気に添加して加湿する加湿器２４を設けるように構成したので、簡易な構成で反応空気を加湿することができ、燃料電池ユニット１０の大型化および重量増を抑制することができる。さらに、外気より温度の高い冷却排気を反応空気として使用することから、より多くの水分（水蒸気）を取り込むことができ、燃料電池１２の発電効率をより向上させることができる。

また、加湿器２４が中空糸膜２４ａからなるように構成したので、反応排気に多量に含まれる水蒸気をそのまま反応空気（冷却排気）に添加して加湿することができるため、凝縮水を使用して加湿するようにした装置などに比して加湿器の構成が簡易となり、燃料電池ユニット１０の大型化および重量増をより一層抑制することができる。

また、連通路１８の途中に、燃料電池１２から排出された冷却排気の一部を燃料電池１２の外部に排出し、残りを空気極に反応空気として供給するリリーフバルブ２０を設けるように構成したので、流量の多い冷却排気を反応空気として使用した場合であっても、最適な量の反応空気を空気極に供給することができる。

以上の如く、この発明の第１実施例にあっては、空気供給ファン（エアブロワ１６）によって燃料電池（１２）に冷却空気を供給すると共に、前記燃料電池（１２）の空気極に反応空気を供給する燃料電池の空気供給装置において、前記冷却空気の排出口（冷却空気排出口１２ｃ）と前記反応空気の吸入口（反応空気供給口１２ｄ）を連通する連通路（１８）を設け、前記燃料電池（１２）から排出された冷却排気を前記連通路（１８）を介して前記空気極に反応空気として供給すると共に、前記連通路（１８）の途中に、前記空気極から排出された反応排気に含まれる水蒸気を前記反応空気に添加して加湿する加湿器（２４）を設けるように構成した。

また、前記加湿器（２４）が、中空糸膜（２４ａ）からなるように構成した。

また、前記連通路（１８）の途中に、前記燃料電池（１２）から排出された冷却排気の一部を前記燃料電池（１２）の外部に排出し、残りを前記空気極に反応空気として供給する流量制御バルブ（リリーフバルブ２０）を設けるように構成した。

この発明の第１実施例に係る燃料電池の空気供給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１に示す燃料電池および連通口などの斜視図である。 図２に示す加湿器の断面図である。

符号の説明

１２ 燃料電池
１２ｃ 冷却空気排出口
１２ｄ 反応空気供給口
１６ エアブロワ（空気供給ファン）
１８ 連通路
２０ リリーフバルブ（流量制御バルブ）
２４ 加湿器
２４ａ 中空糸膜

Claims (3)

1. 空気供給ファンによって燃料電池に冷却空気を供給すると共に、前記燃料電池の空気極に反応空気を供給する燃料電池の空気供給装置において、前記冷却空気の排出口と前記反応空気の吸入口を連通する連通路を設け、前記燃料電池から排出された冷却排気を前記連通路を介して前記空気極に反応空気として供給すると共に、前記連通路の途中に、前記空気極から排出された反応排気に含まれる水蒸気を前記反応空気に添加して加湿する加湿器を設けるように構成したことを特徴とする燃料電池の空気供給装置。
2. 前記加湿器が、中空糸膜からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の空気供給装置。
3. 前記連通路の途中に、前記燃料電池から排出された冷却排気の一部を前記燃料電池の外部に排出し、残りを前記空気極に反応空気として供給する流量制御バルブを設けるように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池の空気供給装置。

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