JP2007042490A

JP2007042490A - 燃料電池ケースの除湿構造

Info

Publication number: JP2007042490A
Application number: JP2005226472A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ichikawa; 浩之市川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-02-15

Abstract

【課題】燃料電池ケース内を除湿する燃料電池ケース除湿構造を提供する。
【解決手段】燃料電池単位セルから構成される燃料電池スタックを収納する燃料電池ケース内を除湿する燃料電池ケースの除湿構造であって、燃料電池ケースに設けられ、外部装置によって送られる空気を、その燃料電池ケース内に導入する導入口と、燃料電池ケースに設けられ、導入口から導入された空気を、その燃料電池ケースから排出する排出口と、燃料電池ケース内に設けられ、その燃料電池ケース内の湿気を吸収する吸湿体とを有することを特徴とする燃料電池ケースの除湿構造を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、燃料電池ケースの除湿構造に関する。

水素Ｈ₂を含有する燃料ガスと、酸素Ｏ₂を含有する酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池単位セル（以下「単セル」という）から構成される燃料電池スタックの研究開発が進められている。

燃料電池スタックは、積層された複数の単セルと、その両側のエンドプレートとから構成される。単セルは、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下「ＭＥＡ」という）とその両側のセパレータとから構成される。ＭＥＡは電解質膜の一方の面に形成される燃料極と、他方の面に形成される酸化剤極とから構成される。

燃料電池スタックの運転中には、セパレータから燃料極に燃料ガスが行きわたる。同時に、セパレータから酸化剤極に酸化剤ガスが行きわたる。このことにより燃料極と酸化剤極とでは、それぞれ次に示す反応式（１），（２）の反応が生じる。

燃料極：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^-・・・（１）
酸化剤極：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ・・・（２）
このような燃料電池スタックは、自動車などの車両に用いられると外部からの砂塵や埃、水滴などがかかるおそれがある。そこで通常は、燃料電池スタックは燃料電池ケースなどの密閉容器に収納されている。

ところで、運転中には各単セルにおいて水が生成される（式（２）参照）。この水の大部分は、酸化剤極上の酸化剤ガスの流れによって、セパレータからケースの外部へと続くマニフォールドを通して排出される。しかし、この水の一部は酸化剤極上に残留してしまう。この一部の水は、ＭＥＡなどを通って燃料電池スタック外へ移動する。このようにして移動した水は、燃料電池ケースの内部で水蒸気として存在する。燃料電池スタックの運転が停止するとケース内部の温度が低下する。すると、ケースの内部の水蒸気が凝縮して、ケースの底面には水が溜まる。

そこで、特許文献１では、燃料電池ケースが底面に排水口を設け、この排水口からドレインホースを通して上述の水を排出するようにしている。
特開２００１−１１０４３９号公報

しかし、ドレインホースが蛇行している場合には、排水口からの水がこの蛇行している部分に溜まる。このように水が溜まると、燃料電池ケースは排水口からスムーズに排水することができないため、ドレインホースのレイアウトを考慮する必要が生じる。また、このような燃料電池ケースを備えた自動車が傾いて停車したときは、水が排水口以外のところに溜まってしまう。すると燃料電池ケースは排水口から水を排出することができない。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ケース内の水蒸気を取り除くことで、ケース内での結露を予め防止し、ケースの底面に水が溜まらないようにすることができる燃料電池ケース除湿構造の提供を目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

燃料電池単位セルから構成される燃料電池スタック（１）を収納する燃料電池ケース（１０）内を除湿する燃料電池ケースの除湿構造（１００）であって、前記燃料電池ケース（１０）に設けられ、外部装置によって送られる空気を、その燃料電池ケース（１０）内に導入する導入口（１１）と、前記燃料電池ケース（１０）に設けられ、前記導入口（１１）から導入された空気を、その燃料電池ケース（１０）から排出する排出口（１２）と、前記燃料電池ケース（１０）内に設けられ、前記導入口（１１）からの強制換気を停止した後でも、その燃料電池ケース（１０）内の湿気を吸収する吸湿体（１３）とを有することを特徴とする燃料電池ケースの除湿構造（１００）を用いる。

本発明によれば、燃料電池ケース内の水蒸気を予め取り除くことができ、ケース内での水の凝縮を防止する燃料電池ケースの除湿構造を提供することができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の燃料電池ケース除湿構造の第１実施形態を示す図である。

燃料電池ケース除湿構造１００は、燃料電池ケース１０と、空気ポンプ２０とを有する。

燃料電池ケース１０は、燃料電池スタック１を外部の砂塵や埃、水滴などから保護するための収納ケースである。燃料電池ケース１０は、換気空気導入口１１と、換気空気排出口１２と、吸湿体１３とを有する。

燃料電池スタック１は、積層された複数の単セル（図示せず）を有する。単セルは、電解質膜の一方の面に形成される燃料極と、他方の面に形成される酸化剤極とを有する。

換気空気導入口１１は、燃料電池ケース１０の左側下方に形成される。

換気空気排出口１２は、燃料電池ケース１０の右側上方に形成される。

このように換気空気導入口１１と換気空気排出口１２とは、お互いがケースの反対側に配置される。

吸湿体１３は、換気空気導入口１１の付近であって、換気空気導入口１１と燃料電池スタック１との間に配置される。吸湿体１３は、シリカゲルで形成される。シリカゲルは、珪酸を部分脱水したガラス状の透明な固体であり、乾燥することによって再び水蒸気を吸収することができるという特性がある。

空気ポンプ２０は、燃料電池ケース１０の外部に設けられ、換気空気導入口１１と接続している。空気ポンプ２０は燃料電池ケース１０内を換気するための空気を圧送する。ここで、燃料電池スタック１の運転中は、燃料極に水素Ｈ₂を含む燃料ガスが供給され、燃料極では上記した反応式（１）の反応が生じる。同時に酸化剤極に空気Ｏ₂を含む酸化剤ガスが供給され、酸化剤極では上記した反応式（２）の反応が生じる。反応式（２）で生じた水の大部分は、酸化剤極上の酸化剤ガスの流れによって、燃料電池ケース１０の外部へと続くマニフォールドを通して排出される。しかし、反応式（２）で生じた水の一部は酸化剤極上に残留している。この一部の水は、電解質膜などを通って燃料電池スタック１の外部へ移動する。このとき燃料電池ケース１０内は燃料電池スタック１の運転による発熱のため、温度が高くなっている。このため、上述のように移動した水はケース内で水蒸気として存在する。空気ポンプ２０は、このような水蒸気を除去するために、燃料電池スタック１の運転中に燃料電池ケース１０内へ空気を圧送するのである。空気ポンプ２０によって圧送された空気は、換気空気導入口１１から燃料電池ケース１０内へ導入され、換気空気排出口１２から排出される。この空気の流れによって燃料電池ケース除湿構造１００は、燃料電池ケース１０内を換気する。この換気によって上述した燃料電池ケース１０内の上述した水蒸気は排出される。このように空気ポンプ２０は、燃料電池ケース１０内の水蒸気を除去することで、ケース内の湿度が上がりすぎることなく大気中の湿度に近づけるようにしているのである。

運転を停止するときは、燃料電池スタック１は燃料極への燃料ガスの供給を停止する。同時に、燃料電池スタック１は酸化剤極への酸化剤ガスの供給を停止する。このように燃料電池スタック１が燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を停止すれば、上記の式（１），（２）の反応は生じないと考えられ、燃料電池ケース１内に水蒸気は生じないと考えられる。しかし実際には、燃料極上には運転中に供給された燃料ガスが残留している。同様に、酸化剤極上には運転中に供給された酸化剤ガスが残留している。これらの残留しているガスによって、運転を停止した後でも燃料電池スタック１には微量の水が生じる（式（２）参照）。この微量の水は、運転中のようにマニフォールドを通して外部へ排出されることがなく、電解質膜などを通って燃料電池スタック１の外部へ移動する。そして、この水は燃料電池ケース１０内では、微量の水蒸気として存在することとなる。

このように運転停止後に生成される微量の水蒸気を除去するために、本実施形態では、燃料電池ケース１０内に吸湿体１３を備えたのである。このことによって燃料電池ケース除湿構造では、吸湿体１３によって、運転停止後に燃料電池ケース１０内に発生した微量の水蒸気を取り除くことができる。したがって、燃料電池ケース１０内での水蒸気の滞留を防止でき、よって、簡便な方法で燃料電池ケース１０内での結露の発生を防止することができるのである。

また本実施形態では、シリカゲルによる吸湿体１３を換気空気導入口１１付近に設けた。したがって、燃料電池ケース除湿構造１００では、運転を再開した後の換気によって吸湿体１３を乾燥させることができる。また、シリカゲルには上述のように、乾燥することによって再び水蒸気を吸収することができるというという特性がある。したがって、燃料電池スタック１が再び運転をしているときに、吸湿体１３の吸湿機能を回復させることができる。このことから、燃料電池ケース除湿構造１００では、単一の吸湿体１３を繰り返し使用して、ケース内の微量の水蒸気を取り除くことができ、よって、燃料電池ケース１０の小型化を図ることができるのである。

換気終了後の燃料電池ケース１０内では、換気終了直前に送られた空気が滞留している。燃料電池を搭載した自動車が湿度の高い場所で停車したときは、換気終了後に、ケース内では換気終了直前に送られた空気の水蒸気によって結露が発生するおそれがある。ここで燃料電池ケース除湿構造１００では吸湿体１３によって、この水蒸気をも取り除くことができ、よって、燃料電池ケース１０内での大気中の水蒸気による結露の発生をも防止することができるのである。

また、上述した従来技術では、燃料電池ケース内で凝縮し底面に溜まった液水をドレインホースを介して排出するようにしているため、円滑に排水できるようにドレインホースのレイアウトを工夫する必要があり、そのような配索経路を確保しなければならなかった。また、自動車が傾いて停車したときには、上述のようにケースの底面の排水口から水を排出することができなくなるおそれがあった。

ところが燃料電池ケース除湿装置１００では、燃料電池スタック１の運転中にケース内で発生した水蒸気を空気ポンプ２０で排出するようにし、運転停止後に発生した水蒸気を吸湿体１３で除去するようにしたので、ケース内での水蒸気の凝縮による水の排出を考慮する必要がなくなった。このことから、従来技術のようにドレインホースを設ける必要がなくなり、また、自動車が傾いて停車してもケース内の水蒸気を確実に除去できるようになったのである。
（第２実施形態）
図２は、本発明の燃料電池ケース除湿構造の第２実施形態を示す図である。

第１実施形態では吸湿体１３を換気空気導入口１１付近に備えるが、本実施形態では吸湿体１３を換気空気排出口１２付近に備える。

燃料電池ケース除湿構造２００も第１実施形態と同様に、運転を再開した後の換気によって吸湿体１３を乾燥させる。このとき吸湿体１３からは水蒸気が取り除かれるが、吸湿体１３が換気空気排出口１２付近に備えられるため、この水蒸気はケース内を通らずに、直接換気空気排出口１２から外部へ排出される。よって、運転を再開した後にケース内の湿度が一時的に上昇してしまうことを軽減することができるのである。
（第３実施形態）
図３は、本発明の燃料電池ケース除湿構造の第３実施形態を示す図である。

第１実施形態では吸湿体１３をシリカゲルで形成するが、本実施形態では吸湿体１３をゼオライトで形成する。ゼオライトとはイオン交換性をもつ合成珪酸塩であり、熱が加えられることによって再び水蒸気を吸収することができるという特性がある。また、第１実施形態では吸湿体１３を換気空気導入口１１付近に配置するが、本実施形態では、燃料電池スタック１上であって、運転中に他の部位よりも高温になる部位に吸湿体１３を配置する。

燃料電池ケース除湿装置３００では、吸湿体１３が、燃料電池スタック１上であって運転中に他の部位よりも高温になる部位に配置されている。ここで他の部位よりも高温になる部位とは、例えば、燃料電池スタック１上であって、換気空気導入口１１からの空気が直接当たることによって冷却される部位を避けた部位であり、その部位を図３に例示してある。また、ゼオライトには上述のように、熱が加えられることで再び水蒸気を吸収することができるというという特性がある。したがって、燃料電池ケース除湿構造３００では、燃料電池スタック１が再び運転をしているときに、吸湿体１３の吸湿機能を回復させることができる。このことから、燃料電池ケース除湿構造３００では、単一の吸湿体１３を繰り返し使用して、ケース内の微量の水蒸気を取り除くことができる。よって、第１実施形態と同様に、複数の吸湿体１３を必要としないことから、燃料電池ケース１０の小型化を図ることができるのである。

本実施形態では吸湿体１３の配置可能な位置が、運転中に燃料電池スタック１において高温となる位置であるので、第１実施形態における吸湿体１３の配置可能な位置（換気空気導入口１１付近）と第２実施形態における吸湿体１３の配置可能な位置（換気空気排出口１２付近）と比べて広くなっている。よって、本実施形態では、吸湿体１３の配置する位置をより自由に選ぶことができるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

燃料電池スタック１を構成する単セルは、上述の構成に限らず、燃料ガス及び酸化剤ガスによって発電する燃料電池単位セルであればよい。また、燃料電池スタック１は少なくとも一つの単セルを有していればよい。

燃料電池ケース１０は、燃料電池スタック１以外に、燃料電池スタック１に関連する放電抵抗器などの補機類を装填してもよい。

燃料電池ケース除湿構造１００〜３００は、燃料電池ケース１０を空気以外の気体によって換気してもよい。

燃料電池ケース１０は、上述した以外の位置に換気空気導入口１１と換気空気排出口１２とを備えてもよい。それぞれの燃料電池ケース１０が、換気空気導入口１１と換気空気排出口１２とを用いて、ケース内を換気できればよい。

燃料電池ケース除湿構造１００，２００，３００は、吸湿体１３を形成する部材の量を、それぞれの燃料電池ケース１０の運転，停止の状況によって必要な分量にすればよい。

第１，２実施形態では、吸湿体１３を、乾燥することで再び水蒸気を吸収することができる部材であれば、シリカゲル以外の部材で形成してもよい。

第３実施形態では、吸湿体１３を、燃料電池スタック１上であって、運転中に吸湿体１３全体に熱を与えることができる程度に発熱する部位に配置すればよい。

第３実施形態では、吸湿体１３を、熱を加えられることで再び水蒸気を吸収することができる部材であれば、ゼオライト以外の部材で形成してもよい。

第１〜第３実施形態の燃料電池ケース除湿構造１００，２００，３００は、それぞれの実施形態の吸湿体１３を組み合わせて用いてもよい。

本発明の燃料電池ケース除湿構造の第１実施形態を説明する図である。本発明の燃料電池ケース除湿構造の第２実施形態を説明する図である。本発明の燃料電池ケース除湿構造の第３実施形態を説明する図である。

符号の説明

１燃料電池スタック
１０燃料電池ケース
１１換気空気導入口（導入口）
１２換気空気排出口（排出口）
１３吸湿体
２０空気ポンプ（外部装置）
１００,２００、３００燃料電池ケース除湿構造

Claims

燃料電池単位セルから構成される燃料電池スタックを収納する燃料電池ケース内を除湿する燃料電池ケースの除湿構造であって、
前記燃料電池ケースに設けられ、外部装置によって送られる空気を、その燃料電池ケース内に導入する導入口と、
前記燃料電池ケースに設けられ、前記導入口から導入された空気を、その燃料電池ケースから排出する排出口と、
前記燃料電池ケース内に設けられ、その燃料電池ケース内の湿気を吸収する吸湿体と、
を有することを特徴とする燃料電池ケースの除湿構造。
前記吸湿体は、一旦湿気を吸収した後であっても、乾燥することによって再び湿気の吸収性能を回復する部材で形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ケースの除湿構造。
前記吸湿体は、シリカゲルである、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池ケースの除湿構造。
前記吸湿体は、前記導入口付近に設けられ、その導入口から導入される空気によって乾燥する、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池ケースの除湿構造。
前記吸湿体は、前記排出口付近に設けられ、その排出口から排出される空気によって乾燥する、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池ケースの除湿構造。
前記吸湿体は、一旦湿気を吸収した後であっても、加熱されることによって再び湿気の吸収性能を回復する部材で形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ケースの除湿構造。
前記吸湿体は、ゼオライトである、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池ケースの除湿構造。
前記吸湿体は、前記燃料電池スタック上であって、運転中に、他の部位よりも高温となる部位に設けられる、
ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の燃料電池ケースの除湿構造。