JP3635938B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排出ガスに含まれる水分を、プロセス空気の加湿に利用するようにした燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平７ー１４５９９号公報に開示の燃料電池装置では、図２に示すように、空気供給導管３から吸い込まれた空気が、電動機３０で駆動される圧縮機６によって所定の圧力に加圧されたのち燃料電池１２に供給される。そして燃料電池１２内で供給空気から酸素が消費された排出ガスは、圧縮機６及び電動機３０と共通な軸２０で連結された膨張機１６により膨張されて大気中へ放出される。
【０００３】
一方、排出ガスに含まれる生成水は、空気排出導管５に設けられた液体分離器１８、２４により分離されて開放型の貯蔵容器７に集められ、その貯溜水はプロセス空気の加湿に供するため、ポンプ８により噴射ノズル１０へと送られて空気供給導管３内に噴射される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち上述の燃料電池装置は、燃料電池１２の排出ガス中に含まれる生成水を分離収容して、これをプロセス空気の加湿に利用することを開示してはいるが、圧縮機６自体の冷却、潤滑など、そのメンテナンスに関する問題についてはなんら言及されてはいない。しかも該装置では、貯蔵容器７内の貯溜水の供給にポンプ８を必要とするため、当然にコスト高となるばかりでなく、車両用に供される燃料電池装置の場合は、搭載性の観点から決定的な不利益を被ることを免れない。
【０００５】
本発明は、給水のためのポンプを必要とすることなく、プロセス空気の加湿と共に圧縮機の保守を全うすることを解決課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１記載の発明に係る燃料電池装置は、燃料電池の空気供給管に接続された圧縮機と、空気排出管に接続された回生機と、上記回生機に至る空気排出管中に配設された水分離槽とを備えた燃料電池装置であって、上記水分離槽の下底部と上記圧縮機の注水部とを給水路により接続し、上記燃料電池の排出ガス圧力により、該水分離槽内の貯溜水を該注水部に向け供給することを特徴としている。
【０００７】
したがって、水分離槽内で分離収容された貯溜水の水面には、構造上、燃料電池の排出ガス圧力が常に作用しているため、ポンプなどを別設のエネルギ源を必要とすることなく、貯溜水は給水路を経て圧縮機の注水部へと圧送され、圧縮機の冷却、潤滑と、プロセス空気への加湿が同時に行われる。
この際、請求項２記載の発明のように、圧縮機の注水部が吸入空気を完全に閉じ込めた圧縮室内に開口されておれば、圧送された水は機外への漏出や吸入管系への逆流などといった不都合を生ぜず、そのすべてが確実に圧縮室内に取り込まれて上記冷却や加湿に寄与する。また、請求項３〜５記載の発明のように、圧縮機の運転状況検出信号によって制御される流量制御弁を給水路に配設したものでは、運転状況に即応して過不足のない給水量を確保することができ、さらに請求項６記載の発明のように、水分離槽に補助排水槽を付設して、水分離槽内の過剰水を適宜収容、排出するようにすれば、水分離槽の保全の面から一層好適である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、燃料電池装置の要部のみ略示した図１に基づいて、本発明の実施形態を具体的に説明する。
燃料電池１０は既に知られるように、平板状の電解質の両面に正極及び負極が積層状に構成されており、この燃料電池１０には圧縮機１１から空気供給管１２を経てプロセス空気が供給され、このプロセス空気は燃料電池１０の図示しない正極空間を通ったのち、空気排出管１３を経由して排出される。燃料電池１０の同様に図示しない負極空間には、燃料供給路を介して水素又は改質された水素を多く含むガスが供給され、燃料電池１０内で水素がプロセス空気に含まれている酸素と反応すると、電気エネルギのほかに生成水及び反応熱を生じ、したがって、多分に水蒸気を含んだ排出ガスが空気排出管１３を通じて排出される。
【０００９】
この排出ガスに含まれる水分を除去するために、該空気排出管１３中には水分離槽１４が設けられており、この水分離槽１４は、外郭円筒壁を有して密閉状に形成されており、筒内上部には小円筒形のセパレータ１４ａが垂下され、かつ、下半部は分離水を貯溜するためには所要のスペースが与えられている。そして外郭円筒壁の上方部には空気排出管１３の入口側が、セパレータ１４ａ内の頂壁には同じく出口側がそれぞれ接続されている。このため、空気排出管１３を経由して水分離槽１４の入口側から流入した排出ガスは、内壁に沿って周回しながら含有水分が物理的に分離されて滴落し、水分を除去された排出ガスは同槽１４の出口側から流出したのち、該排出ガス中に残留するエネルギを回収すべく、回生機（膨張機）１５に導入される。なお、この回生機１５は上記圧縮機１１ともども電動機１６と同心軸上に配設されている。
【００１０】
一方、水分離槽１４の下底壁から延設された給水路２０は、圧縮機１１の注水部１１ａと接続されており、この注水部１１ａは、図示はしないが吸入空気を完全に閉じ込めた段階の圧縮室内に開口されている。２１は、給水路２０上に配設された電磁流量制御弁であって、圧縮機１１から吐出されるプロセス空気の湿度若しくは流量（圧縮機回転数で代用できる）を検出するセンサ２２ａ、２２ｂの出力信号によって給水量が制御される。
【００１１】
すなわち水分離槽１４内の貯溜水は、一つには燃料電池１０の陽イオン交換膜がプロトン導電性を維持するために必要なプロセス空気の加湿用水分として、さらには圧縮機１１の冷却、潤滑及びシール性の向上に供される水分として利用されるが、水分離槽１４の内部、つまり貯溜水の水面には、空気排出管１３を介して運転中は常に排出ガス圧力が作用しているため、ポンプ等別段のエネルギ源を必要とすることなく、貯溜水はこの背圧によって圧縮機１１の注水部１１ａへと送給される。なお、１７は水分離槽１４に付設された補助排水槽で、水分離槽１４の貯水量が設定上限値を超えたとき、これを溢出させて収容し、さらにその収容量が限界値に達したときは、図示しないフロートスイッチなどでこれを検出し、その出力信号により電磁開閉弁１８を開いて排水させる。さらに２３は必要に応じ給水路２０に配設される冷却装置である。
【００１２】
本実施形態はこのように構成されているので、燃料電池１０からの排出ガスは水分離槽１４内で含有水分が分離除去され、分離後の排出ガスは引続き回生機１５に導入されて、該排出ガス中に残留する圧力エネルギが機械的エネルギに変換回収される。一方、分離された水分離槽１４内の貯溜水は、貯溜水に付加される排出ガス圧力を利用してそのまま給水路２０へと送出され、流量制御弁２１の制御に基づいて、プロセス空気の加湿及び圧縮機１１の冷却、潤滑に好適な水量が圧縮機１１の注水部１１ａへ供給される。このとき圧縮機１１の注水部１１ａは、吸入空気を完全に閉じ込めた圧縮室内に開口されているので、圧送された水は機外へ漏出や吸入管系への逆流なども全くなく、そのすべてが確実に取り込まれて有効に機能する。
【００１３】
なお、上述の実施形態では、水分離槽１４の下半部に相応の貯水スペースが設けられているが、例えば水分離機能のみを専有する分離器と、十分な貯水容積をもつ貯水槽とに分割した形態に構成しても、本発明の実施を妨げない。
【００１４】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明は、燃料電池の排出ガスに含まれる生成水を分離貯溜し、この貯溜水を排出ガス圧力により圧縮機の注水部へ供給するようにしたものであるから、プロセス空気のための加湿器に加えて給水用のポンプの省略も可能となるので、とくに車両用に供される燃料電池装置にあっては、搭載性の面で頗る有利である。また、請求項２記載の発明のように、吸入空気を完全に閉じ込めた圧縮室内へ注水するようにしたものでは、圧送された水のすべてが圧縮機に取り込まれて、冷却、潤滑のほかシール性の確保にも有効に機能するので、圧縮機の信頼性を格段と向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池装置の要部のみを略示した説明図。
【図２】従来の燃料電池装置に原理的構成を示す説明図。
【符号の説明】
１０は燃料電池、１１は圧縮機、１１ａは注水部、１２は空気供給管、１３は空気排出管、１４は水分離槽、１５は回生機、２０は給水路

Claims (6)

  1. 燃料電池の空気供給管に接続された圧縮機と、空気排出管に接続された回生機と、上記回生機に至る空気排出管中に配設された水分離槽とを備えた燃料電池装置であって、上記水分離槽の下底部と上記圧縮機の注水部とを給水路により接続し、上記燃料電池の排出ガス圧力により、該水分離槽内の貯溜水を該注水部に向け供給することを特徴とする燃料電池装置。
  2. 上記圧縮機の注水部は、吸入空気を完全に閉じ込めた圧縮室内に開口されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
  3. 上記給水路には、上記圧縮機の運転状況検出信号によって制御される流量制御弁が配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池装置。
  4. 上記圧縮機の運転状況が吐出されるプロセス空気の湿度によって検出されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
  5. 上記圧縮機の運転状況が吐出されるプロセス空気の流量によって検出されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
  6. 上記水分離槽には、貯水量の上限を超えて溢出した過剰水を収容、排出する補助排水槽が付設されていることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の燃料電池装置。
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