JP4184890B2 - 燃料電池の空気供給装置 - Google Patents

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、ファンなどによって行われている。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も、通常、ファンなどによって行われている（例えば特許文献１参照）。
特開平７−６７７７号公報（図１など）

ところで、燃料電池を安定に効率良く運転するには、燃料電池を構成する各単電池に冷却空気や反応空気を均一に供給する必要がある。しかしながら、空気の供給装置として、吸引した空気を高圧に圧縮しない遠心式のファンなどを用いた場合、吸入空気の背圧が高圧にならないことから、吸入空気の圧力（流速）が均一にならず、各単電池に冷却空気や反応空気を均一に供給することができないという不具合があった。

そこで、従来、ポンプなどを用いて吸引した空気を例えば１ＫＰａ以上の高圧に圧縮し、吸入空気の背圧を上昇させることで、各単電池に冷却空気や反応空気を均一に供給することが広く行われている。しかしながら、冷却空気や反応空気を高圧に圧縮可能なポンプなどを駆動するには、大きな消費電力が必要となるという不具合があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、吸引した空気を高圧に圧縮しない遠心式のファンを用いつつ、燃料電池を構成する各単電池に空気を均一に供給し、よって燃料電池を安定かつ効率良く運転させると共に、空気の供給装置を駆動するのに必要な消費電力を低減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。

上記の課題を解決するために、請求項１にあっては、遠心式のファンで吸引した空気を、下流に向かって拡径するマニホールドを介して燃料電池に供給する燃料電池の空気供給装置において、前記マニホールドにスポンジからなる整流器を設けると共に、前記スポンジの厚さを、前記吸引した空気から受ける圧力が高い部位ほど厚く設定するように構成した。

請求項１にあっては、遠心式のファンで吸引した空気を、下流に向かって拡径するマニホールドを介して燃料電池に供給する燃料電池の空気供給装置において、前記マニホールドにスポンジからなる整流器を設けると共に、前記スポンジの厚さを、前記吸引した空気から受ける圧力が高い部位ほど厚く設定するように構成したので、吸引した空気を高圧に圧縮しない遠心式のファンを用いた場合であっても、燃料電池を構成する各単電池に空気を均一に供給することができ、よって燃料電池を安定かつ効率良く運転させることができると共に、空気の供給装置を駆動するのに必要な消費電力を低減することができる。

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に冷却空気および反応空気を供給するエアブロワ２０がマニホールド２２を介して接続される。

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。

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２０を動作させる。

エアブロワ２０で吸引された空気は、マニホールド２２を介し、冷却空気あるいは反応空気として各単電池１４に供給される。また、各単電池１４を通過した冷却空気および反応空気は、燃料電池１２の外部へと排出される。

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と、それに接続されたエアブロワ２０およびマニホールド２２の斜視図である。

図２に示すように、燃料電池１２はケース１２Ａを備え、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。ケース１２Ａの側面１２ａ（より具体的には、単電池１４の積層方向Ｄの延長線上に位置する側面）には、水素ガス供給口１２ｂと水素ガス排出口１２ｃが設けられる。水素ガス供給口１２ｂには、前記した水素ガス供給系の第３の流路３４ｃ（図２で図示せず）が接続される一方、水素ガス排出口１２ｃには第４の流路３４ｄ（図２で図示せず）が接続される。

また、ケース１２Ａの側面１２ｄ（前記した側面１２ａと直交する側面）には、前記したマニホールド２２が取り付けられ、マニホールド２２には、エアブロワ２０が接続される。エアブロワ２０の吸気口には、エアフィルタ２０ａが取り付けられる。また、エアブロワ２０はスクロールカバー２０ｂを備え、その内部には、電動モータ２０ｃの出力軸に固定されたファン（図示せず）が配置される。尚、エアブロワ２０は、具体的には、遠心式のファンであり、吸引した空気を数百Ｐａ程度の低圧に圧縮する。

図３は、燃料電池１２からマニホールド２２を取り外すと共に、マニホールド２２を分解して示す斜視図である。

図３に示すように、燃料電池１２の側面１２ｄには、長方形の２個の開口部（符号１２ｅと１２ｆで示す）が、それらの長辺が図２で示した積層方向Ｄと平行になるように穿設される。そのうち、符号１２ｅで示す開口部は、冷却空気の供給口（以下「冷却空気供給口」という）であり、図示しないアノードセパレータに形成された冷却空気流路溝の供給側と連通される。また、符号１２ｆで示す開口部は、反応空気の供給口（以下「反応空気供給口」という）であり、図示しないカソードセパレータに形成された反応空気流路溝の供給側と連通される。図示の如く、冷却空気供給口１２ｅは、反応空気供給口１２ｆより大きく形成される。

また、燃料電池１２の側面１２ｇ（前記した側面１２ｄと対向する側面）には、長方形の２個の開口部（符号１２ｈと１２ｉで示す）が、それらの長辺が前記積層方向Ｄと平行になるように穿設される。そのうち、符号１２ｈで示す開口部は、冷却空気の排出口（以下「冷却空気排出口」という）であり、前記冷却空気流路溝の排出側と連通される。また、符号１２ｉで示す開口部は、反応空気の排出口（以下「反応空気排出口」という）であり、前記反応空気流路溝の排出側と連通される。図示の如く、冷却空気排出口１２ｈは、反応空気排出口１２ｉより大きく形成される。

マニホールド２２は、本体２２ａと、カバー２２ｂとからなる。本体２２ａは、空気吸入口２２ｃと空気吐出口２２ｄを備えると共に、空気吸入口２２ｃ側（上流）から空気吐出口２２ｄ側（下流）に向けて拡径される拡径部２２ｅを備える。また、本体２２ａにおいて、拡径部２２ｅの一方の側面は開口され、そこにカバー２２ｂが取り付けられる。

本体２２ａの空気吸入口２２ｃには、前記したエアブロワ２０が接続される。また、空気吐出口２２ｄは、燃料電池１２の側面１２ｄと略同じ大きさに形成され、本体２２ａが燃料電池１２に取り付けられるとき、側面１２ｄに穿設された冷却空気供給口１２ｅおよび反応空気供給口１２ｆを空気吐出口２２ｄで覆うように構成される。

カバー２２ｂは、整流板２２ｆを複数枚、具体的には３枚備える。整流板２２ｆは、カバー２２ｂが本体２２ａに取り付けられるとき、その一部がエアブロワ２０の出口流路２０ｄの内部に挿入されると共に、残りの部分が本体２２ａの拡径部２２ｅに配置される。尚、３枚の整流板２２ｆは、それらの離間距離がマニホールド２２の下流（空気吐出口２２ｄ側）に向かって大きくなるように配置される。

また、本体２２ａにおいて、整流板２２ｆの下流（具体的には、拡径部２２ｅと空気吐出口２２ｄの間）には、パンチングプレート２２ｇ（整流器）が取り付けられる。パンチングプレート２２ｇは、小孔が等間隔に複数個（多数）穿設される。

次いで、図３を参照して冷却空気および反応空気の流れについて説明すると、エアブロワ２０によって吸引された空気は、エアフィルタ２０ａによって粉塵が除去された後、出口流路２０ｄおよび拡径部２２ｅへと流入し、その内部に配置された整流板２２ｆによって整流されて流速が略均一化される。流速が略均一化された空気は、パンチングプレート２２ｇを通過することによってさらに整流され、その流速が均一化される。尚、パンチングプレート２２ｇの小孔は、吸引した空気に所定の圧力損失を与えるように、その大きさと間隔が設定される。

流速が均一化された空気は、空気吐出口２２ｄから吐出された後、燃料電池１２の冷却空気供給口１２ｅおよび反応空気供給口１２ｆに流入される。冷却空気供給口１２ｅに流入させられた空気は、各単電池のアノードセパレータに形成された冷却空気流路溝に、冷却空気として均一に供給される。冷却空気流路溝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、冷却空気流路溝の排出側から冷却空気排出口１２ｈを介して燃料電池１２の外部へと排出される。

一方、反応空気供給口１２ｆに流入した空気は、各単電池のカソードセパレータに形成された反応空気流路溝に、反応空気として均一に供給される。反応空気流路溝に供給された反応空気は、反応空気流路溝の排出側から反応空気排出口１２ｉを介して燃料電池１２の外部へと排出される。尚、反応空気の供給口１２ｆ、排出口１２ｉが、それぞれ冷却空気の供給口１２ｅ、排出口１２ｈより小さく形成されるのは、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り、具体的には、冷却空気の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、それらの開口面積が適宜設定される。

このように、第１実施例にあっては、下流に向かって拡径するマニホールド２２に複数枚の整流板２２ｆを設け、前記整流板２２ｆをそれらの離間距離がマニホールド２２の下流（空気吐出口２２ｄ側）に向かって大きくなるように配置すると共に、前記整流板２２ｆより下流にパンチングプレート２２ｇからなる整流器を設けるように構成したので、吸引した空気を高圧に圧縮しないエアブロワ２０（遠心式のファン）を用いた場合であっても、燃料電池１２を構成する各単電池１４に空気（冷却空気および反応空気）を均一に供給することができ、よって燃料電池１２を安定かつ効率良く運転させることができると共に、空気の供給装置であるエアブロワ２０を駆動するのに必要な消費電力を低減することができる。

次いで、この発明の第２実施例に係る燃料電池の空気供給装置について説明する。

図４は、第２実施例に係る燃料電池の空気供給装置を示す斜視図である。第１実施例との相違点に焦点をおいて説明すると、この実施例にあっては、整流器としてパンチングプレートの代わりにスポンジを設けるように構成した。

図４において、符号２２ｈは、ウレタン製のスポンジを示す。スポンジ２２ｈは、大きな孔が多数穿設された金属製の台座プレート２２ｉを介し、整流板２２ｆの下流（拡径部２２ｅと空気吐出口２２ｄの間）に配置される。

即ち、第２実施例にあっては、エアブロワ２０で吸引された空気は、整流板２２ｆによって整流されて流速が略均一化された後、スポンジ２２ｈを通過することによってさらに整流され、その流速が均一化される。尚、スポンジ２２ｈのセルサイズは、吸引した空気に所定の圧力損失を与えるように、その大きさが設定される。

このように、第２実施例にあっては、整流板２２ｆより下流にスポンジ２２ｈからなる整流器を設けるように構成したので、第１実施例と同様に、吸引した空気を高圧に圧縮しないエアブロワ２０（遠心式のファン）を用いた場合であっても、燃料電池１２を構成する各単電池１４に空気（冷却空気および反応空気）を均一に供給することができ、よって燃料電池１２を安定かつ効率良く運転させることができると共に、空気の供給装置であるエアブロワ２０を駆動するのに必要な消費電力を低減することができる。

尚、残余の構成および効果は第１実施例と同様であるので、説明を省略する。

次いで、この発明の第３実施例に係る燃料電池の空気供給装置について説明する。

図５は、第３実施例に係る燃料電池の空気供給装置を示す斜視図である。従前の実施例との相違点に焦点をおいて説明すると、この実施例にあっては、従前の実施例でカバー２２ｂに形成されていた整流板２２ｆを除去する一方、整流器として用いるスポンジの厚さを部分的に相違させるように構成した。

図５において、符号２２ｈ２は、第３実施例に係るスポンジを示す。スポンジ２２ｈ２も、第２実施例と同様にウレタン製である。

ここで、この実施例にあっては、カバー２２ｂに形成されていた整流板を除去したことから、エアブロワ２０で吸引された空気は、出口流路２０ｄおよび拡径部２２ｅを介し、整流されることなくスポンジ２２ｈ２に至る。

図６は、吸引した空気からスポンジ２２ｈ２の表面が受ける圧力を示す説明図である。

図６において、斜線の間隔が狭い領域ほど、作用する圧力が高い（別言すれば、流速が大きい）領域であることを示す。即ち、図６では、スポンジ２２ｈ２を８個の領域に分割して圧力分布を測定したとき、領域１，２，４，５，７，８に作用する圧力がほぼ同一であり、領域６に作用する圧力が前記領域１，２，４，５，７，８に作用する圧力より高く、さらに領域３に作用する圧力が前記領域６に作用する圧力より高かったことを示す。

図６に示すような測定結果が得られたとき、スポンジ２２ｈ２の厚さが各領域で一定であるとすると、領域１，２，４，５，７，８を通過する空気の流量よりも、領域６を通過する流量の方が多くなり、さらには領域６を通過する流量よりも、領域３を通過する流量の方が多くなる。

そこで、第３実施例にあっては、スポンジ２２ｈ２の厚さを、吸引した空気から受ける圧力が高い部位ほど厚く設定する、換言すれば、吸引した空気から受ける圧力が高い部位ほど圧力損失が大きくなるように設定した。

図７は、領域１，２，４，５，７，８の厚さを１としたときの、領域３および領域６の厚さを比で示す説明図である。

図７に示すように、領域１，２，４，５，７，８の厚さに対する領域６の厚さを例えば１．３倍とし（図５で領域６を符号ｒ６で示す）、領域３の厚さを例えば１．８倍に設定する（図５で領域３を符号ｒ３で示す）ことで、それらの領域の圧力損失を大きくすることができ、よってスポンジ２２ｈ２を通過した後の空気の圧力（流速）を均一化することができる。従って、従前の実施例と同様に、吸引した空気を高圧に圧縮しないエアブロワ２０（遠心式のファン）を用いた場合であっても、燃料電池１２を構成する各単電池１４に空気（冷却空気および反応空気）を均一に供給することができ、よって燃料電池１２を安定かつ効率良く運転させることができると共に、空気の供給装置であるエアブロワ２０を駆動するのに必要な消費電力を低減することができる。

尚、残余の構成および効果は従前の実施例と同様であるので、説明を省略する。

以上の如く、この発明の第１および第２実施例にあっては、遠心式のファン（エアブロワ２０）で吸引した空気を、下流に向かって拡径するマニホールド（２２）を介して燃料電池（１２）に供給する燃料電池の空気供給装置において、前記マニホールド（２２）に複数枚の整流板（２２ｆ）を設け、前記整流板（２２ｆ）をそれらの離間距離が前記マニホールド（２２）の下流に向かって大きくなるように配置すると共に、前記整流板（２２ｆ）より下流にパンチングプレート（２２ｇ）およびスポンジ（２２ｈ）の少なくともいずれかからなる整流器を設けるように構成した。

また、第３実施例にあっては、遠心式のファン（エアブロワ２０）で吸引した空気を、下流に向かって拡径するマニホールド（２２）を介して燃料電池（１２）に供給する燃料電池の空気供給装置において、前記マニホールド（２２）にスポンジ（２２ｈ２）からなる整流器を設けると共に、前記スポンジ（２２ｈ２）の厚さを、前記吸引した空気から受ける圧力が高い部位（例えば、領域３および領域６）ほど厚く設定するように構成した。

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に示す燃料電池と、それに接続されたエアブロワおよびマニホールドの斜視図である。 図２に示す燃料電池からマニホールドを取り外すと共に、マニホールドを分解して示す斜視図である。 この発明の第２実施例に係る燃料電池の空気供給装置を示す斜視図である。 この発明の第３実施例に係る燃料電池の空気供給装置を示す斜視図である。 図５に示すスポンジの表面が、吸引した空気から受ける圧力を示す説明図である。 図６に示すスポンジの領域１，２，４，５，７，８の厚さを１としたときの、領域３および領域６の厚さを比で示す説明図である。

符号の説明

１２ 燃料電池
２０ エアブロワ（遠心式のファン）
２２ マニホールド
２２ｆ 整流板
２２ｇ パンチングプレート
２２ｈ スポンジ
２２ｈ２ スポンジ

Claims (1)

1. 遠心式のファンで吸引した空気を、下流に向かって拡径するマニホールドを介して燃料電池に供給する燃料電池の空気供給装置において、前記マニホールドにスポンジからなる整流器を設けると共に、前記スポンジの厚さを、前記吸引した空気から受ける圧力が高い部位ほど厚く設定す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。

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