JP4657692B2

JP4657692B2 - 燃料電池のカソードガス供給装置

Info

Publication number: JP4657692B2
Application number: JP2004356439A
Authority: JP
Inventors: 勉初谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: JP2006164822A

Description

この発明は、燃料電池のカソードガス供給装置に関する。

従来技術に係る燃料電池のカソードガス供給装置にあっては、カソードガス（空気）をポンプなどのカソードガス吸引手段で吸引し、加湿器で加湿した後に燃料電池に供給するのが一般的である（例えば特許文献１参照）。
特開２０００−３０６５９５号公報（段落００１３，００１４、図１）

上記した特許文献１の図１から明らかなように、従来技術にあっては、カソードガス吸引手段がカソードガスの流れ方向の最上流（カソードガスの流路の最上流）に配置されていた。そのため、カソードガス吸引手段の作動音が直接外部（大気）に漏洩し、騒音が大きくなり易いという不具合があった。

また、ポンプなどの補機類を動作させるためのバッテリを備えない、バッテリレスタイプの発電システムにあっては、燃料電池の発電が開始するまでカソードガス吸引手段を駆動することができない。そのため、燃料電池の始動時は、カソードガス吸引手段から燃料電池に至るまでの流路に残存したカソードガスしか使用できず、酸素不足による始動性の低下を招くおそれがあった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、ポンプなどのカソードガス吸引手段の作動音が外部に漏洩するのを抑制して騒音を低減すると共に、酸素不足による燃料電池の始動性の低下を防止するようにした燃料電池のカソードガス供給装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、空気を吸引して燃料電池にカソードガスとして供給するカソードガス吸引手段を備えたカソードガス供給装置において、前記カソードガスの流れ方向において前記燃料電池よりも下流側に前記カソードガス吸引手段を配置する一方、上流側を大気と連通させて前記カソードガスを前記燃料電池を通じて吸引させると共に、さらに前記カソードガスを加湿する加湿器と前記カソードガス吸引手段とをケーシングに収容して一体的に前記燃料電池に接続するように構成した。

また、請求項２にあっては、前記燃料電池から排出されて前記カソードガス吸引手段を通過したカソードオフガスを前記加湿器に供給するように構成した。

また、請求項３にあっては、前記カソードガス吸引手段と加湿器を、前記燃料電池に着脱機構によって接続するように構成した。

請求項１に係る燃料電池のカソードガス供給装置にあっては、カソードガスの流れ方向において燃料電池よりも下流側にカソードガス吸引手段を配置する一方、上流側を大気と連通させてカソードガスを燃料電池を通じて吸引させるように構成したので、カソードガス吸引手段の作動音が外部に漏洩するのを抑制でき、騒音を低減することができる。また、カソードガスの流れ方向において燃料電池よりも上流側にカソードガス吸引手段が配置されないことから、燃料電池のカソード極を大気に連通させることができる。そのため、燃料電池の始動に必要なカソードガスを確保することができ、酸素不足による燃料電池の始動性の低下を防止することができる。また、加湿器とカソードガス吸引手段とをケーシングに収容して一体的に燃料電池に接続するように構成したので、上記した効果に加え、装置のコンパクト化が可能になると共に、組み立て作業を簡略化することができる。

また、請求項２に係る燃料電池のカソードガス供給装置にあっては、燃料電池から排出されてカソードガス吸引手段を通過したカソードオフガスを加湿器に供給するように構成したので、カソードガス吸引手段の作動音が外部に漏洩するのをより効果的に抑制でき、騒音をより低減することができる。

また、請求項３に係る燃料電池のカソードガス供給装置にあっては、カソードガス吸引手段と加湿器を、燃料電池に着脱機構によって接続するように構成したので、上記した効果に加え、組み立て作業を一層簡略化することができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池のカソードガス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カソードガス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、符号１０は、第１実施例に係る燃料電池のカソードガス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（スタック）は、単電池（セル）１４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、それを挟持するカソード極（空気極）とアノード極（燃料極）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にアノードガス（水素ガス）を供給するアノードガス供給系２０が接続される。アノードガス供給系２０は、アノードガスを高圧で封入したガスボンベ２２と、ガスボンベ２２を燃料電池１２に接続する第１から第４の流路２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ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。

ガスボンベ２２は、手動のボンベバルブ２６を介してレギュレータ２８に接続され、レギュレータ２８は、第１の流路２４ａを介してエジェクタ３０に接続される。第１の流路２４ａの途中には、メインバルブ３２（手動弁）が配置されると共に、メインバルブ３２をバイパスする第２の流路２４ｂが接続される。第２の流路２４ｂの途中には、第１の電磁バルブ３４と第２の電磁バルブ３６が配置される。尚、第１の電磁バルブ３４と第２の電磁バルブ３６は、いずれもノーマル・クローズ型の（非通電時に閉弁し、通電時に開弁する）バルブである。

エジェクタ３０は、第３の流路２４ｃおよび第４の流路２４ｄを介して燃料電池１２のアノード極に接続される。尚、第３の流路２４ｃが供給側の流路であり、第４の流路２４ｄが排出側の流路である。

燃料電池１２には、さらに着脱機構４０によってカソードガスの吸排気系５０が接続される。吸排気系５０は、ケーシング５２を備え、ケーシング５２の内部にはエアクリーナ５４と、加湿器５６と、ポンプ５８（カソードガス吸引手段）とが収容される。

図２は、図１に示す燃料電池１２と吸排気系５０の斜視図である。また、図３は、図２に示す吸排気系５０の一部を断面で表す斜視図である。尚、図２および図３において、燃料電池１２の外観など、本願の要旨に直接の関係を有しない部位については図示を簡略化している。以下、図１から図３を参照し、吸排気系５０について詳説する。

図１および図２に示すように、吸排気系５０のケーシング５２は、直方体（より詳しくは立方体）に形成され、その側面には２本の管路６０，６２が突出して形成される。また、燃料電池１２の側面には、管路６０，６２に対峙する２本の管路６４，６６が突出して形成される。管路６４は、燃料電池１２のカソード極の導入口（図示せず）に連通され、管路６６はカソード極の排出口（図示せず）に連通される。

管路６０，６２の先端には、凸部６０ａ，６２ａが形成される一方、管路６４，６６には前記凸部６０ａ，６２ａと係合されるべき凹部６４ａ，６６ａが形成される。上記した着脱機構４０は、この凸部６０ａ，６２ａと凹部６４ａ，６６ａとから構成される。即ち、燃料電池１２と吸排気系５０は、凸部６０ａ，６２ａと凹部６４ａ，６６ａを係合させることによって接続される。尚、凸部６０ａ，６２ａと凹部６４ａ，６６ａの間には、図示しないシール材が介挿される。また、ケーシング５２の側面には、吸気口７０と排気口７２が穿設される。

図１および図３に示すように、加湿器５６は直方体（より詳しくは立方体）に形成される。加湿器５６は、具体的には、平面視長方形（より詳しくは正方形）の水分透過膜５６ａを複数枚、ケーシング５２の高さ方向に積層してなる。尚、図３において、水分透過膜５６ａはケーシング５２の高さの半分程度までしか積層されていないが、実際にはケーシング５２の底面から上面まで積層される。

加湿器５６は、高さ方向の４つの辺がケーシング５２の各側面の内壁に当接するように配置される。これにより、ケーシング５２の内部には、加湿器５６の１つの側面に接する４つの空間が形成される。

前記したエアクリーナ５４は、上記した４つの空間の中の１つに配置される。以下、エアクリーナ５４が配置された空間を「第１の空間」と呼び、符号５２ａで示す。また、第１の空間５２ａと対向する位置の空間を「第２の空間」と呼び、符号５２ｂで示す。第１の空間５２ａは、前記した吸気口７０を介して大気に連通される。また、前記した管路６０は、第２の空間５２ｂと連通される。

他方、前記したポンプ５８は、第１の空間５２ａと隣接する空間に配置される。以下、ポンプ５８が配置された空間を「第３の空間」と呼び、符号５２ｃで示す。また、第３の空間５２ｃと対向する位置の空間を「第４の空間」と呼び、符号５２ｄで示す。尚、ポンプ５８は、具体的にはルーツポンプ（メカニカルブースターポンプ）であり、図示しない電動モータによって駆動されることにより、空気（カソードガス）を吸引して所定の圧力で吐出する。ポンプ５８の吸入口（図示せず）は、前記した管路６２に接続されると共に、ポンプ５８の吐出口（図示せず）は、第３の空間５２ｃに開口される。また、第４の空間５２ｄは、前記した排気口７２を介して大気に連通される。

このように、エアクリーナ５４、加湿器５６、およびポンプ５８は、吸排気系５０のケーシング５２に収容され、燃料電池１２に一体的に接続される。

加湿器５６（具体的には、積層された水分透過膜５６ａのそれぞれ）には、対向する２つの空間を連通する第１の溝部５６ｂと第２の溝部５６ｃが複数本ずつ形成される。具体的には、第１の空間５２ａと第２の空間５２ｂは、第１の溝部５６ｂを介して連通される。これにより、燃料電池１２（具体的にはそのカソード極）は、管路６４、管路６０、第２の空間５２ｂ、加湿器５６（第１の溝部５６ｂ）、第１の空間５２ａおよび吸気口７０を介して大気に連通される。

また、第３の空間５２ｃと第４の空間５２ｄは、第２の溝部５６ｃを介して連通される。上記から明らかなように、第１の溝部５６ｂと第２の溝部５６ｃは直交する方向に形成されるが、それらは高さ方向に互い違いに配置されるため、実際に交わることはない。

燃料電池１２には、図１に示す如く、さらに出力回路８０が接続される。出力回路８０は、インバータ８２およびリレー８４を介して図示しない外部機器に接続されると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ８６を介してＥＣＵ（電子制御ユニット）８８に接続される。ＥＣＵ８８は、マイクロコンピュータからなり、発電ユニット１０の適宜位置に配置される。また、ＥＣＵ８８には、操作者によってオン・オフ操作自在な運転スイッチ９０が接続されると共に、前記したリレー８４が接続される。

次いで、図１から図３を参照し、燃料電池１２の発電動作について説明する。

ガスボンベ２２に封入された高圧のアノードガスは、ボンベバルブ２６が手動で開弁されることによってレギュレータ２８に供給される。レギュレータ２８で減圧、調圧されたアノードガスは、メインバルブ３２が手動で開弁されることによって第１の流路２４ａを通過してエジェクタ３０に供給され、さらに第３の流路２４ｃを通過して燃料電池１２のアノード極に供給される。

アノード極に供給されたアノードガスは、カソード極に残存するカソードガスと電気化学反応を生じ、よって燃料電池１２の発電が開始される。尚、カソード極は、前述したように大気と連通されているため、ポンプ５８が駆動されていない状態であっても、燃料電池１２を始動させるのに十分な量のカソードガス（酸素）を確保することができる。アノード極およびカソード極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
アノード極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード極：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
従って、全体の反応は下記となる。
全体：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

上記の反応によって燃料電池１２が発電した電力（直流電流）は、出力端子から取り出され、ＥＣＵ８８に動作電源として供給される。尚、アノード極に供給されたアノードガスのうち、カソードガス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２４ｄを通過してエジェクタ３０に還流され、さらに第３の流路２４ｃを通過して再度アノード極に供給される。

燃料電池１２の発電が開始されると、その電力は出力回路８０に設けられたＤＣ−ＤＣコンバータ８６を介してＥＣＵ８８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ＥＣＵ８８は、第１の電磁バルブ３４と第２の電磁バルブ３６の開度を調節してアノードガスの供給量を調整すると共に、ポンプ５８の回転数を調節してカソードガスの供給量を調整する。このように、発電ユニット１０は、ポンプ５８やＥＣＵ８８などの補機類を動作させるためのバッテリを備えない、バッテリレスタイプの発電システムである。

ポンプ５８は、燃料電池１２のカソード極などを通じてカソードガス（空気）を吸引する。具体的には、ポンプ５８の吸引力により、カソードガスが吸気口７０を介して第１の空間５２ａに流入し、加湿器５６に供給される。このとき、カソードガスに含まれる粉塵は、第１の空間５２ａに配置されたエアクリーナ５４によって除去される。

加湿器５６に供給されたカソードガスは、第１の溝部５６ｂを通過して第３の空間５２ｃに流入し、さらに管路６０と管路６４を通過して燃料電池１２のカソード極に供給される。

カソード極に供給されたカソードガスは、ポンプ５８の吸引力によってカソード極から排出される。以下、燃料電池１２から排出されたカソードガスを「カソードオフガス」と呼ぶ。カソードオフガスは、管路６６、管路６２、ポンプ５８および第３の空間５６ｃを通過して加湿器５６に供給される。

加湿器５６に供給されたカソードオフガスは、第２の溝部５６ｃを通過して第４の空間５２ｄに流入し、排気口７２から大気に放出される。このように、ポンプ５８は、カソードオフガスの流路の途中に配置される、別言すれば、カソードガスの流れ方向において燃料電池１２よりも下流側に配置される。

上記した燃料電池１２の反応式からわかるように、カソードオフガスには発電によって生成された生成水が含まれる。かかる生成水は、カソードオフガスが加湿器５６の第２の溝部５６ｃを通過する際、第１の溝部５６ｂを通過するカソードガスに供給される。これにより、カソードガスが加湿される。

また、ＥＣＵ８８は、操作者によって運転スイッチ９０がオン操作されると、出力回路８０に設けられたリレー８４を動作させてインバータ８２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、インバータ８２で所定の周波数の交流電流に変換された後、リレー８４を介して外部機器に供給される。

このように、この発明の第１実施例に係る燃料電池のカソードガス供給装置にあっては、空気を吸引して燃料電池１２にカソードガスとして供給するポンプ５８を、カソードガスの流れ方向において燃料電池１２よりも下流側に配置し、カソードガスを燃料電池１２などを通じて吸引するように構成したので、ポンプ５８の作動音が外部に漏洩するのを抑制でき、騒音を低減することができる。

さらに、カソードガスを加湿する加湿器５６を備えると共に、燃料電池１２から排出されてポンプ５８を通過したカソードオフガスを加湿器５６に供給するように構成したので、ポンプ５８の作動音が外部に漏洩するのをより効果的に抑制でき、騒音をより低減することができる。

また、カソードガスの流れ方向において燃料電池１２よりも上流側にポンプ５８が配置されないことから、燃料電池１２のカソード極を大気に連通させることができる。そのため、燃料電池１２を始動するのに必要な十分な量のカソードガスを確保することができ、よって酸素不足による始動性の低下を防止することができる。

また、エアクリーナ５４、加湿器５６およびポンプ５８を吸排気系５０のケーシング５２に収容して一体的に燃料電池１２に接続するように構成したので、装置のコンパクト化が可能になると共に、組み立て作業を簡略化することができる。さらに、ポンプ５８をケーシング５２の内部に収容することで、作動音の外部への漏洩をより一層効果的に抑制することができる。

また、ケーシング５２を、燃料電池１２に着脱機構４０によって接続するように構成したので、組み立て作業を一層簡略化できる。

以上のように、この発明の第１実施例にあっては、空気を吸引して燃料電池（１２）にカソードガスとして供給するカソードガス吸引手段（ポンプ５８）を備えたカソードガス供給装置において、前記カソードガスの流れ方向において前記燃料電池（１２）よりも下流側に前記カソードガス吸引手段（５８）を配置する一方、上流側を大気と連通させて前記カソードガスを前記燃料電池（１２）を通じて吸引させると共に、さらに前記カソードガスを加湿する加湿器（５６）と前記カソードガス吸引手段（５８）とをケーシング（５２）に収容して一体的に前記燃料電池（１２）に接続するように構成した。

また、前記燃料電池（１２）から排出されて前記カソードガス吸引手段（５８）を通過したカソードオフガスを前記加湿器（５６）に供給するように構成した。

また、前記カソードガス吸引手段（５８）と加湿器（５６）を、前記燃料電池（１２）に着脱機構（４０）によって接続するように構成した。

尚、上記において、ポンプ５８をルーツポンプとしたが、他の形式のポンプでも良い。また、ポンプに代え、ファン（送風機）などでカソードガスを吸引するようにしても良い。

また、吸排気系５０のケーシング５２とそこに収容される加湿器５６を直方体としたが、それらは他の形状であっても良い。

この発明の第１実施例に係る燃料電池のカソードガス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に示す燃料電池と吸排気系の斜視図である。図２に示す吸排気系の一部を断面で表す斜視図である。

符号の説明

１２燃料電池、４０着脱機構、５６加湿器、５８ポンプ（カソードガス吸引手段）

Claims

空気を吸引して燃料電池にカソードガスとして供給するカソードガス吸引手段を備えたカソードガス供給装置において、前記カソードガスの流れ方向において前記燃料電池よりも下流側に前記カソードガス吸引手段を配置する一方、上流側を大気と連通させて前記カソードガスを前記燃料電池を通じて吸引させると共に、さらに前記カソードガスを加湿する加湿器と前記カソードガス吸引手段とをケーシングに収容して一体的に前記燃料電池に接続するように構成したことを特徴とする燃料電池のカソードガス供給装置。
前記燃料電池から排出されて前記カソードガス吸引手段を通過したカソードオフガスを前記加湿器に供給するように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池のカソードガス供給装置。
前記カソードガス吸引手段と加湿器を、前記燃料電池に着脱機構によって接続するように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池のカソードガス供給装置。