JP3589175B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に燃料と空気とを供給して化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する燃料電池装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対し、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび空気を、高分子膜・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。その中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が、自動車などの移動体用電源として注目されている。
【0003】
固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子膜型燃料電池は、電解質膜を、燃料となる水素が供給されるアノード電極(水素極)と、空気が供給されるカソード電極(空気極)との間に配置した構成となっている。水素極では水素が供給されることで、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。
【0004】
一方、空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、外部に排出される。
【0005】
上記したような電解質膜は、飽和含水することによりイオン導電性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。逆に、含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。
【0006】
一方、発電により水素極で分離した水素イオンが電解質膜を通るときに、水も一緒に移動するため、水素極側では乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で電解質膜は乾燥する傾向にある。
【0007】
このようなことから、固体高分子膜型燃料電池における電解質膜は、外部から水分を供給して加湿する必要がある。電解質膜を加湿する方法としては、空気極で生成される水を回収して利用する方法が、例えば特開平7−272740号公報や、特開平11−185782号公報に記載されている。これは、燃料電池の空気極で生成された水(空気中に含まれる水分)をコンデンサで冷却凝縮し、貯水タンクに回収して貯水するとともに、貯水タンクから直接ポンプによって水を汲み出し、燃料電池に供給されるガス(水素および空気)に対する加湿や燃料電池の冷却に使用している。
【0008】
このような構成は、SAE paper 2000−01−1061およびSAE paper 98C054にも記載されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、加湿器に空気極から回収した水を供給する場合には、水の供給量が少ないと、加湿器における蒸発によって水から熱が奪われることによる水の温度低下が大きくなり、結果として燃料電池に供給されるガスの露点が低下し、燃料電池の出力が低下することになり、このため、加湿器への加湿水の供給量を多くする必要がある。また、燃料電池は熱効率が高いものの、内燃機関のように、排気からの熱損失が少ないため、燃料電池の冷却のためを考慮しても冷却水供給量も多くする必要がある。
【0010】
ところが、貯水タンクからポンプにより汲み上げる水の量が多いと、貯水タンクの加湿水出口近傍で渦流が発生してキャビテーションを引き起し、このキャビテーションによって貯水タンクの加湿水出口近傍に応力集中するばかりでなく、ポンプの効率低下およびポンプ自体の性能の悪化を引き起こすことになる。
【0011】
そこで、この発明は、貯水タンク内の水を加湿水として用いるべくポンプにより汲み上げる際のキャビテーションの発生を防止することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項1の発明は、燃料電池の空気極で生成される水を回収して貯水する貯水タンクを設けるとともに、前記燃料電池に供給される燃料と空気との少なくともいずれか一方を加湿する加湿器を設け、前記貯水タンクと前記加湿器とを、加湿水供給ポンプを備えた加湿水供給通路で接続し、前記加湿器に一端が接続される加湿水戻し通路の他端を、前記貯水タンクと加湿水供給ポンプとの間の加湿水供給通路に接続し、前記燃料電池の空気極と貯水タンクとの間に、空気極から排出された蒸気分を凝縮するコンデンサを設け、このコンデンサを、前記燃料電池における空気極の出口より上方に配置する一方、第2の貯水タンクを前記空気極の出口より下方に配置し、この第2の貯水タンクを前記空気極とコンデンサとの間の空気極出口近傍に接続した構成としてある。
【0015】
請求項2の発明は、請求項1の発明の構成において、第2の貯水タンクに貯水した水を加湿水として使用する構成としてある。
【0016】
請求項3の発明は、請求項2の発明の構成において、第2の貯水タンク内の水を貯水タンクに圧送するポンプを設けた構成としてある。
【0017】
請求項4の発明は、請求項2の発明の構成において、第2の貯水タンクと、加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間の加湿水供給通路とを接続する通路を設け、この通路を開閉する開閉弁を設けた構成としてある。
【0018】
請求項5の発明は、請求項1ないし4のいずれかの発明の構成において、燃料電池を冷却するための冷却水が通る冷却水供給通路を加湿水供給通路の加湿器側端部に接続するとともに、冷却後燃料電池から排出される冷却水の冷却水戻し通路を、加湿水戻し通路の加湿器側端部に接続した構成としてある。
【0019】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、加湿水供給ポンプにより貯水タンクから汲み出されて加湿器で加湿に使用(消費)されなかった余剰の水が、加湿水戻し通路を経て加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間に還流し、この還流した水を貯水タンク内の水とともに加湿水供給ポンプにより加湿器に供給するようにしたため、貯水タンクから汲み出すべき水の量は加湿に使用された分だけとなって少なくて済み、貯水タンクの加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンクの加湿水出口近傍の応力集中やポンプの効率低下およびポンプ自体の性能悪化を防止することができる。
また、燃料電池の空気極出口近傍に、空気極出口より下方に位置する第2の貯水タンクを設けたので、空気極出口より上方に配置してあるコンデンサに至る途中で凝縮した水や、空気極出口から直接排出される水が、第2の貯水タンクに取り込まれ、空気極への水の逆流が回避されて燃料電池の性能低下を防止することができる。
【0022】
請求項2の発明によれば、第2の貯水タンクに取り込まれた水も加湿水として有効利用することができる。
【0023】
請求項3の発明によれば、第2の貯水タンクに取り込まれた水を、ポンプにより貯水タンクに確実に供給することができる。
【0024】
請求項4の発明によれば、加湿水供給ポンプを作動させた状態で、開閉弁を開放することで、第2の貯水タンク内の水も加湿水供給ポンプにより汲み出すことができるので、貯水タンクから汲み出される水の量をさらに少なくでき、貯水タンクの加湿水出口近傍での渦流発生をより確実に防止することができる。
【0025】
請求項5の発明によれば、加湿水供給ポンプにより貯水タンクから汲み出されて加湿器で加湿に使用されなかった余剰の水を、燃料電池の冷却に使用しても、この冷却後の水が冷却水戻し通路および加湿水戻し通路を経て加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間に還流し、この還流した水を貯水タンク内の水とともに加湿水供給ポンプにより加湿器に供給できるので、貯水タンクから汲み出される水の量は加湿に使用された分だけとなって少なくなり、貯水タンクの加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンクの加湿水出口近傍の応力集中やポンプの効率低下およびポンプ自体の性能悪化を防止することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0027】
図1は、この発明の第1の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。燃料としての水素が貯蔵される高圧の水素タンク1と、燃料電池3の水素極3aの燃料入口3aiとは、燃料供給通路5により接続されている。燃料供給通路5には、水素タンク1側から、減圧弁7,圧力制御弁9,循環器11および加湿器13が順次設けられている。
【0028】
減圧弁7は、水素タンク1から供給される水素を所定の圧力まで減圧する。圧力制御弁9は、減圧弁7によって減圧された水素の圧力を、マイクロコンピュータなどからなる図示しないコントロールユニットによって制御されて燃料電池装置の運転条件に対応した所望の圧力に制御する。循環器11は、燃料電池3における水素極3aの燃料出口3aoに一端が接続された燃料再循環通路15の他端が接続され、燃料電池3で発電に寄与できずに余剰となった水素を、燃料再循環通路15を経て燃料供給通路5に戻す。加湿器13は、燃料電池3に供給される水素および後述する空気に対して所望の湿度(ほぼ相対湿度100%)に加湿する。
【0029】
一方、燃料電池3の空気極3bの空気入口3biと、コンプレッサ17とは空気供給通路19により接続されている。空気供給通路19には、コンプレッサ17側からフィルタ21および前記した加湿器13が順次設けられている。フィルタ21は、冷却された空気中のダストを除去する。
【0030】
燃料電池3における空気極3bの出口となる空気出口3boに一端が接続された空気排出通路23の他端には、コンデンサ25が接続されている。コンデンサ25には、冷却水入口通路29と冷却水出口通路31とがそれぞれ接続され、図示しない冷却系から冷却水がコンデンサ25に供給される。このコンデンサ25では、空気極3bで反応により生成された水(蒸気分と液分)中の蒸気分と、空気極3bで空気消費に伴って余剰となった蒸気分が、冷却水によって冷却/凝縮されることにより液水化され、セパレータ33に導入される。
【0031】
なお、コンデンサ25の上下方向位置は、コンデンサ25の下方にセパレータ33、その下方に貯水タンク39を設置する必要があるため、燃料電池3における空気極3bの空気出口3boより上方となる。
【0032】
セパレータ33では、凝縮された水が空気と分離され、空気は、空気放出通路35に設けられて前記した図示しないコントロールユニットにより制御される圧力調整弁37により、運転条件に応じた所望の圧力に調整されるとともに、燃料電池3内での水素極3aと空気極3bとの圧力差が所定の範囲になるよう調整される。一方セパレータ33で空気と分離された水は、貯水タンク39に回収される。
【0033】
貯水タンク39と加湿器13とは、加湿水供給ポンプ41を備えた加湿水供給通路43で接続され、加湿器13に一端が接続される加湿水戻し通路45の他端は、貯水タンク39と加湿水供給ポンプ41との間の加湿水供給通路43aに接続されている。さらに、加湿器13と燃料電池3とは、冷却水供給通路47と冷却水戻し通路49とでそれぞれ接続されている。すなわち、貯水タンク39内の水は、加湿水供給ポンプ41により汲み出され、加湿器13に達することで水素および空気を加湿し、さらに冷却水供給通路47を経て燃料電池3に達して燃料電池3を冷却した後、冷却水戻し通路49、加湿器13および加湿水戻し通路45を経て加湿水供給通路43aに戻される。
【0034】
上記した構成によれば、加湿水供給ポンプ41により貯水タンク39から汲み上げられて加湿器13に達し、ここで加湿に寄与しなかった余剰の水が、燃料電池3を冷却後、加湿器13を経て貯水タンク39の下流側の加湿水供給通路43aに戻され、この戻された水および、加湿器13で消費された量に相当する貯水タンク39内の水が、加湿水供給ポンプ41により、加湿器13に供給される。
【0035】
このため、加湿水供給ポンプ41により貯水タンク39から汲み上げられる水の量は、加湿器13で消費された分だけとなって少なくなり、この結果貯水タンク39の加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンク39の加湿水出口近傍への応力集中や、加湿水供給ポンプ41の効率低下および加湿水供給ポンプ41自体の性能悪化を防止することができる。
【0036】
また、セパレータ33で水と分離された空気の圧力を、圧力調整弁37により調整することで、貯水タンク39に対して所定の空気圧を付与できるので、加湿水供給ポンプ41の揚程を小さくできるとともに、燃料電池3内での水素極3aと空気極3bとの圧力差を所定範囲に抑えられ、燃料電池3の性能向上に寄与することができる。
【0037】
図2は、この発明の第2の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図であり、燃料電池3に対する冷却系を、加湿器13への加湿水供給系とは別となる冷却水導入通路51および冷却水排出通路53を燃料電池3にそれぞれ接続して構成した例である。その他の構成は、前記図1のものと同様である。したがって、この場合には、加湿水供給ポンプ41で汲み上げられた水は、加湿水供給通路43を経て加湿器13に達した後、加湿水戻し通路45を経て貯水タンク39と加湿水供給ポンプ41との間の加湿水供給通路43aに戻される。
【0038】
上記図2の例においても、加湿器13から流出する水は、貯水タンク39と加湿水供給ポンプ41との間の加湿水供給通路43aに戻されるので、加湿水供給ポンプ41により貯水タンク39から汲み上げられる水の量は、加湿器13で消費された分だけとなって少なくなり、貯水タンク39の加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンク39の加湿水出口近傍への応力集中や、加湿水供給ポンプ41の効率低下および加湿水供給ポンプ41自体の性能悪化を防止することができる。
【0039】
図3は、この発明の第3の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図であり、図2の例に対し、燃料電池3における空気極3bの空気出口3boに接続された空気排出通路23の空気出口3bo近傍に、第2の貯水タンク55を、回収通路57を介して接続している。第2の貯水タンク55は、燃料電池3における空気極3bの空気出口3boより下方に位置しており、内部には、回収した水の液面を検出する液面センサ59が設けられている。
【0040】
第2の貯水タンク55と貯水タンク39とは、放出通路61により接続されている。放出通路61には、第2の貯水タンク55内の水を貯水タンク39に圧送供給するポンプ63が設けられている。その他の構成は、図2のものと同様である。
【0041】
図4は、図3の例における燃料電池の空気極3bの空気出口3bo、コンデンサ25および第2の貯水タンク55のそれぞれの上下位置関係を示した説明図である。すなわち、空気出口3boより上方にコンデンサ25が配置され、空気出口3boより下方に第2の貯水タンク55が配置されている。
【0042】
上記した図3の例では、図4に示すように、空気極3bの空気出口3boから流出し、空気極3bより上方に配置してあるコンデンサ25に向かう蒸気Sが空気排出通路23の途中で凝縮した水L1や、空気出口3boから排出される水L2が、空気出口3boより下方に配置してある第2の貯水タンク55に回収される。このため、空気排出通路23を空気出口3boに向けて水が逆流する現象を回避でき、燃料極3aおよび空気極3bへの水の蓄積を防止でき、燃料電池としての性能悪化を防止することができる。
【0043】
第2の貯水タンク55に回収された水は、液面センサ59で液面が所定範囲に維持されるように、ポンプ63を駆動して貯水タンク39に圧送し、加湿水として利用される。
【0044】
図5は、この発明の第4の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図であり、図3におけるポンプ63に代えて開閉弁65を設けるとともに、放出通路61を、貯水タンク39と加湿水供給ポンプ41との間の加湿水供給通路43aに接続している。その他の構成は図3のものと同様である。
【0045】
加湿水供給ポンプ41が作動すると、その上流側が負圧となるので、この状態で開閉弁65が開弁すると、その負圧による吸引力によって第2の貯水タンク55内の水が貯水タンク39の下流側に供給される。第2の貯水タンク55内の水量は、液面センサ59によって検出されて所定範囲となるように、開閉弁55が前記した図示しないコントロールユニットによりオン・オフ制御される。
【0046】
この場合には、図3のものに対し、ポンプ63の代わりに開閉弁65を使用することでその分コスト低下が達成されるとともに、加湿水供給ポンプ41により貯水タンク39から汲み上げられる水の量が、加湿器13で消費された分から第2貯水タンク55より供給される分を差し引いた分だけとなってさらに少なくなり、貯水タンク39の加湿水出口近傍での渦流発生がより確実に回避することができ、貯水タンク39の加湿水出口近傍への応力集中や、加湿水供給ポンプ41の効率低下および加湿水供給ポンプ41自体の性能悪化を確実に防止することができる。
【0047】
なお、図3および図5の例においては、燃料電池3に対する冷却系を加湿水の供給系とは別に設けてあるが、図1の例のように、加湿水供給系に燃料電池3に対する冷却系の配管を接続した構成としても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図2】この発明の第2の実施形態を示す燃料電池装置の全体構図である。
【図3】この発明の第3の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図4】図3の実施形態における燃料電池の空気極の空気出口、コンデンサおよび第2の貯水タンクのそれぞれの上下位置関係を示した説明図である。
【図5】この発明の第4の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【符号の説明】
3 燃料電池
3b 空気極
3bo 空気出口
13 加湿器
25 コンデンサ
33 セパレータ
37 圧力調整弁
39 貯水タンク
41 加湿水供給ポンプ
43,43a 加湿水供給通路
45 加湿水戻し通路
47 冷却水供給通路
49 冷却水戻し通路
55 第2の貯水タンク
61 放出通路
63 ポンプ
65 開閉弁
Claims (5)
- 燃料電池の空気極で生成される水を回収して貯水する貯水タンクを設けるとともに、前記燃料電池に供給される燃料と空気との少なくともいずれか一方を加湿する加湿器を設け、前記貯水タンクと前記加湿器とを、加湿水供給ポンプを備えた加湿水供給通路で接続し、前記加湿器に一端が接続される加湿水戻し通路の他端を、前記貯水タンクと加湿水供給ポンプとの間の加湿水供給通路に接続し、前記燃料電池の空気極と貯水タンクとの間に、空気極から排出された蒸気分を凝縮するコンデンサを設け、このコンデンサを、前記燃料電池における空気極の出口より上方に配置する一方、第2の貯水タンクを前記空気極の出口より下方に配置し、この第2の貯水タンクを前記空気極とコンデンサとの間の空気極出口近傍に接続したことを特徴とする燃料電池装置。
- 第2の貯水タンクに貯水した水を加湿水として使用することを特徴とする請求項1載の燃料電池装置。
- 第2の貯水タンク内の水を貯水タンクに圧送するポンプを設けたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池装置。
- 第2の貯水タンクと、加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間の加湿水供給通路とを接続する通路を設け、この通路を開閉する開閉弁を設けたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池装置。
- 燃料電池を冷却するための冷却水が通る冷却水供給通路を加湿水供給通路の加湿器側端部に接続するとともに、冷却後燃料電池から排出される冷却水の冷却水戻し通路を、加湿水戻し通路の加湿器側端部に接続したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の燃料電池装置。
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