JP4590792B2

JP4590792B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP4590792B2
Application number: JP2001203137A
Authority: JP
Inventors: 宗久堀口; 信彦平井; 亮一沖本
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: JP2003023705A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。
【０００３】
燃料電池には、種々の形式のものが知られており、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体電解質を用いた燃料電池が有望視されている。
【０００４】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。また前記固体電解質と前記燃料極、前記酸素極、前記空気流路、前記燃料流路とを併せて燃料電池セルとする。さらに、該燃料電池セルを複数積層させたものを燃料電池スタックとしている。この燃料電池装置においては、空気流路に液体水を供給することにより固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持するものがある。（特開２０００−１２０５６号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、空気供給ファンからの空気を導入する空気導入ダクトが金属製であり、燃料電池スタックの上側に配設された空気供給室にボルト等によって固定されている。また、同様に、空気を排出するための空気排出ダクトも金属製であり、燃料電池スタックの下側に配設された空気排出室にボルト等によって固定されている。
【０００６】
このため、メンテナンス等のために取り外した燃料電池スタックを再度取り付ける時に、前記空気導入ダクトと空気供給室、及び、空気排出ダクトと空気排出室の位置合わせを正確に行うことが困難であり、前記空気導入ダクトと空気供給室との間や、空気排出ダクトと空気排出室との間に隙（すき）間が生じてしまったり、空気導入ダクト、空気供給室、空気排出ダクト、空気排出室等の部材が破損してしまうことがある。
【０００７】
図２は従来の車両に搭載された燃料電池装置における燃料電池スタック及び空気供給ファン及び空気導入ダクトを示す図である。
【０００８】
図において、５１は燃料電池スタック、５６は空気供給ファンである。そして、前記燃料電池スタック５１は車両の下部フレーム５３の上側に取り付けられ、前記空気供給ファン５６も燃料電池スタック５１とほぼ同じ高さに取り付けられる。
【０００９】
また、前記燃料電池スタック５１の上側には、燃料電池スタック５１を構成する複数の燃料電池セルの空気流路の一端が連結され、酸化剤としての空気を導入するための空気供給室５４が取り付けられる。さらに、該空気供給室５４の前方（図における左方）には、空気供給ファン５６からの空気を空気供給室５４に送り込むための空気導入ダクト５５が接続される。また、前記空気供給室５４内には、水をスプレーする図示されない水供給ノズルが配設されている。
【００１０】
一方、前記燃料電池セルの空気流路の他端、つまり燃料電池スタック５１の下側には、前記空気流路から排出された空気を排出するための空気排出室５７が取り付けられる。さらに、該空気排出室５７の後方（図における右方）には、空気を車両の外部に排出するための空気排出ダクト６１が接続される。なお、前記空気排出室５７の底面は、排水管５８を介して、水タンク５２の上面に接続されている。
【００１１】
前記燃料電池スタック５１内には、図における上下方向に延在する多数の空気通路としての空気流路が形成され、該空気流路の一面が酸素極に接している。そして、該酸素極の反対側には固体高分子電解質膜を挟んで燃料極が配設され、該燃料極に接して水素ガスの通路としての燃料流路が形成されている。
【００１２】
なお、前記燃料電池スタック５１は、前方がわずかに下になるように、傾いた状態で配設される。そして、前記空気供給室５４の上面は水平になっている。そのため、空気導入ダクト５５から送り込まれた酸化剤としての空気の流路断面が、空気供給室５４の前方から後方へ向かって狭くなるので、空気はすべての空気流路へ均等に導入される。
【００１３】
一方、空気排出室５７の下面も水平になっているので、空気流路から排出された空気の流路断面が、前記空気排出室５７の前方から後方へ向かって広くなるので、空気はスムーズに空気排出ダクト６１に向けて排出される。
【００１４】
ところで、前記水供給ノズルからスプレーされた水は、重力及び空気の流れによって、多数の前記空気流路内に進入する。そして、酸素極を湿潤な状態に保つので、酸素極と燃料極とに挟まれた固体高分子電解質膜が良好に機能する。また、燃料である水素と酸化剤である酸素とが結合して水を生成する電気化学反応において、反応熱が発生するが、該反応熱は前記スプレーされた水によって吸収される。すなわち、前記スプレーされた水は冷却作用も果たすものである。
【００１５】
そして、前記スプレーされた水は前記空気流路の下端から、空気とともに排出される。この場合、液相の水は、そのままの状態で空気排出室５７の底面から、排水管５８を介して、前記水タンク５２内に流入して貯留される。また、空気とともに排出された気相の水、すなわち、水蒸気は、空気排出室５７内に配設された金網、金属ロッド等の部材にトラップされ、冷却され、凝縮されて液体になる。そして、空気排出室５７の底面から、排水管５８を介して、前記水タンク５２内に流入して貯留される。
【００１６】
なお、水分を分離した空気は、前記空気排出室５７に接続された空気排出ダクト６１を通って図示されない排気管から外部に排出される。ここで、前記空気排出ダクト６１は、水素吸蔵合金等の燃料貯蔵手段６０内を通過して、前記排気管に接続されている。一方、前記水タンク５２に貯留された水は、循環ポンプ等によって水供給ノズルに再度供給されてスプレーされる。これにより、水はほとんどがリサイクルされて使用されるので、水の補給量を少なくすることができる。
【００１７】
ところで、前記従来の燃料電池装置においては、空気導入ダクト５５及び空気排出ダクト６１は、金属製であり、車両の図示されない取付部材や強度部材等にボルト等の手段によって固定されている。一方、前記空気導入ダクト５５及び空気排出ダクト６１は、燃料電池スタック５１の空気供給室５４及び空気排出室５７にボルト等の手段によって固定されている。
【００１８】
そして、前記燃料電池スタック５１、燃料貯蔵手段６０等は、メンテナンスや修理のために車両から取り外す場合がある。この場合、メンテナンスや修理が終わり、再び車両に取り付けられる時に、取付位置が、ごくわずかではあるが、ずれてしまう、すなわち、位置ずれが生じてしまうことがある。すると、前記空気導入ダクト５５及び空気排出ダクト６１と空気供給室５４及び空気排出室５７との接続部分にも位置ずれが生じてしまう。
【００１９】
このような接続部分の位置ずれは、前記空気導入ダクト５５、空気排出ダクト６１、空気供給室５４及び空気排出室５７のそれぞれに大きめのフランジを形成し、各フランジ間にパッキン等のシール部材を挿入し、一方、前記フランジに大きめのボルト孔を形成することによって、位置ずれを吸収することができる。しかし、大きめのフランジを形成したり、該フランジに大きめのボルト孔を形成したり、シール部材を挿入したりすると、構造が複雑となり、また、部品点数も増えるので、製造コストが高くなってしまう。さらに、前記空気導入ダクト５５及び空気排出ダクト６１と空気供給室５４及び空気排出室５７との接続部分の占有する容積が大きくなってしまい、車両の車室や荷室の床下のような狭い場所に搭載することが困難になってしまう。
【００２０】
一方、接続部分の位置ずれを放置すると、該接続部分から空気や水が漏れてしまい、燃料電池セルに所定量の空気や水が供給されなくなり、燃料電池セルの出力が低下してしまう。
【００２１】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、空気導入ダクト及び空気排出ダクトを可撓（とう）性の連結管を介して空気供給室及び空気排出室に接続して、簡素でコンパクトな構成によって位置ずれを吸収することができ、空気や水が漏れることのない燃料電池装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池装置においては、燃料極及び該燃料極に接した燃料流路と、酸素極及び該酸素極に接した空気流路と前記燃料極及び酸素極により狭持される電解質膜を持つ燃料電池セルと、該燃料電池セルを積層し、車両中央部において、車体フレームに固定された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給室と、前記燃料スタックから空気を排出する空気排出室と、車両前方に固定され、車外から空気を導入する空気導入ダクトと、前記空気導入ダクトと空気供給室とを接続する可撓性を持ち、かつ、着脱可能に構成された第１連結管と、車両後方に固定され、前記空気排出室から空気を排出する空気排出ダクトと、前記空気排出ダクトと空気排出室とを連結する可撓性を持ち、かつ、着脱可能に構成された第２連結管とを有する。
【００２３】
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記連結管は、蛇腹状である。
【００２４】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記連結管は、樹脂から成る。
【００２５】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記空気導入ダクトは、前記空気供給室の上面より高い位置に配設される。
【００２６】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記空気供給室内には、液相の水を噴射する水供給手段が配設される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置の燃料電池スタック、空気導入ダクト及び空気排出ダクトを示す要部側面図、図３は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置の模式平面図、図４は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置における空気の流れを示す模式断面図、図５は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置における水の流れを示す模式断面図である。
【００２９】
図１において、１１は燃料電池スタック（ＦＣ）であり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池スタック１１と図示されない蓄電手段としての２次電池とを併用して使用することが望ましい。
【００３０】
そして、燃料電池セルは、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。
【００３１】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る（特開平１１−３１７２３５号公報参照）。
【００３２】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガスとして空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【００３３】
例えば、本実施の形態においては、１例として、ＰＥＭ型燃料電池であり、１００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。この場合、総電極面積は１５０〔ｃｍ²〕であり、開放端子電圧は約１００〔Ｖ〕、出力は約６〔ｋＷ〕である。そして、定常動作時の温度は５０〜９０〔℃〕程度である。
【００３４】
なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池セルに直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段１２に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。ここで、該燃料貯蔵手段１２は、水素吸蔵合金やデカリンのような水素吸蔵液体を格納した容器、水素ガスボンベのように水素ガスを格納した容器等から成る。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池セルは車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００３５】
この場合、前記燃料電池セルの出力インピーダンスは極めて低く、０に近似させることが可能である。
【００３６】
図において、燃料電池セルに燃料としての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。ここで、燃料電池スタック１１は、車両の車両底板１５の上に配設される。また、前記燃料電池スタック１１の後方（図における右方）には燃料貯蔵手段１２が、同様に車両底板１５の上に配設される。さらに、該燃料貯蔵手段１２の後方には、排水ポンプ１４及び水タンク１３が配設される。
【００３７】
なお、前記車両底板１５は、前記車両のフレームを構成する強度部材であってもよいし、強度部材としての機能を果たすことなく、単に車両の底面を覆うだけの板部材であってもよい。そして、車両底板１５が強度部材である場合、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、排水ポンプ１４及び水タンク１３は前記車両底板１５に取り付けられ、該車両底板１５が強度部材でない場合、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、排水ポンプ１４及び水タンク１３は、車両底板１５とは別の図示されない強度部材に取り付けられる。
【００３８】
また、図に示される車両の左右の前輪２８Ｌ、２８Ｒ及び左右の後輪２９Ｌ、２９Ｒも、同様に車両底板１５が強度部材である場合は、サスペンション機構等を介して車両底板１５に取り付けられ、車両底板１５が強度部材でない場合は、サスペンション機構等を介して車両底板１５とは別の図示されない強度部材に取り付けられる。
【００３９】
ここで、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、排水ポンプ１４及び水タンク１３は、薄く扁平な直方体の形状を有し、前後に並んで、すなわち、タンデムに配設されているので、前記燃料電池スタック１１及び燃料貯蔵手段１２の上を覆うように車室や荷室の床板を配設しても、前記車室や荷室の床の高さを高くする必要がない。また、重量物である燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、排水ポンプ１４及び水タンク１３が低い位置に配設されるので、車両の重心位置が低くなり、車両の安定性が向上する。さらに、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、排水ポンプ１４及び水タンク１３が、前輪２８Ｌ、２８Ｒの車軸と後輪２９Ｌ、２９Ｒの車軸との間に配設されているので、車両の重心位置近傍に重量物が集中し、重心回りの慣性モーメントが低減され、車両の旋回性が向上する。
【００４０】
そして、水素ガスは、前記燃料貯蔵手段１２から、図示されない燃料供給管路を通って、燃料電池セルに供給される。また、前記燃料供給管路には、図示されない燃料圧力調整弁、燃料供給電磁弁、逆止弁及び圧力センサが配設される。そして、燃料電池セルに供給される水素ガスがあらかじめ設定した一定の圧力に維持されるように、圧力センサで前記燃料供給管路内の水素ガスの圧力をモニターしながら、燃料圧力調整弁を調整して、水素ガスを燃料貯蔵手段１２から供給する。なお、前記燃料貯蔵手段１２は、十分に大きな容量を有し、常に十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。
【００４１】
そして、燃料電池セルから排出される水素ガスは、図示されない燃料排出管路を通って大気中へ排出される。なお、前記水素ガスをそのまま大気中へ排出せずに、酸素と結合させて水にした後で、排出させるようにしてもよい。また、前記燃料排出管路には、図示されないフィルタ、燃料排出電磁弁、逆止弁等が配設される。
【００４２】
一方、酸化剤としての空気は、図４において矢印で示されるように、シロッコファン等から構成される酸化剤供給源としての空気供給ファン２６から、該空気供給ファン２６の吐出口２６ａに接続された空気導入ダクト２５を通って、燃料電池スタック１１の上側に取り付けられた空気供給室１７に供給される。なお、該空気供給室１７内には、水をスプレーする水供給ノズルが配設されている。
【００４３】
ここで、前記空気供給ファン２６及び空気導入ダクト２５は、その吹き出し口の位置が空気供給室１７の最も高い部位よりも高い位置になるように配設される。そのため、前記空気導入ダクト２５は、第１の連結管３０を介して、空気供給室１７の上面に形成された空気導入口１７ａに接続される。また、前記空気導入ダクト２５は、空気導入口１７ａ周辺において、空気供給室の上面から上側に伸びるように形成されている。
【００４４】
この場合、前記第１の連結管３０は可撓性を有しており、例えば、柔軟性を有する樹脂から成る。なお、前記第１の連結管３０は、樹脂、金属等いかなる材質から成るものであってもよいが、材質自体が柔軟性を有するものでない場合、コルゲート、すなわち、蛇腹状に形成することによって、可撓性を有するものとなる。
【００４５】
これにより、メンテナンスや修理のために燃料電池スタック１１、空気供給ファン２６、空気導入ダクト２５等を車両から取り外し、その後、車両に取り付ける時に、多少の位置ずれが生じても、前記可撓性を有する第１の連結管３０が位置ずれを吸収するので、空気導入口１７ａ、空気供給ファン２６、空気導入ダクト２５、第１の連結管３０等の接続部分から、空気が漏れることがない。
【００４６】
また、車両が障害物や段差を乗り越えたり、悪路を走行したりする場合に車両が傾いたり跳ねた時には、車両が捻れたり、撓（たわ）んだりして、前記空気供給ファン２６、空気導入ダクト２５、燃料電池スタック１１等の相対的な位置関係がずれる、すなわち、位置ずれが生じることもあるが、このような位置ずれも前記可撓性を有する第１の連結管３０によって吸収される。
【００４７】
また、第１の連結管３０は、図１に示されるように、直線状のものであってもよいし、曲線状のものであってもよい。また、斜め下方に延伸していてもよいし、ほぼ垂直に下方に延伸していてもよい。
【００４８】
これにより、前記空気供給ファン２６の吐出口２６ａから、空気導入ダクト２５、第１の連結管３０及び空気導入口１７ａを通って空気供給室１７内までの、全体として下向きの空気流路が形成される。なお、空気供給ファン２６の空気導入部分又は空気導入ダクト２５の途中には空気中の塵埃（じんあい）、汚染物質、有害成分等を除去するためのフィルタが配設されることが望ましい。
【００４９】
この場合、燃料電池セルに供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記空気供給ファン２６、空気導入ダクト２５、第１の連結管３０、空気導入口１７ａ及び空気供給室１７、後述される空気排出室１８、空気排出口１８ａ、第２の連結管３１、空気排出ダクト１９、後部排出管２７Ｌ、２７Ｒ等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。
【００５０】
また、前記燃料電池セルの前記空気流路の一端に対する他端には、前記空気流路から排出された空気を排出するための空気排出室１８が取り付けられる。なお、該空気排出室１８の後方には、空気排出口１８ａが形成される。さらに、該空気排出口１８ａの後方には、第２の連結管３１を介して、空気排出ダクト１９が接続される。そして、該空気排出ダクト１９の後方には、複数に分岐して燃料貯蔵手段１２の内部を通過する図示されない空気排出通路が接続され、さらに、該空気排出通路の後方に左右の空気排出管２７Ｌ、２７Ｒが接続される。
【００５１】
この場合、前記第２の連結管３１は可撓性を有しており、例えば、柔軟性を有する樹脂から成る。なお、前記第２の連結管３１は、前記第１の連結管３０と同様に、樹脂、金属等いかなる材質から成るものであってもよいが、材質自体が柔軟性を有するものでない場合、コルゲート、すなわち、蛇腹状に形成することによって、可撓性を有するものとなる。
【００５２】
これにより、メンテナンスや修理のために燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、空気排出ダクト１９、空気排出管２７Ｌ、２７Ｒ等を車両から取り外し、その後、車両に取り付ける時に、多少の位置ずれが生じても、前記可撓性を有する第２の連結管３１が位置ずれを吸収するので、空気排出口１８ａ、空気排出ダクト１９、空気排出通路、空気排出管２７Ｌ、２７Ｒ等の接続部分から、空気が漏れることがない。
【００５３】
また、車両が障害物や段差を乗り越えたり、悪路を走行したりする場合に車両が傾いたり跳ねた時には、車両が捻れたり、撓んだりして、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、空気排出ダクト１９等の相対的な位置関係がずれる、すなわち、位置ずれが生じることもあるが、このような位置ずれも前記可撓性を有する第２の連結管３１によって吸収される。
【００５４】
なお、前記燃料電池セル内には、図１における上下方向に延在する多数の空気流路が形成され、該空気流路の一面が酸素極に接している。そして、該酸素極の反対側には固体高分子電解質膜を挟んで燃料極が配設され、該燃料極に接して水素ガスの通路としての燃料流路が形成されている。
【００５５】
また、前記燃料電池スタック１１は、前方（図における左方）がわずかに下になるように、傾いた状態で配設される。そして、前記空気供給室１７の上面は、図１に示されるように水平になっている。そのため、空気導入ダクト２５から送り込まれた酸化剤としての空気の流路断面が、空気供給室１７の前方から後方へ向かって狭くなるので、空気はすべての空気流路へ均等に導入される。なお、前記空気供給室１７の上面の高さは、その上を覆うように配設される車室や荷室の床板の高さを低くするために、できる限り低いことが望ましい。
【００５６】
一方、空気排出室１８の下面も水平になっているので、空気流路から排出された空気の流路断面が、前記空気排出室１８の前方から後方へ向かって広くなるので、空気はスムーズに空気排出ダクト１９に向けて排出される。これにより、空気は、図４において矢印で示されるように、前記燃料電池セルの空気流路から、空気排出室１８、空気排出ダクト１９及び空気排出管２７Ｌ、２７Ｒを通って、大気中に排出される。なお、前記空気排出室１８の下面も、前記燃料電池スタック１１の取付位置及び車室や荷室の床板の高さを低くするために、できる限り下方に突出しないことが望ましい。すなわち、前記空気排出室１８の厚さはできる限り薄いことが望ましい。
【００５７】
ところで、前記水供給ノズルからスプレーされた水は、重力及び空気の流れによって、多数の前記空気流路内に進入する。そして、酸素極を湿潤な状態に保つので、酸素極と燃料極とに挟まれた固体高分子電解質膜が良好に機能する。また、燃料である水素と酸化剤である酸素とが結合して水を生成する電気化学反応において、反応熱が発生するが、該反応熱は前記スプレーされた水によって吸収される。すなわち、前記スプレーされた水は冷却作用も果たすものである。
【００５８】
ここで、スプレーされた水は液体の状態、すなわち、液相であり、反応熱を吸収して気化する。そのため、気化潜熱によって空気流路内の酸素極等を冷却するので、冷却効率が極めて高い。また、常圧の空気中に液相の水をスプレーするだけなので、前記水供給ノズルは通常のものであってよく、特別の構成を有する必要がない。
【００５９】
そして、前記スプレーされた水は前記空気流路の下端から、空気とともに排出される。この場合、液相の水は、そのままの状態で空気排出室１８の底面に一旦（たん）貯留される。また、空気とともに排出された気相の水、すなわち、水蒸気は、空気排出室１８内に配設された金網、金属ロッド等の部材にトラップされ、冷却され、凝縮されて液体になる。そして、空気排出室１８の底面に一旦貯留される。なお、水分を分離した空気は、前記空気排出室１８に接続された空気排出ダクト１９を通って外部に排出される。
【００６０】
ここで、前記空気排出室１８内の後方下端部は、配水管路としての排水管２２に接続される。そして、該排水管２２は排水ポンプ１４の吸引口に連結されているので、空気排出室１８の底面に一旦貯留された水は、孔から吸い込まれ、排水管２２を通って排出される。
【００６１】
そして、前記排水管２２を通って排水ポンプ１４に吸引された水は、図５における実線の矢印で示されるように、前記排水ポンプ１４の吐出口に一端が接続され、水タンク１３の上面に他端が接続された連結管２３を通って、水タンク１３内に流入して貯留される。
【００６２】
また、前記空気排出ダクト２７Ｌ、２７Ｒにも図示されない凝縮器が配設され、外部に排出される空気に含まれる水を凝縮して分離するようになっている。そして、分離された水は、図示されない排水管を通って排水ポンプ１４に吸引され、水タンク１３内に貯留される。ここで、前記凝縮器は、例えば、金網、金属ロッド等であるが、いかなるものであってもよい。
【００６３】
なお、該水タンク１３に貯留された水は、図５における点線の矢印で示されるように、図示されない循環ポンプ、水供給管路等を通って水供給ノズルに再度供給されて、スプレーされる。
【００６４】
これにより、水はほとんどがリサイクルされて使用されるので、水の補給量を少なくすることができる。
【００６５】
なお、前記蓄電手段としての２次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的であるが、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、ニッケル水素電池等が望ましい。
【００６６】
例えば、本実施の形態においては、１例として、高性能鉛蓄電池を使用する。
【００６７】
この場合、開放端子電圧は約５０〔Ｖ〕であり、約１〔ｋＷ〕の電流を５〜２０分程度供給することができる程度の容量を有する。
【００６８】
なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層コンデンサのようなコンデンサ（キャパシタ）、フライホイール、超伝導コイル、畜圧器等のように、エネルギーを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００６９】
また、前記燃料電池セルは図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池セル又はバッテリからの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流がバッテリに供給されて該バッテリが充電される。
【００７０】
なお、本実施の形態において、燃料電池装置は図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、圧力センサ、その他のセンサから燃料電池セルに供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファン２６、燃料圧力調整弁、燃料供給電磁弁、燃料排出電磁弁等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池装置の動作を統括的に制御する。
【００７１】
このように、本実施の形態においては、空気導入ダクト２５が、可撓性を有する第１の連結管３０を介して、空気供給室１７の空気導入口１７ａに接続され、空気排出ダクト１９が、可撓性を有する第２の連結管３１を介して、空気排出室１８の空気排出口１８ａに接続されるようになっている。
【００７２】
したがって、メンテナンスや修理のために燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、空気供給ファン２６、空気導入ダクト２５、空気排出ダクト１９等を車両から取り外し、その後、車両に取り付ける時に、多少の位置ずれが生じても、前記可撓性を有する第１及び第２の連結管３０、３１が、コンパクトな構成であるにもかかわらず、位置ずれを吸収するので、第１及び第２の連結管３０、３１、空気導入口１７ａ、空気排出ダクト１９、空気排出口１８ａ等の接続部分から、空気や水が漏れることがない。
【００７３】
また、車両が障害物や段差を乗り越えたり、悪路を走行したりする場合に車両が傾いたり跳ねた時には、車両が捻れたり、撓んだりして、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、空気排出ダクト１９等の相対的な位置関係がずれる、すなわち、位置ずれが生じることもあるが、このような位置ずれも前記可撓性を有する第１及び第２の連結管３０、３１によって吸収される。
【００７４】
また、第１及び第２の連結管３０、３１が樹脂のような柔軟性を有する材質からなる場合、それ自体がシール性を有するので、前記接続部のシール性がさらに向上する。
【００７５】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置においては、燃料極及び該燃料極に接した燃料流路と、酸素極及び該酸素極に接した空気流路と前記燃料極及び酸素極により狭持される電解質膜を持つ燃料電池セルと、該燃料電池セルを積層し、車両中央部において、車体フレームに固定された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給室と、前記燃料スタックから空気を排出する空気排出室と、車両前方に固定され、車外から空気を導入する空気導入ダクトと、前記空気導入ダクトと空気供給室とを接続する可撓性を持ち、かつ、着脱可能に構成された第１連結管と、車両後方に固定され、前記空気排出室から空気を排出する空気排出ダクトと、前記空気排出ダクトと空気排出室とを連結する可撓性を持ち、かつ、着脱可能に構成された第２連結管とを有する。
【００７７】
この場合、簡素でコンパクトな構成によって位置ずれを吸収することができ、空気や水が漏れることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置の燃料電池スタック、空気導入ダクト及び空気排出ダクトを示す要部側面図である。
【図２】従来の車両に搭載された燃料電池装置における燃料電池スタック及び空気供給ファン及び空気導入ダクトを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置の模式平面図である。
【図４】本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置における空気の流れを示す模式断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置における水の流れを示す模式断面図である。
【符号の説明】
１１燃料電池スタック
１７空気供給室
１７ａ空気導入口
１８空気排出室
１８ａ空気排出口
１９空気排出ダクト
２３連結管
２５空気導入ダクト
３０第１の連結管
３１第２の連結管

Claims

（ａ）燃料極及び該燃料極に接した燃料流路と、酸素極及び該酸素極に接した空気流路と前記燃料極及び酸素極により狭持される電解質膜を持つ燃料電池セルと、
（ｂ）該燃料電池セルを積層し、車両中央部において、車体フレームに固定された燃料電池スタックと、
（ｃ）前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給室と、
（ｄ）前記燃料スタックから空気を排出する空気排出室と、
（ｅ）車両前方に固定され、車外から空気を導入する空気導入ダクトと、
（ｆ）前記空気導入ダクトと空気供給室とを接続する可撓性を持ち、かつ、着脱可能に構成された第１連結管と、
（ｇ）車両後方に固定され、前記空気排出室から空気を排出する空気排出ダクトと、
（ｈ）前記空気排出ダクトと空気排出室とを連結する可撓性を持ち、かつ、着脱可能に構成された第２連結管とを有することを特徴とする燃料電池装置。
前記連結管は、蛇腹状である請求項１に記載の燃料電池装置。
前記連結管は、樹脂から成る請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
前記空気導入ダクトは、前記空気供給室の上面より高い位置に配設される請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
前記空気供給室内には、液相の水を噴射する水供給手段が配設される請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。