JP2000260456A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JP2000260456A JP11060104A JP6010499A JP2000260456A JP 2000260456 A JP2000260456 A JP 2000260456A JP 11060104 A JP11060104 A JP 11060104A JP 6010499 A JP6010499 A JP 6010499A JP 2000260456 A JP2000260456 A JP 2000260456A
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Akira Hamada
陽 濱田
Katsuyuki Makihara
勝行 槇原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 外装ケースの小型化が図れる燃料電池を提供
する。 【解決手段】 外装ケース１内に、燃料と空気中の酸素
とを反応させて電力を発生させる燃料電池スタック３を
備えた燃料電池において、外装ケース１の外装パネル１
ａの少なくとも一部に熱交換室５０を形成し、この熱交
換室５０に燃料電池スタックの排出燃料を導き、この排
出燃料の廃熱を外装パネル１ａを通じて放熱し、凝縮水
を回収する構成としたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、外装ケース内に燃
料電池スタックを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、外装ケース内に、燃料と空気中
の酸素とを反応させて電力を発生させる燃料電池スタッ
クを備えた燃料電池が知られている。
【０００３】この種の燃料電池の内の特に固体高分子形
燃料電池においては、電解質膜の湿潤状態を保つことに
より、良好な出力特性が得られるため、一般には、燃料
電池スタックに加湿された燃料（例えば、水素）或いは
酸化剤（例えば、空気中の酸素）が供給される。従っ
て、燃料電池スタックから排出される排出燃料或いは排
出空気（反応ガス）中には多量の水分（水蒸気）が含ま
れる。
【０００４】また、燃料電池の反応により、燃料電池ス
タック内では水が生成されるため、排出空気中には更に
多量の水分が含まれる。
【０００５】固体高分子形燃料電池は約８０℃程度で運
転されるので、排出燃料或いは排出空気中に水分が含ま
れると、水分が直ちに凝縮し、屋内で使用した場合に
は、この凝縮水が周辺機器に悪い影響を及ぼす。
【０００６】そのため、従来、排出燃料或いは排出空気
を一旦熱交換器に通し、ここで水分を十分に凝縮させた
後、大気放出させている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
構成では、排出燃料或いは排出空気中に含まれる水分を
十分に凝縮させるため、かなり大型の熱交換器を必要と
し、そのために外装ケースが大型化するという問題があ
る。また、固体高分子形燃料電池では、供給燃料或いは
供給空気を加湿して供給するので、大容積の水タンクが
必要になり、これによっても外装ケースが大型化すると
いう問題がある。
【０００８】そこで、本発明の目的は、上述した従来技
術が有する課題を解消し、外装ケースの小型化が図れる
燃料電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
外装ケース内に、燃料と空気中の酸素とを反応させて電
力を発生させる燃料電池スタックを備えた燃料電池にお
いて、前記外装ケースの外装パネルの少なくとも一部に
熱交換室を形成し、この熱交換室に前記燃料電池スタッ
クの排出燃料を導き、この排出燃料の廃熱を前記外装パ
ネルを通じて放熱し、凝縮水を回収する構成としたこと
を特徴とするものである。
【００１０】請求項２記載の発明は、外装ケース内に、
燃料と空気中の酸素とを反応させて電力を発生させる燃
料電池スタックを備えた燃料電池において、外装ケース
の外装パネルの少なくとも一部に２層以上の熱交換室を
形成し、この熱交換室の一方の層に燃料電池スタックの
排出燃料を導き、他方の層に燃料電池スタックへの供給
燃料を導き、一方の層を通る排出燃料の廃熱で他方の層
を通る供給燃料を加熱し、一方の層で凝縮水を回収する
構成としたことを特徴とするものである。
【００１１】請求項３記載の発明は、請求項２記載のも
のにおいて、前記排出燃料を導く一方の層が、前記供給
燃料を導く他方の層の外側に位置し、かつ各層間には伝
熱フィンを介在させたことを特徴とするものである。
【００１２】請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の
いずれかに記載のものにおいて、前記凝縮水で供給燃料
を加湿することを特徴とするものである。
【００１３】請求項５記載の発明は、外装ケース内に、
燃料と空気中の酸素とを反応させて電力を発生させる燃
料電池スタックを備えた燃料電池において、前記外装ケ
ースの外装パネルの少なくとも一部に熱交換室を形成
し、この熱交換室に前記燃料電池スタックの排出空気を
導き、この排出空気の廃熱を前記外装パネルを通じて放
熱し、凝縮水を回収する構成としたことを特徴とするも
のである。
【００１４】請求項６記載の発明は、外装ケース内に、
燃料と空気中の酸素とを反応させて電力を発生させる燃
料電池スタックを備えた燃料電池において、外装ケース
の外装パネルの少なくとも一部に２層以上の熱交換室を
形成し、この熱交換室の一方の層に燃料電池スタックの
排出空気を導き、他方の層に燃料電池スタックへの供給
空気を導き、一方の層を通る排出空気の廃熱で他方の層
を通る供給空気を加熱し、一方の層で凝縮水を回収する
構成としたことを特徴とするものである。
【００１５】請求項７記載の発明は、請求項６記載のも
のにおいて、前記排出空気を導く一方の層が、前記供給
空気を導く他方の層の外側に位置し、かつ各層間には伝
熱フィンを介在させたことを特徴とするものである。
【００１６】請求項８記載の発明は、請求項５乃至７の
いずれかに記載のものにおいて、前記凝縮水で供給空気
を加湿することを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。
【００１８】図１において、１は外装ケースを示してい
る。この外装ケース１内には、燃料と空気中の酸素とを
反応させて電力を発生させる固体高分子形の燃料電池ス
タック３が設けられている。この燃料電池スタック３に
は、燃料供給系１０と空気供給系２０とが接続されてい
る。燃料供給系１０は水素ボンベからなる水素燃料供給
源１１を備え、この水素燃料供給源１１は燃料供給管路
１２，１３を介して燃料電池スタック３の燃料供給側に
接続されている。空気供給系２０は空気ファン２１を備
え、この空気ファン２１は空気供給管路２２，２３を介
して燃料電池スタック３の空気供給側に接続されてい
る。
【００１９】また、固体高分子形の燃料電池スタック３
の排気側には、燃料排気管路３０と空気排気管路４０と
が接続されている。
【００２０】燃料電池スタック３は、図２に示すよう
に、ガスセパレータ３ａと、リブ付き基板３ｂと、水素
極（アノード）３ｃと、電解質３ｄと、酸素極（カソー
ド）３ｅと、リブ付き基板３ｆとを組み合わせてセル１
００を構成し、各セル１００を積層することにより構成
されている。
【００２１】そして、水素が矢印Ｘ１で示すように水素
極（アノード）３ｃに供給され、酸素が矢印Ｘ２で示す
ように酸素極（カソード）３ｅに供給され、図３に示す
ように、この酸素と水素間で反応し、電子イオンが水素
極３ｃから酸素極３ｅに流れてその結果、電力が出力さ
れる。
【００２２】この実施形態では、外装ケース１の一方の
外装パネル１ａには、２層に構成された熱交換室５０が
形成されている。この熱交換室５０の内面はすべて断熱
材５３で囲われている。この熱交換室５０は仕切り板５
２で仕切られ、この仕切り板５２には複数の伝熱フィン
５４が設けられている。この伝熱フィン５４は仕切り板
５２に例えば突起を付けたものでもよく、或いは仕切り
板５２自体を波状に形成したものでもよい。この熱交換
室５０の一方の外部層５０ａには燃料排気管路３０が接
続され、この燃料排気管路３０を通じて燃料電池スタッ
ク３の排出燃料が導かれると共に、他方の内部層５０ｂ
には燃料供給管路１２が接続され、この燃料供給管路１
２を通じて供給燃料が導かれる。
【００２３】この熱交換室５０ａ，５０ｂでは互いのガ
ス間で熱交換が行われ、内部層５０ｂを通る燃料電池ス
タック３への供給燃料は、外部層５０ａを通る排出燃料
の熱で加熱され、昇温されて供給される。外部層５０ａ
を通る排出燃料の熱は一方の外装パネル１ａを通じて外
装ケース１全域に伝熱され、これにより排出燃料が冷却
され、水素燃料供給源１１に戻されて処理される。
【００２４】なお、水素燃料供給源１１が水素ボンベの
場合、この外部層５０ａを通る排出燃料は外部層５０ａ
内で冷却された後、大気放出してもよい。
【００２５】また、外装ケース１の他方の外装パネル１
ｂには、２層に構成された熱交換室６０が形成されてい
る。この熱交換室６０の内面はすべて断熱材６３で囲わ
れている。この熱交換室６０は仕切り板６２で仕切ら
れ、この仕切り板６２には複数の伝熱フィン６４が設け
られている。この伝熱フィン６４は仕切り板６２に例え
ば突起を付けたものでもよく、或いは仕切り板６２自体
を波状に形成したものでもよい。この熱交換室６０の一
方の外部層６０ａには空気排気管路４０が接続され、こ
の空気排気管路４０を通じて燃料電池スタック３の排出
空気が導かれると共に、他方の内部層６０ｂには空気供
給管路２２が接続され、この空気供給管路２２を通じて
供給空気が導かれる。
【００２６】この熱交換室６０ａ，６０ｂでは互いのガ
ス間で熱交換が行われ、内部層６０ｂを通る燃料電池ス
タック３への供給空気は、外部層６０ａを通る排出空気
の熱で加熱され、昇温されて供給される。
【００２７】また、外部層６０ａを通る排出空気の熱は
他方の外装パネル１ｂを通じて外装ケース１の全域に伝
熱され、これによって排出空気が冷却され、この排気空
気は外装ケース１の外部に大気放出される。
【００２８】固体高分子形燃料電池においては、電解質
膜の湿潤状態を保つことにより、良好な出力特性が得ら
れるため、燃料電池スタック３に加湿された燃料或いは
空気が供給されるのが一般的である。
【００２９】そのため、この実施形態では、燃料供給系
１０に水タンク７０が付設される。この水タンク７０に
は水ポンプ７１が接続され、この水タンク７１により、
熱交換室５０の内部層５０ｂに水が供給され、この水に
より、内部層５０ｂを通る供給燃料が加湿される。従っ
て、燃料電池スタック３から排出される排出燃料或いは
排出空気中には多量の水分が含まれる。
【００３０】また、燃料電池の反応により、燃料電池ス
タック３内では水が生成されるため、排出空気中には更
に多量の水分が含まれる。
【００３１】固体高分子形燃料電池は約８０℃程度で運
転されるので、排出燃料或いは排出空気中に水分が含ま
れると、水分が直ちに凝縮し、屋内で使用した場合に
は、この凝縮水が周辺機器に悪い影響を及ぼす。
【００３２】これを防止するため、この実施形態では、
排出燃料を導く一方の外部層５０ａに回収管８０が接続
され、この回収管８０は分岐され、燃料の一部が分岐回
収管８０ａを介して水素燃料供給源１１に回収され、凝
縮水が分岐回収管８０ｂを介して前記水タンク７０に回
収される。
【００３３】一方、排出空気を導く外部層６０ａに回収
管９０が接続され、この回収管９０には水タンク９１が
接続され、この回収管９０を介して凝縮水が当該水タン
ク９１に回収される。この水タンク９１には水ポンプ９
３が接続され、この水ポンプ９３で汲み上げられた回収
水が管路９５を経て内部層６０ｂに導かれ、この内部層
６０ｂを通る供給空気が加湿される。
【００３４】この実施形態では、各熱交換室５０，６０
において、表面積の大きい外装パネル１ａ，１ｂからの
放熱が有効に利用され、各室５０，６０での熱交換の効
率が従来のものに比べて各段に向上するので、各熱交換
室５０，６０の小型化が図られ、外装ケース１のコンパ
クト化が図られる。また、排気燃料及び排気空気（排気
ガス）の層では、効率のよい凝縮水の回収が行われる。
【００３５】また、各熱交換室５０，６０が２層に形成
され、それぞれ排気ガス及び供給ガスが通されるので、
各ガス間で効率のよい熱交換が行われる。
【００３６】従って、供給ガスは排気ガスの廃熱を回収
して燃料電池スタック３に供給されるので、燃料電池の
良好な出力特性を維持することができると共に、排気ガ
ス側の層では、効率のよい凝縮水の回収が行われる。
【００３７】更に、排気ガス側の層では、凝縮水の回収
ラインが設けられ、この凝縮水が供給ガスの加湿に利用
されるので、従来のように、特別な加湿器を設ける必要
がなく、外装ケース１のコンパクト化が図られる。
【００３８】以上、一実施形態に基づいて本発明を説明
したが、本発明はこれに限定されるものでないことは明
らかである。
【００３９】たとえば、各熱交換室を２層に分割した例
を示したが、これに限定されず、３層以上に分割しても
よいことはあきらかである。
【００４０】
【発明の効果】この発明では、各熱交換室において、表
面積の大きい外装パネルからの放熱が有効に利用される
ので、各熱交換室の小型化が図られ、外装ケースのコン
パクト化が図られると共に、排気燃料及び排気空気側で
は、効率のよい凝縮水の回収を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池の概略構成図である。
【図２】燃料電池スタックの概略構成図である。
【図３】燃料電池の原理説明図である。
【符号の説明】
１ 外装ケース １ａ，１ｂ 外装パネル ３ 燃料電池スタック １０ 燃料供給系 １１ 水素燃料供給源 １２，１３ 燃料供給管路 ２０ 空気供給系 ２１ 空気ファン ２２，２３ 空気供給管路 ３０ 燃料排気管路 ４０ 空気排気管路 ５０，６０ 熱交換室 ５０ａ，６０ａ 外部層 ５０ｂ，６０ｂ 内部層 ５３ 断熱材 ５４，６４ 伝熱フィン ７０ 水タンク ７１ 水ポンプ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 外装ケース内に、燃料と空気中の酸素と
    を反応させて電力を発生させる燃料電池スタックを備え
    た燃料電池において、 前記外装ケースの外装パネルの少なくとも一部に熱交換
    室を形成し、 この熱交換室に前記燃料電池スタックの排出燃料を導
    き、 この排出燃料の廃熱を前記外装パネルを通じて放熱し、
    凝縮水を回収する構成としたことを特徴とする燃料電
    池。
  2. 【請求項２】 外装ケース内に、燃料と空気中の酸素と
    を反応させて電力を発生させる燃料電池スタックを備え
    た燃料電池において、 外装ケースの外装パネルの少なくとも一部に２層以上の
    熱交換室を形成し、 この熱交換室の一方の層に前記燃料電池スタックの排出
    燃料を導き、 他方の層に前記燃料電池スタックへの供給燃料を導き、 前記一方の層を通る排出燃料の廃熱で他方の層を通る供
    給燃料を加熱し、一方の層で凝縮水を回収する構成とし
    たことを特徴とする燃料電池。
  3. 【請求項３】 前記排出燃料を導く一方の層が、前記供
    給燃料を導く他方の層の外側に位置し、かつ各層間には
    伝熱フィンを介在させたことを特徴とする請求項２記載
    の燃料電池。
  4. 【請求項４】 前記凝縮水で供給燃料を加湿することを
    特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電
    池。
  5. 【請求項５】 外装ケース内に、燃料と空気中の酸素と
    を反応させて電力を発生させる燃料電池スタックを備え
    た燃料電池において、 前記外装ケースの外装パネルの少なくとも一部に熱交換
    室を形成し、 この熱交換室に前記燃料電池スタックの排出空気を導
    き、 この排出空気の廃熱を前記外装パネルを通じて放熱し、
    凝縮水を回収する構成としたことを特徴とする燃料電
    池。
  6. 【請求項６】 外装ケース内に、燃料と空気中の酸素と
    を反応させて電力を発生させる燃料電池スタックを備え
    た燃料電池において、 外装ケースの外装パネルの少なくとも一部に２層以上の
    熱交換室を形成し、 この熱交換室の一方の層に前記燃料電池スタックの排出
    空気を導き、 他方の層に前記燃料電池スタックへの供給空気を導き、 前記一方の層を通る排出空気の廃熱で他方の層を通る供
    給空気を加熱し、一方の層で凝縮水を回収する構成とし
    たことを特徴とする燃料電池。
  7. 【請求項７】 前記排出空気を導く一方の層が、前記供
    給空気を導く他方の層の外側に位置し、かつ各層間には
    伝熱フィンを介在させたことを特徴とする請求項６記載
    の燃料電池。
  8. 【請求項８】 前記凝縮水で供給空気を加湿することを
    特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の燃料電
    池。
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