(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池スタックと共に用いられて、前記燃料電池の電極に供給する材料ガスを加湿する加湿装置であって、
水の流路と前記材料ガスの流路とに接し、該水と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜を備えるとともに、
前記多孔質膜は、親水性を有した、直径１０−８ｍないし１０−７ｍの孔を多数有するポリオレフィン系（ＣｎＨ２ｎ）樹脂フィルムであり、
さらに、
前記燃料電池と別体に組付けられたことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項２】
燃料電池の電極に供給する材料ガスを加湿する加湿装置であって、
水の流路と前記材料ガスの流路とに接し、該水と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜を備えるとともに、
前記多孔質膜は、親水性を有し、かつ、シリコーンにて孔径が狭められた孔を多数有するものである燃料電池の加湿装置。
【請求項３】
燃料電池の電極に供給する材料ガスを加湿する加湿装置であって、
水の流路と前記材料ガスの流路とに接し、該水と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜を備えるとともに、
前記多孔質膜は、親水性を有する多孔質のフィルムであり、該フィルムを屈曲させて立体的に配置された構成である燃料電池の加湿装置。
【請求項４】
燃料電池の電極に供給する材料ガスの加湿量を制御する加湿制御装置であって、
水の流路と前記材料ガスの流路とに接し、該水と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜と、
前記水の流路の水圧を検出する水圧検出手段と、
前記材料ガスの流路のガス圧を検出するガス圧検出手段と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該検出した燃料電池の運転状態から前記燃料電池が必要とする前記材料ガス中の必要水蒸気量を算出する必要水蒸気量算出手段と、
該算出した必要水蒸気量から前記水と材料ガスとの理想的な圧力差を算出する理想圧力差算出手段と、
前記水圧検出手段で検出した水圧と前記ガス圧検出手段で検出したガス圧とに基づいて、該水と材料ガスとの圧力差が前記理想的な圧力差となるように前記水圧または前記ガス圧の少なくともいずれか一方を制御する制御手段と
を備えた燃料電池の加湿制御装置。
【請求項５】
前記運転状態検出手段は、燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備えたものである請求項４記載の燃料電池の加湿制御装置。
【請求項６】
前記運転状態検出手段は、燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段を備えたものである請求項４記載の燃料電池の加湿制御装置。
【請求項７】
前記運転状態検出手段は、燃料電池から排出される前記材料ガスの流量を検出するガス流量検出手段を備えたものである請求項４記載の燃料電池の加湿制御装置。
【請求項８】
前記運転状態検出手段は、燃料電池の負荷電流を検出する電流検出手段を備えたものである請求項４記載の燃料電池の加湿制御装置。
【請求項９】
請求項４記載の燃料電池の加湿制御装置であって、
さらに、
前記燃料電池の停止時を判定する停止時判定手段と、
該停止時が判定されたとき、前記水と材料ガスとの圧力差を所定の圧力差以上の大きな圧力差となるように前記水圧または前記ガス圧の少なくともいずれか一方を制御する停止時制御手段と
を備える燃料電池の加湿制御装置。
【請求項１０】
請求項２記載の燃料電池の加湿装置を製造する方法であって、
シリコーン接着剤を有機溶剤で希釈する工程と、
該希釈されたシリコーン接着剤の溶液を前記多孔質膜を用いて加圧下でろ過する工程と、
を備える加湿装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池の電極に供給する材料ガスを加湿する燃料電池の加湿装置と、その加湿量を制御する燃料電池の加湿制御装置と、その加湿装置の製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の一つである固体高分子型燃料電池では、次式に示すように、アノードでは水素ガスを水素イオンと電子にする反応が、カソードでは酸素ガスと水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行なわれる。
【０００３】
アノード反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【０００４】
アノードで発生した水素イオンは、水和状態（Ｈ＋・ｘＨ２Ｏ）となって電解質膜中をカソードに移動する。このため、電解質膜のアノード側表面付近では、水が不足する状態となり、上述の反応を連続して行なうには、この不足する水を補給する必要がある。固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜は、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するが、含水率が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって電解質として十分に機能しなくなり、場合によっては、電極反応を停止させてしまう。
【０００５】
この水の補給は、燃料ガスを加湿することにより行なうのが一般的である。燃料ガスを加湿する装置としては、燃料ガスをバブリングして加湿する装置がよく知られている。ところが、例えば電気自動車に搭載された燃料電池スタックへこのバブリング加湿装置を用いようとすると、大容積のバブラーを用意し、電気ヒータで加熱しなければならず、容積、消費エネルギーの点で現実的とは言いがたい。
【０００６】
そこで、他の加湿装置として、四フッ化エチレン樹脂製の多孔質膜を介して燃料ガスを加湿する装置（例えば、特開平３−２６９９５８号公報）が提案されている。これは、水とガスを多孔質膜をはさんで流し、水の圧力をガスの圧力よりも高くすることにより、圧力差によって、多孔質膜を介して水をガス側に透過させて、しかも、その多孔質膜の表面で水を気化することにより、ガスを加湿しようとするものである。
【０００７】
こうした多孔質膜を用いた加湿装置は、固体高分子型燃料電池スタック内部に組み込んだり、固体高分子型燃料電池スタックの外側に一体として組み付けたりすることが可能であり、加湿部をコンパクト化することができ、さらには、燃料電池の反応に伴う発熱を水の気化のための熱として使うことができるので、電気ヒータのような加熱手段を必要とせず、消費エネルギーの点でも優れている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この加湿装置では、水を良好な水蒸気の状態ではなく、水滴の状態でしか供給することができないといった問題があった。この加湿装置では、四フッ化エチレン樹脂製といった撥水性の多孔質膜を用いているために、ガス流路側に通過してきた水は、多孔質膜のガス側の表面で球状の水滴になってしまう。この水滴はガスとの接触面積が少ないために、なかなか気化できず、次々に多孔質膜を通過して供給される水を受けて、さらに大きな水滴に成長する。そして、ついには、重力で落下するか、ガスに吹き飛ばされるかして、多量の水滴となって飛散する。こうして、加湿する水は期待される水蒸気の状態とならず、多量の水滴となってアノードに供給される。
【０００９】
同じ水でありながら、水滴の状態で加湿がなされると、アノードにおいて、濡れ過ぎの状態となって電極基材の細孔を閉塞させることになる。この結果、アノードへの燃料ガスの拡散を阻害し、その固体高分子型燃料電池の出力の低下を招いた。
【００１０】
特開平３−２６９９５８号公報には、四フッ化エチレン樹脂製の多孔質膜として、住友電工社製のフロロポアと、ジャパンゴアテックス社製の膜を用いた実施例が記載されていることから、本発明者はこの膜を用いて実験を行なってみた。この実験では、これらの膜の中で、市販されている最も孔径が小さく、かつ厚みの厚い製品、即ち、多孔質膜として最も水を通過させにくい製品を使った。結果は、それでも水滴の状態で水が供給されるばかりで、期待される良好な水蒸気は発生しなかった。
【００１１】
この発明の燃料電池の加湿装置は、こうした問題に鑑みてなされたもので、水を良好な水蒸気の状態で供給可能とすることにより、供給電極が濡れ過ぎの状態となることを防ぎ、延いては燃料電池の出力の低下を防止することを目的としている。
【００１２】
一方、この発明の燃料電池の加湿制御装置は、加湿量を最適に調整することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成すべく、前記課題を解決するための手段として、以下に示す構成をとった。
【００１４】
即ち、本発明の燃料電池の加湿装置は、
燃料電池を備える燃料電池スタックと共に用いられて、前記燃料電池の電極に供給する材料ガスを加湿する加湿装置であって、
水の流路と前記材料ガスの流路とに接し、該水と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜を備えるとともに、
前記多孔質膜は、親水性を有した、直径１０−８ｍないし１０−７ｍの孔を多数有するポリオレフィン系（ＣｎＨ２ｎ）樹脂フィルムであり、
さらに、
前記燃料電池と別体に組付けられたことを、その要旨としている。
【００１５】
請求項２記載の燃料電池の加湿装置は、
燃料電池の電極に供給する材料ガスを加湿する加湿装置であって、
水の流路と前記材料ガスの流路とに接し、該水と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜を備えるとともに、
前記多孔質膜は、親水性を有し、かつ、シリコーンにて孔径が狭められた孔を多数有するものであることを、その要旨としている。
請求項３記載の燃料電池の加湿装置は、
燃料電池の電極に供給する材料ガスを加湿する加湿装置であって、
水の流路と前記材料ガスの流路とに接し、該水と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜を備えるとともに、
前記多孔質膜は、親水性を有する多孔質のフィルムであり、該フィルムを屈曲させて立体的に配置された構成であることを、その要旨としている。
【００１６】
本発明の燃料電池の加湿制御装置は、
燃料電池の電極に供給する材料ガスの加湿量を制御する加湿制御装置であって、
水の流路と前記材料ガスの流路とに接し、該水と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜と、
前記水の流路の水圧を検出する水圧検出手段と、
前記材料ガスの流路のガス圧を検出するガス圧検出手段と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該検出した燃料電池の運転状態から前記燃料電池が必要とする前記材料ガス中の必要水蒸気量を算出する必要水蒸気量算出手段と、
該算出した必要水蒸気量から前記水と材料ガスとの理想的な圧力差を算出する理想圧力差算出手段と、
前記水圧検出手段で検出した水圧と前記ガス圧検出手段で検出したガス圧とに基づいて、該水と材料ガスとの圧力差が前記理想的な圧力差となるように前記水圧または前記ガス圧の少なくともいずれか一方を制御する制御手段と
を備えたことを、その要旨としている。
【００１７】
こうした構成の燃料電池の加湿制御装置において、前記運転状態検出手段は、燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備えた構成としてもよい、また、前記運転状態検出手段は、燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段を備えた構成としてもよい。さらに、前記運転状態検出手段は、燃料電池から排出される前記材料ガスの流量を検出するガス流量検出手段を備えた構成としてもよいし、燃料電池の負荷電流を検出する電流検出手段を備えた構成としてもよい。
【００１８】
さらに、前記構成の燃料電池の加湿制御装置において、さらに、前記燃料電池の停止時を判定する停止時判定手段と、該停止時が判定されたとき、前記水と材料ガスとの圧力差を所定の圧力差以上の大きな圧力差となるように前記水圧または前記ガス圧の少なくともいずれか一方を制御する停止時制御手段とを備えた構成としてもよい。
【００１９】
本発明の燃料電池の加湿装置の製造方法は、
請求項３記載の燃料電池の加湿装置を製造する方法であって、
シリコーン接着剤を有機溶剤で希釈する工程と、
該希釈されたシリコーン接着剤の溶液を前記多孔質膜を用いて加圧下でろ過する工程と、
を備えることを、その要旨としている。
【００２０】
【作用】
以上のように構成された請求項１記載の燃料電池の加湿装置によれば、多孔質膜が親水性を有していることから、多孔質膜を透過して材料ガス側表面に染み出た水は、多孔質膜に対して大きな接触面積で接する。このため、多孔質膜と材料ガスとの双方から熱を受けることができることから、その水は容易に気化して、良好な水蒸気の状態で材料ガス中に供給される。これに対して、従来の撥水性の多孔質膜では、多孔質膜の材料ガス側表面に染み出てきた水は、球状の水滴となってしまうことから、多孔質膜に対して点でしか接することができず、このため、その水滴は多孔質膜から熱を受けることができず、気化されない。
【００２１】
請求項２記載の燃料電池の加湿装置によれば、孔径を狭めることで、多孔質膜から透過する水の量が少なくなる。このため、加湿量が多すぎてそのままでは使用できない多孔質膜を使用することが可能となる。
【００２２】
請求項３記載の燃料電池の加湿装置によれば、多孔質膜が、屈曲させて立体的に配置されていることから、少ない容積の加湿装置でより表面積の大きい多孔質膜を組み込むことが可能となる。このため、少ない容積の加湿装置でより大きな加湿量を実現する。
【００２３】
請求項４記載の燃料電池の加湿制御装置によれば、運転状態検出手段により検出した燃料電池の運転状態から燃料電池が必要とする材料ガス中の必要水蒸気量を、必要水蒸気量算出手段により算出し、その必要水蒸気量から水と材料ガスとの理想的な圧力差を、理想圧力差算出手段により算出する。そして、制御手段により水圧またはガス圧の少なくともいずれか一方を制御することにより、水と材料ガスとの圧力差をその理想的な圧力差に制御する。多孔質膜は制御手段により制御されたその理想的な圧力差に応じて水を透過する。透過した水は、気化して水蒸気となり材料ガスに供給される。この結果、多孔質膜を透過する水量が燃料電池の運転状態に応じて理想的に定まる。
【００２４】
請求項５記載の燃料電池の加湿制御装置によれば、温度検出手段により検出した燃料電池の温度に応じて、必要水蒸気量算出手段により、材料ガス中の必要水蒸気量が算出される。このため、燃料電池の温度が高いほど、ガス中の飽和水蒸気量が多くなるので、燃料電池の温度の上昇に応じて必要水蒸気量を高めることが可能となり、その結果、燃料電池の温度の上昇に応じて加湿量が増大する。
【００２５】
請求項６記載の燃料電池の加湿制御装置によれば、インピーダンス検出手段により検出した燃料電池のインピーダンスに応じて、必要水蒸気量算出手段により、材料ガス中の必要水蒸気量が算出される。インピーダンスが高いほど、膜−電極接合体つまり燃料電池セルが乾いているので、インピーダンスの上昇に応じて水圧とガス圧との圧力差を大きくして加湿量を増大させる。
【００２６】
請求項７記載の燃料電池の加湿制御装置によれば、ガス流量検出手段により検出した燃料電池からの材料ガスの流量に応じて、必要水蒸気量算出手段により、材料ガス中の必要水蒸気量が算出される。ガス流量が高いほど、燃料電池で必要となる加湿水量が多くなるので、ガス流量の上昇に応じて水圧とガス圧との圧力差を大きくして加湿量を増大させる。
【００２７】
請求項８記載の燃料電池の加湿制御装置によれば、電流検出手段により検出した燃料電池の負荷電流に応じて、必要水蒸気量算出手段により、材料ガス中の必要水蒸気量が算出される。負荷電流に応じて燃料電池のガス流量は決定されることから、ガス流量と同様、負荷電流が高いほど、燃料電池で必要となる加湿水量が多くなるので、ガス流量の上昇に応じて水圧とガス圧との圧力差を大きくして加湿量を増大させる。
【００２８】
請求項９記載の燃料電池の加湿制御装置によれば、停止時判定手段により、燃料電池の停止時が判定されたとき、水と材料ガスとの圧力差を所定の圧力差以上の大きな圧力差となるように水圧またはガス圧の少なくともいずれか一方を、停止時制御手段により制御する。
【００２９】
請求項１０記載の加湿装置の製造方法によれば、有機溶剤で希釈されたシリコーン接着剤の溶液を、多孔質膜を用いて加圧下でろ過することにより、溶媒のみは多孔質膜を通過させ、シリコーン接着剤の一部は多孔質膜表面及び内部に残留させるように働く。
【００３０】
【実施例】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。
【００３１】
図１は、本発明の燃料電池の加湿装置を適用した第１実施例としての固体高分子型燃料電池のスタック（以下、燃料電池スタックと呼ぶ）１の概略構成図である。燃料電池スタック１は、複数の単電池のセル１０を備える発電ユニット１００と、水素ガスを加湿する水素ガス加湿器１１０および酸素含有ガス（空気）を加湿する酸素含有ガス加湿器１２０からなる加湿ユニット２００とを備える。発電ユニット１００は２つのエンドプレート３００，３１０の間に締め付けボルト３１２，３１４により組み付けられており、さらに一方のエンドプレート３１０と第３のエンドプレート３２０との間に加湿ユニット２００が締め付けボルト３２２，３２４により組み付けられている。
【００３２】
発電ユニット１００は、セル１０を複数（この実施例では３つ）積層し、その積層方向の両側に冷却水流路２０，３０を設け、さらに冷却水流路２０，３０の外側に集電板４０，５０を設けた構成である。
【００３３】
セル１０の構成について次に説明する。セル１０は、図２の構造図に示すように、電解質膜１１と、この電解質膜１１を両側から挟んでサンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのカソード１２およびアノード１３と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつカソード１２およびアノード１３とで酸素含有ガスおよび燃料ガスの流路を形成するセパレータ１４，１５とにより構成されている。
【００３４】
電解質膜１１は、高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気電導性を示す。カソード１２およびアノード１３は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されており、このカーボンクロスには、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金等を担持したカーボン粉がクロスの隙間に練り込まれている。セパレータ１４，１５は、ち密質のカーボンプレートにより形成されている。カソード１２側のセパレータ１４は、カソード１２の表面とで材料ガスである酸素含有ガスの流路をなすと共にカソード１２で生成する水の集水路をなす酸素ガス流路１４ｐを形成する。また、アノード１３側のセパレータ１５は、アノード１３の表面とで燃料ガスである水素ガスと水蒸気との混合ガスの流路をなす水素ガス流路１５ｐを形成する。
【００３５】
これがセル１０の基本的な構成であり、セル１０の外側に配設された集電板４０，５０（図１）はこれらセル１０のカソード１２およびアノード１３の集電極の役割を果たす。集電板４０，５０は、銅（Ｃｕ）により形成されている。なお集電板４０とエンドプレート３００との間、集電板５０とエンドプレート３１０との間には、絶縁板６０，７０が介在している。
【００３６】
水素ガス加湿器１１０の構成について次に説明する。水素ガス加湿器１１０は、図３の構造図に示すように、多孔質膜１１１と、この多孔質膜１１１を両側から挟みつつ水素ガスおよび水の流路を形成するセパレータ１１３，１１５とにより構成されている。
【００３７】
多孔質膜１１１は、ポリオレフィン系の多孔質のフィルムであって、親水性を備えるとともに、空孔率が５０［％］以上で、平均孔径が０．０５［μｍ］程度のものである。この多孔質膜１１１は、フィルムを境とした両側の圧力差に応じて水を透過するものである。多孔質膜１１１は、例えば、旭化成工業から商品名「ハイポア１０００」として入手することができる。
【００３８】
セパレータ１１３，１１５は、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質のカーボンプレートにより形成されている。セパレータ１１３，１１５の多孔質膜１１１側の表面には、平行に配列された複数の凸部が設けられており、複数の凸部と多孔質膜１１１とで複数の水素ガス流路１１３ｐおよび水流路１１５ｐを形成する。また、セパレータ１１３，１１５と多孔質膜１１１とは、Ｏリング１１６，１１７によりシールされており、また、多孔質膜１１１の長手方向の両側はシール部材１１８，１１９によりシールされている。
【００３９】
なお、実施例ではセパレータ１１３をガス不透過カーボンにより形成したが、水素ガスに侵されない材質かつ熱伝導性に優れている材質であれば如何なる材質により形成してもかまわない。また、セパレータ１１５は水に対して安定な材質でかつ熱伝導性に優れている材質であれば如何なる材質により形成しても構わない。
【００４０】
こうして構成された水素ガス加湿器１１０は、水素ガスの循環路Ｃ１中に前述した水素ガス流路１１３ｐが位置し、水の循環路Ｃ２中に前述した水流路１１５ｐが位置するように配設される。この結果、水流路１１５ｐを流れる水の圧力と水素ガス流路１１３ｐを流れる水素ガスの圧力との差に応じて水流路１１５ｐ中の水が多孔質膜１１１を透過する。この透過した水は、多孔質膜１１１表面で気化して水素ガスを加湿する。
【００４１】
燃料電池のセル１０に用いられる酸素含有ガスを加湿する酸素含有ガス加湿器１２０は、前述した水素ガス加湿器１１０と同一の多孔質膜１２１およびセパレータ１２３，１２５（図１）を備えており、セパレータ１２３の酸素ガス流路１２３ｐに酸素含有ガスが流される。したがって、酸素含有ガス加湿器１２０は、水流路１２５ｐを流れる水の圧力と酸素ガス流路１２３ｐを流れる酸素含有ガスの圧力との差に応じて水流路１２５ｐ中の水が多孔質膜１２１を透過する。この透過した水は、多孔質膜１２１表面で気化して酸素含有ガスを加湿する。
【００４２】
次に、セル１０の燃料ガスおよび酸素含有ガスの流路１４ｐおよび１５ｐ，冷却水流路２０，水素ガス加湿器１１０の水流路１１５ｐおよび水素ガス流路１１３ｐ，酸素含有ガス加湿器１２０の水流路１２５ｐおよび酸素ガス流路１２３ｐ等の接続状態について説明する。発電ユニット１００の冷却水流路２０，３０の入口は、水通路５１０，ポンプ５００を介して図示しない貯水槽に接続されており、冷却水流路２０，３０の出口は、水通路５２０を介して水素ガス加湿器１１０の水流路１１５ｐおよび酸素含有ガス加湿器１２０の水流路１２５ｐの入口に接続されている。したがって、発電ユニット１００で冷却水として用いられた水が、水素ガス加湿器１１０の水流路１１５ｐおよび酸素含有ガス加湿器１２０の水流路１２５ｐへ供給される。また、両水流路１１５ｐ，１２５ｐの出口は、水通路５３０を介して図示しない熱交換器および貯水槽に接続されている。
【００４３】
なお、ポンプ５００には、ポンプ５００の回転数を可変する電動機５００ａが設けられている。この電動機５００ａは、外部からの制御信号に基づく回転数でポンプ５００を駆動する。したがって、ポンプ５００の回転数を変えることで、冷却水流路２０および水流路１１５ｐ，１２５ｐ内の水圧を調整することができる。
【００４４】
水素ガス加湿器１１０のセパレータ１１３に形成された水素ガス流路１１３ｐの入口は、水素ガス通路５４０，ブロワ５５０を介して水素ガス貯蔵槽（図示せず）に接続されており、水素ガス流路１１３ｐの出口は、水素ガス通路５６０を介してセル１０のセパレータ１５に形成された水素ガス流路１５ｐの入口に接続されている。したがって、水素ガス流路１５ｐには、水素ガスと水蒸気との混合ガスが流入する。また、水素ガス流路１５ｐの出口は、水素ガス通路５７０を介して水素ガス回収槽（図示せず）に接続されている。
【００４５】
酸素含有ガス加湿器１２０のセパレータ１２３に形成された酸素ガス流路１２３ｐの入口は、酸素ガス通路５８０を介してブロワ５９０に接続されており、酸素ガス流路１２３ｐの出口は、酸素ガス通路５９２を介してセル１０のセパレータ１４に形成された酸素ガス流路１４ｐの入口に接続されている。したがって、酸素ガス流路１４ｐには、酸素含有ガスと水蒸気との混合ガスが流入する。また、酸素ガス流路１４ｐの出口は、酸素ガス通路５９４を介して外部大気と接続されている。
【００４６】
こうして構成された燃料電池スタック１は、上述した化学反応により化学エネルギを直接電気エネルギに変換するが、加湿ユニット２００で加湿された材料ガス（水素ガスおよび酸素含有ガス）により、この化学反応がスムーズに行なわれている。
【００４７】
すなわち、セル１０のアノード１３では、水素が水素イオンと電子となる反応が行なわれ、生じた水素イオンが、アノード１３付近の水と結合して水和状態となって電解質膜１１内を移動する。このため、そのままでは電解質膜１１のアノード１３付近で水が不足するが、この不足は、水素ガスと水蒸気との混合ガス中の水蒸気により補給される。この結果、電解質膜１１は常に湿潤状態となり、水素イオンは電解質膜１１内をスムーズに移動することができ、陰極反応がスムーズに行なわれる。カソード１２では、水素イオンと電子と酸素とにより水を生成する反応が行なわれる。酸素含有ガスと水蒸気の混合ガス中の水蒸気は、運転開始直後の電解質膜１１の湿潤状態を確保すると共にカソード１２とセパレータ１４等との接触抵抗を低減させる。
【００４８】
以上詳述したように、この第１実施例の燃料電池スタック１では、燃料電池に供給する材料ガスである水素ガスおよび酸素含有ガスを水素ガス加湿器１１０および酸素含有ガス加湿器１２０で加湿している。この水素ガス加湿器１１０は、多孔質膜１１１が親水性を有するポリオレフィン系のものであることから、多孔質膜１１１を透過してきた水は、多孔質膜１１１に対して大きな接触面積で接する。このため、多孔質膜１１１と水素ガスとの双方から熱を受けることができることから、その水を容易に気化して、水滴の状態でなく良好な水蒸気の状態で水素ガス中に含ませることができる。このため、水素ガスの供給先であるセル１０のアノード１３が濡れ過ぎの状態となり、燃料電池スタック１の出力が低下するのを防止することができる。
【００４９】
また、酸素含有ガス加湿器１２０も、多孔質膜１２１が親水性を有するポリオレフィン系のものであることから、多孔質膜１２１を透過してきた水を容易に気化して、水を水滴の状態でなく良好な水蒸気の状態で酸素含有ガス中に含ませることができる。このため、水素ガスの供給先であるセル１０のカソード１２の濡れ過ぎを防止することができる。
【００５０】
なお、多孔質膜１１１の一例として旭化成工業のハイポア１０００を使って、加湿量の測定をした結果を図４のグラフに示した。この実験の条件は、カソード１２に供給する酸素含有ガスを空気とし、その圧力を１．５気圧とし、燃料電池のガス利用率を１００［％］、燃料電池の電流密度を０．３［Ａ／ｃｍ２］としている。この実験では、測定範囲内において、霧状の良好な水蒸気を得ることができるとともに、図４のグラフに示すように、多孔質膜１１１に作用する圧力差△Ｐと加湿量Ｗとの関係を、△Ｐが０．２〜１［ｋｇｆ／ｃｍ２］の時、Ｗが０．０１〜１［ミリリットル／ｃｍ２・分］の範囲とすることができた。これは固体高分子型燃料電池を電気自動車の用途に適用する際の実用的な範囲である。
【００５１】
水の通過量の異なる各種の多孔質膜を用意し実際にどのように加湿されるかを実験してみた。その観察結果を次に示した。
【００５２】
加湿量が０．００１［ミリリットル／ｃｍ２・分］  程度では、加湿量が少なく、ガスは加湿されているのか否か目視で判断できない。
加湿量が０．０１［ミリリットル／ｃｍ２・分］  程度では、ガスは加湿され、薄い霧状の良好な水蒸気が得られる。
加湿量が０．１［ミリリットル／ｃｍ２・分］  程度では、ガスは加湿され、霧状の良好な水蒸気が得られる。
加湿量が１［ミリリットル／ｃｍ２・分］  程度では、ガスは加湿され、濃い霧状の良好な水蒸気が得られる。
加湿量が１０［ミリリットル／ｃｍ２・分］  程度では、ガスは加湿されているものの、多数の水滴が飛散してきて、霧状の水蒸気は得られない。
加湿量が１００［ミリリットル／ｃｍ２・分］  程度では、ガスではなく、水が吹き出すかのごとく多量の水が飛散してきて、水蒸気の状態ではない。
【００５３】
即ち、良好な加湿を実現できるのは、加湿量が０．０１〜１［ミリリットル／ｃｍ２・分］の範囲であり、このことからも、前述したハイポア１０００を用いた加湿装置では良好な加湿を行なうことができることがわかる。
【００５４】
なお、この第１実施例の燃料電池スタック１では、発電ユニット１００と加湿ユニット２００とが別体に組み付けられていることから、次のような効果を奏する。まず、第１に、発電ユニット１００と加湿ユニット２００とが別体となっていることから、発電ユニット１００と加湿ユニット２００との締め付け圧力（トルク）を別々の大きさにすることができるという効果を奏する。
【００５５】
発電ユニット１００の締め付け圧力は、燃料電池からガス漏れが発生しないようにすること、燃料電池のセル抵抗（電池抵抗）が発電に支障のない程度にまで低下すること、の２点から決められる。通常はガスシールはわずかな締め付け圧力で確保できるので、実際においては、セル抵抗値によって締め付け圧力が決められる。一方、加湿ユニット２００の締め付け圧力は、発電をしているわけではないから、その締め付け圧力は、ガスシール性のみから決められる。
【００５６】
加湿装置が発電ユニットと一体になって組み付けられた従来の構成では、セル抵抗で決められる締め付け圧力、つまり、大きな締め付け圧力で、締め付けられることから、加湿装置側に支障が生じた。本実施例のように、加湿装置において多孔質膜を用いた場合、膜が薄く、強度も低いことから、加湿装置を大きな締め付け圧力で締め付けた場合、多孔質膜が、ガス流路、水流路の溝のエッジに強く押しつけられて、その多孔質膜が破れてしまった。
【００５７】
これに対してこの第１実施例では、加湿ユニット２００の締め付け圧力は、発電ユニット１００の締め付け圧力の制限を何等受けることがないことから、前述したような大きな締め付け圧力で加湿ユニット２００を締め付ける必要がない。従って、多孔質膜の破損を防ぐことができる。
【００５８】
また、この第１実施例の燃料電池スタック１は、発電ユニット１００と加湿ユニット２００とが別体に組み付けられていることから、その補修が容易であるという効果を奏する。例えば、電池特性に異常が見つかったときに、従来は、発電部分は勿論のこと加湿装置を含め、完全に分解する必要があった。これに対して、この実施例では、発電ユニット１００と加湿ユニット２００とが別々に組み付けられているため、発電ユニット１００と加湿ユニット２００とをそれぞれ単独で分解することが出来、その補修が容易である。
【００５９】
一般に、発電ユニット１００と加湿ユニット２００とを別体にすると、両者１００，２００は、熱的にも隔離されることから、燃料電池本体の熱を加湿ユニットに伝えることができない。このため、加湿ユニット２００において加湿の効率を低下させることになるが、この第１実施例では、燃料電池本体の冷却に用いた冷却水を水流路１１５ｐ，１２５ｐに利用していることから、発電ユニット１００と加湿ユニット２００とを熱的に結合させることができる。従って、加湿ユニット２００において加湿の効率低下を引き起こすこともない。
【００６０】
なお、この第１実施例では、水素ガス加湿器１１０の水流路１１５ｐ（および酸素含有ガス加湿器１２０の水流路１２５ｐ）を循環路として発電ユニット１００の冷却水流路２０に連結していたが、これに替えて、水流路１１５ｐを冷却水流路２０と別系統の流路として、水流路１１５ｐの出口側を閉じた構造としてもよい。
【００６１】
この第１実施例では、多孔質膜１１１として、ポリオレフィン系のフィルムを用いていたが、これに替えて、セルロース系、ポリアミド系、ポリスルホン系、ポリプロピレン系を用いる構成としてもよい。要は、制御可能な圧力差でもって０．０１〜１［ミリリットル／ｃｍ２・分］の範囲の加湿量を得られる親水性の多孔質膜であればどのようなものであってもよい。ここで言う、親水性の多孔質膜とは、多孔質膜の表面に水滴が付着したときの水滴の形状によって、撥水性の多孔質膜と区別できるものである。即ち、撥水性の多孔質膜の表面においては、水滴はまさに水滴、つまり球状となって付着するが、親水性の膜の表面においては、水滴は球状になることなく、膜表面に平面的に広がるのである。なお、親水性の多孔質膜を定量的に示すと、膜の表面に水滴が付着した際の、水滴と多孔質膜表面との接触角度が、好ましくは３０度以下の場合を親水性の多孔質膜と定めるものとする。
【００６２】
本発明の第２実施例について次に説明する。図５は、第２実施例の燃料電池の加湿器６００の構造図である。この図５に示すように、この第２実施例の燃料電池の加湿器６００は、第１実施例の水素ガス加湿器１１０と比較して、多孔質膜６０２とセパレータ６０４，６０６との間に多孔質のカーボンのシート６０８，６１０を設けた点が相違する。なお、両シート６０８，６１０の長手方向の両外側には、緻密性のカーボンからなるシール部材６１２〜６１５が接合されており、その方向へのガス漏れを防いでいる。なお、図５中には詳しく示さなかったが、第１実施例の水素ガス加湿器１１０と同じようにＯリングを用いてさらにシール性を高めた構成としてもよい。
【００６３】
以上のように構成された第２実施例では、多孔質膜１１１はシート６０８，６１０により覆われる。多孔質膜１１１は、数十〜数百ミクロンと薄い為、そのままでは多孔質膜１１１に作用する圧力差ΔＰにより破損する恐れがあるが、このようにシート６０８，６１０で覆うことにより、多孔質膜１１１の破損を確実に防止することができる。
【００６４】
なお、シート６０８，６１０は、ガスや水の透過性に優れ、且つある程度の強度があるものであれば、どのようなものでもよく、多孔質のカーボンに替えて、発泡質のカーボン、発泡ニッケル、ガラス、或いはメッシュ状のシートとしてもよい。
【００６５】
本発明の第３実施例について次に説明する。図６は、第３実施例の燃料電池の加湿器７００の構造図である。この図６に示すように、この第３実施例の燃料電池の加湿器７００は、第１実施例の水素ガス加湿器１１０と比較して、多孔質膜７０２が屈曲させて立体的に配置されている点が相違する。なお、図６中には詳しく示さなかったが、第１実施例の水素ガス加湿器１１０と同じようにＯリングを用いてシール性を高めた構成となっている。
【００６６】
以上のように構成された第３実施例では、多孔質膜７０２が屈曲させて立体的に配置されていることから、少ない容積の加湿装置でより表面積の大きい多孔質膜を組み込むことが可能となる。多孔質膜７０２を屈曲させると加湿装置の１枚当りの厚みは増えるが、加湿装置の枚数を増すよりも、一つの加湿装置で多量の加湿する方が、トータルの加湿部分の厚みは減らすことができる。このため、少ない容積の加湿装置でより大きな加湿量を実現することができる。
【００６７】
なお、この第３実施例において、多孔質膜７０２の破損を防止するために、第２実施例と同様に多孔質膜７０２にサポート用のフィルムを沿わした構成としてもよい。
【００６８】
本発明の第４実施例について次に説明する。図７は、第４実施例の燃料電池の加湿器８００の構造図である。この図７に示すように、この第４実施例の燃料電池の加湿器８００は、第１実施例の水素ガス加湿器１１０と比較して、多孔質膜８０２の形状が相違する。この多孔質膜８０２は、四角形の筒状の形状をしており、その内部を水を流す水流路８０４とし、その外部には第２実施例と同じサポート用のフィルム８０６を設けた。セパレータ８０８，８１０で形成する流路８０８ｐ，８１０ｐは、双方ともガス（水素ガスまたは酸素含有ガス）用の流路とする。なお、図７中には詳しく示さなかったが、第１実施例の水素ガス加湿器１１０と同じようにＯリングを用いてシール性を高めた構成となっている。
【００６９】
以上のように構成された第４実施例では、多孔質膜８０２が３次元構造となっていることから、より広い表面積で加湿を実現することができ、よりコンパクト性に優れている。なお、この実施例では、多孔質膜８０２の外側の両流路８０８ｐ，８１０ｐに水素ガスまたは酸素含有ガスのいずれか一方の流す構成としたが、これに替えて、一方の流路に水素ガスを他方の流路に酸素含有ガスを流す構成としてもよい。この構成により、一つの加湿装置で、アノード１３に供給する水素ガスと、カソード１２に供給する酸素含有ガスとの両方に同時に加湿を行なうことができる。
【００７０】
前述した第１ないし第４実施例では、多孔質膜１１１（６０２，７０２，８０２）として「ハイポア１０００」を用いることで良好な加湿を得ていたが、これに替えて、ポリオレフィン系であっても径孔が大きすぎるフィルムを用いた場合、加湿量過多となることがある。そこでこうした径孔が大きすぎるフィルムを、孔の一部を塞いだり、孔径を狭めたりすることにより、最適な多孔質膜に変身させる技術について、次に説明する。
【００７１】
多孔質膜として孔径０．８０ミクロン、多孔度７２％、厚さ１２５ミクロンの親水性セルロースタイプメンブランフィルタ、例えばアドバンテック製Ｃ０８０Ａを使用する。付加型反応で重合する、熱硬化型シリコーン接着剤、例えば、東レダウコーニングシリコーン製のＣＹ５２−２２７を使用する。これらを用いて次の手順で作業を行なう。
【００７２】
▲１▼シリコーン接着剤を有機溶剤（キシレンまたはトルエン）で希釈する。シリコーン接着剤と有機溶剤の重量比は、１：１００〜２：１００程度とする。この際、全量のシリコーン接着剤に、少量ずつ徐々に有機溶剤を加えながら攪拌し、希釈する。ここで、順序を逆にして、全量の有機溶剤の中に、少量ずつ徐々にシリコーン接着剤を加えながら攪拌すると、うまく希釈できないので注意する。
▲２▼有機溶剤で希釈されたシリコーン接着剤溶液を、室温で、真空脱泡して、溶液中の気泡を取り除く。
▲３▼多孔質膜を加圧ろ過用ホルダにセットし、このシリコーン接着剤溶液を加圧ろ過することにより、溶媒のみは多孔質膜を通過し、シリコーン接着剤の一部が多孔質膜表面及び内部に残留する。
▲４▼この状態の多孔質膜を室温で３０分ほど自然乾燥させた後、６０〜８０［℃］で３０分加熱乾燥させて、多孔質膜表面及び内部に残留していた有機溶剤を完全に気化させる。
▲５▼次に１２０［℃］で１時間加熱して、多孔質膜の表面及び内部に残留していたシリコーン接着剤を硬化させる。
【００７３】
このようにして処理した多孔質膜は、処理前に比べ、表面及び内部の孔の一部がシリコーン接着剤によって塞がれるとともに、大部分の孔の径がシリコーン接着剤によって狭めらる。従って、処理後の多孔質膜の加湿量は、処理前に比べて大幅に小さくなる。
【００７４】
このように処理することにより、加湿量が多すぎて、うまく加湿出来ない多孔質膜も第１実施例ないし第４実施例の多孔質膜として使用できるようになるのである。
【００７５】
なお処理後の加湿量は、シリコーン接着剤と有機溶剤の比率、つまり、希釈率と、多孔質膜を加圧ろ過用ホルダにセットし、シリコーン接着剤溶液を加圧ろ過するする際の、多孔質膜の面積と、シリコーン接着剤溶液の体積の比率、つまり、単位面積当りのろ過量により、決めることが出来るので、使用する多孔質膜の処理前の加湿量と、所望の加湿量の値から適当に決めることが出来る。
【００７６】
本発明の燃料電池の加湿制御装置を適用した第５実施例としての燃料電池システムについて、次に説明する。図８は、その燃料電池システムの概略構成図である。同図に示すように、燃料電池システムは、第１実施例と同じ燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１における水素ガス加湿器１１０による水素ガスの加湿量を制御する制御系１１００とを備える。
【００７７】
制御系１１００は、発電ユニット１００の温度を検出する熱電対からなる温度センサ１１０５と、加湿ユニット２００の水素ガス流路１１３ｐへ供給する水素ガスの圧力を検出する第１の圧力センサ１１１０と、水流路１１５ｐへ供給する水の圧力を検出する第２の圧力センサ１１２０とを備えている。制御系１１００は、さらに、これらセンサ１１０５，１１１０，１１２０と接続される電子制御ユニット１２００を備える。
【００７８】
電子制御ユニット１２００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算等を実行するＣＰＵ１２１０、ＣＰＵ１２１０で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ１２２０、同じくＣＰＵ１２１０で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ１２３０、第１の圧力センサ１１１０および第２の圧力センサ１１２０からの検出信号を入力する入力インターフェース１２４０、ＣＰＵ１２１０での演算結果に応じて電動機５００ａに制御信号を出力する出力インターフェース１２５０を備えている。
【００７９】
こうした構成の電子制御ユニット１２００によって、温度センサ１１０５，第１の圧力センサ１１１０および第２の圧力センサ１１２０からの出力信号に応じて電動機５００ａが制御されて、水素ガス加湿器１１０による加湿量が調整される。
【００８０】
この加湿量は多孔質膜１１１を境とした圧力差△Ｐを調整することにより制御される。以下、この圧力差△Ｐを制御する圧力差制御ルーチンについて、図９のフローチャートに沿って詳しく説明する。この圧力差制御ルーチンは、ＲＯＭ１２２０にプログラムの形で記憶されており、発電ユニット１００の運転開始後、所定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行される。
【００８１】
本ルーチンが実行開始されると、まずＣＰＵ１２１０は、温度センサ１１０５により検出される発電ユニット１００の温度Ｔと、第１の圧力センサ１１１０により検出される水素ガス圧Ｐｈと、第２の圧力センサ１１２０により検出される水圧Ｐｗとを入力インターフェース１２４０を介して読み込む（ステップＳ１００）。次に、その読み込んだ温度Ｔに基づいて燃料電池スタック１の発電ユニット１００が必要とする必要水蒸気量Ｈを算出する（ステップＳ１１０）。
【００８２】
この必要水蒸気量Ｈの算出は、予めＲＯＭ１２２０に格納しておいた温度Ｔと必要水蒸気量Ｈとの相関を示すマップＡを用いて行なう。マップＡの一例を図１０に示した。図１０に示すように、このマップＡは、温度Ｔの上昇につれて加湿量Ｈが大きくなるように設定されている。ステップＳ１１０では、ステップＳ１００で読み込んだ温度ＴをマップＡに照らし合わせて必要水蒸気量Ｈを求める。
【００８３】
続いて、その求めた必要水蒸気量Ｈに基づいて水圧と水素ガス圧との設定差圧△Ｐｓｅｔを定める（ステップＳ１２０）。必要水蒸気量Ｈと設定差圧△Ｐｓｅｔとは、互いの対数ｌｏｇＨ，ｌｏｇ△Ｐｓｅｔが図１１に示すようにリニアに変化する相関をもち、計算により必要水蒸気量Ｈから設定差圧△Ｐｓｅｔが求められる。
【００８４】
続いて、ＣＰＵ１２１０は、ステップＳ１００で読み込んだ水圧Ｐｗから水素ガス圧Ｐｈを減じて差圧△Ｐを求める（ステップＳ１３０）。その後、この差圧△Ｐと設定差圧△Ｐｓｅｔとの差の絶対値を求め、この絶対値と閾値Ｐｒｅｆとを比較する（ステップＳ１３０）。ここで、閾値Ｐｒｅｆは、差圧△Ｐが設定差圧△Ｐｓｅｔから許容される圧力差の最大値である。この閾値Ｐｒｅｆは、ポンプ５００の回転数を制御できる最小値等により定められる。
【００８５】
差圧△Ｐと設定差圧△Ｐｓｅｔとの差の絶対値が閾値Ｐｒｅｆ以下のときには、適正な加湿量を得るのに適切な圧力差の範囲内であると判断して本ルーチンを終了する。閾値Ｐｒｅｆより大きいときには、差圧△Ｐと設定差圧△Ｐｓｅｔとの差に制御ゲインＫを乗じて回転数増減量△Ｆを求め（ステップＳ１５０）、ＣＰＵ１２１０から出力インターフェース１２５０を介して電動機５００ａに制御信号を出力して、ポンプ５００の回転数を回転数増減量△Ｆだけ増減させる（ステップＳ１６０）。こうして水圧Ｐｗと水素ガス圧Ｐｈとの差圧△Ｐを設定差圧△Ｐｓｅｔに制御して、適正な加湿量とする。
【００８６】
以上説明した第５実施例の加湿制御装置によれば、温度センサ１１０５により検出された発電ユニット１００の温度Ｔに基づいて必要水蒸気量Ｈを算出し、この必要水蒸気量Ｈに応じて、多孔質膜１１１に作用する圧力差△Ｐを理想的な圧力差に制御する。このため、この加湿制御装置では、多孔質膜１１１を透過する水量を発電ユニット１００の温度Ｔに応じて理想的に定めることができる。即ち、燃料電池の温度が高いほど、水素ガス中の飽和水蒸気量は多くなるので、多孔質膜１１１にかかる圧力差△Ｐを大きくして水素ガスの加湿量を増大させることができる。従って、発電ユニット１００へ供給する水素ガスの加湿を適正に行なうことができる。
【００８７】
本発明の第６実施例について次に説明する。この第６実施例は、第５実施例と比較して、そのハードウェアは、温度センサ１１０５に替えて、発電ユニット１００のインピーダンスＺを検出するインピーダンスセンサを設けた点が相違しており、その他の構成は同じものである。一方、そのソフトウェアは、電子制御ユニット１２００で実行する圧力差制御ルーチンにおけるステップＳ１１０の処理の内容が相違する。
【００８８】
本実施例の圧力差制御ルーチンにおけるステップＳ１１０では、インピーダンスセンサで検出したインピーダンスＺに基づいて発電ユニット１００が必要とする必要水蒸気量Ｈを算出している。
【００８９】
この必要水蒸気量Ｈの算出は、予めＲＯＭ１２２０に格納しておいたインピーダンスＺと必要水蒸気量Ｈとの相関を示すマップＢを用いて行なう。マップＢの一例を図１２に示した。図１２に示すように、このマップＢは、インピーダンスＺの対数値ｌｏｇＺの上昇につれリニアに加湿量Ｈが大きくなるように設定されている。このステップでは、インピーダンスＺをマップＢに照らし合わせて必要水蒸気量Ｈを求める。この必要水蒸気量Ｈを求めるステップの処理を終えると、第５実施例と同様に、ステップＳ１３０以後の処理を実行する。
【００９０】
以上説明した第６実施例の加湿制御装置によれば、インピーダンスセンサにより検出された発電ユニット１００のインピーダンスＺに基づいて必要水蒸気量Ｈを算出し、この必要水蒸気量Ｈに応じて、多孔質膜１１１に作用する圧力差△Ｐを理想的な圧力差に制御する。このため、この加湿制御装置では、多孔質膜１１１を透過する水量を発電ユニット１００のインピーダンスＺに応じて理想的に定めることができる。即ち、インピーダンスが高いほど発電ユニット１００のセル１０が乾いた状態となるので、圧力差△Ｐを大きくして水素ガスの加湿量を増大させることができる。従って、発電ユニット１００へ供給する水素ガスの加湿を適正に行なうことができる。
【００９１】
本発明の第７実施例について次に説明する。この第７実施例は、第５実施例と比較して、そのハードウェアは、温度センサ１１０５に替えて、発電ユニット１００から排出される燃料ガスの流量を検出するガス流量センサを設けた点が相違しており、その他の構成は同じものである。一方、そのソフトウェアは、電子制御ユニット１２００で実行する圧力差制御ルーチンにおけるステップＳ１１０の処理の内容が相違する。
【００９２】
本実施例の圧力差制御ルーチンにおけるステップＳ１１０では、ガス流量センサで検出したガス流量Ｍに基づいて発電ユニット１００が必要とする必要水蒸気量Ｈを算出している。
【００９３】
この必要水蒸気量Ｈの算出は、予めＲＯＭ１２２０に格納しておいたガス流量Ｍと必要水蒸気量Ｈとの相関を示すマップＣを用いて行なう。マップＣの一例を図１３に示した。図１３に示すように、このマップＣは、ガス流量Ｍの上昇につれ湿量Ｈがリニアに大きくなるように設定されている。このステップでは、ガス流量ＭをマップＣに照らし合わせて必要水蒸気量Ｈを求める。この必要水蒸気量Ｈを求めるステップの処理を終えると、第５実施例と同様に、ステップＳ１３０以後の処理を実行する。
【００９４】
以上説明した第７実施例の加湿制御装置によれば、ガス流量センサにより検出された発電ユニット１００から排出されるガス流量Ｍに基づいて必要水蒸気量Ｈを算出し、この必要水蒸気量Ｈに応じて、多孔質膜１１１に作用する圧力差△Ｐを理想的な圧力差に制御する。このため、この加湿制御装置では、多孔質膜１１１を透過する水量を発電ユニット１００のガス流量Ｍに応じて理想的に定めることができる。即ち、ガス流量が高いほど発電ユニット１００で必要となる加湿水量は多くなるので、圧力差△Ｐを大きくして水素ガスの加湿量を増大させることができる。従って、発電ユニット１００へ供給する水素ガスの加湿を適正に行なうことができる。
【００９５】
本発明の第８実施例について、次に説明する。この第８実施例は、第５実施例と比較して、そのハードウェアは、温度センサ１１０５に替えて、発電ユニット１００の負荷電流を検出する電流センサを設けた点が相違しており、その他の構成は同じものである。一方、そのソフトウェアは、電子制御ユニット１２００で実行する圧力差制御ルーチンにおけるステップＳ１１０の処理の内容が相違する。
【００９６】
本実施例の圧力差制御ルーチンにおけるステップＳ１１０では、電流センサで検出した負荷電流Ｉに基づいて発電ユニット１００が必要とする必要水蒸気量Ｈを算出している。
【００９７】
この必要水蒸気量Ｈの算出は、予めＲＯＭ１２２０に格納しておいた負荷電流Ｉと必要水蒸気量Ｈとの相関を示すマップＤを用いて行なう。マップＤの一例を図１４に示した。図１４に示すように、このマップＤは、負荷電流Ｉの上昇につれ湿量Ｈがリニアに大きくなるように設定されている。このステップでは、負荷電流ＩをマップＣに照らし合わせて必要水蒸気量Ｈを求める。この必要水蒸気量Ｈを求めるステップの処理を終えると、第５実施例と同様に、ステップＳ１３０以後の処理を実行する。
【００９８】
以上説明した第８実施例の加湿制御装置によれば、電流センサにより検出された発電ユニット１００の負荷電流Ｉに基づいて必要水蒸気量Ｈを算出し、この必要水蒸気量Ｈに応じて、多孔質膜１１１に作用する圧力差△Ｐを理想的な圧力差に制御する。このため、この加湿制御装置では、多孔質膜１１１を透過する水量を発電ユニット１００の負荷電流Ｉに応じて理想的に定めることができる。即ち、負荷電流に応じて燃料電池からのガス流量は決定されることから、ガス流量Ｍと同様、負荷電流Ｉが高いほど発電ユニット１００で必要となる加湿水量は多くなるので、圧力差△Ｐを大きくして水素ガスの加湿量を増大させることができる。従って、発電ユニット１００へ供給する水素ガスの加湿を適正に行なうことができる。
【００９９】
前記第５ないし第８実施例では、必要水蒸気量Ｈの算出を、燃料電池の温度、インピーダンス、負荷電流、または燃料電池から排出される水素ガスガスの流量に基づいて行なっていたが、これに替えて、必要水蒸気量Ｈを常に一定の値としてもよい。燃料電池が定常状態で駆動している場合、必要な水蒸気量Ｈは比較的安定した量となることから、その燃料電池固有に定めた一定の値を必要水蒸気量Ｈと定めても、比較的精度高く加湿量を制御することができる。
【０１００】
また、前記第５ないし第８実施例では、必要水蒸気量Ｈの算出を、燃料電池の温度、インピーダンス、負荷電流およびガス流量の内のいずれか一つに基づいて行なっていたが、これらの内の２つ以上のパラメータを用いて必要水蒸気量Ｈの算出を行なうように構成してもよい。
【０１０１】
据置用途のりん酸型燃料電池や、溶融炭酸塩型燃料電池や、固体電解質型燃料電池では、出力一定状態で連続的に運転することが前提になっているが、固体高分子型燃料電池を電気自動車に適用する場合には、電気自動車は当然のことながら、走行、停止、加速、制動を繰り返すことになり、固体高分子型燃料電池の運転状態もそれに応じて複雑に変化する。こうしたことから、固体高分子型燃料電池を電気自動車に適用する場合には、より精度の高い制御を行なう必要がある。このため、２つ以上のパラメータを用いて必要水蒸気量Ｈの算出を行なうことにより、より精度が高く、安定で、高効率で当該固体高分子型燃料電池を運転することが可能になる。
【０１０２】
２つ以上のパラメータを用いて必要水蒸気量Ｈの算出をどのように行なうかを、第９実施例として詳細に説明する。ここでは、パラメータとして、インピーダンスＺと負荷電流Ｉとを用いた場合を例にあげて説明する。
【０１０３】
パラメータとしてインピーダンスＺを用いた第６実施例では、負荷電流Ｉ＝大→△Ｐ＝大、負荷電流Ｉ＝小→△Ｐ＝小、なる論理で制御している。一方、パラメータとして負荷電流Ｉを用いた第８実施例では、インピーダンスＺ＝大→△Ｐ＝大、インピーダンスＺ＝小→△Ｐ＝小、なる論理で制御している。
【０１０４】
ところが、燃料電池スタックにおいて、必ずしも負荷電流Ｉ＝大の時にインピーダンスＺ＝大になるわけもなく、負荷電流Ｉ＝小の時にインピーダンスＺ＝小になるわけもない。これは、先にも述べたように、電気自動車用途に固体高分子型燃料電池を適用するとその運転条件は刻々と変化するからである。
【０１０５】
そこで、前記第６実施例の論理と第８実施例の論理とを組み合わせることにより、
負荷電流Ｉ＝大で、かつインピーダンスＺ＝大→△Ｐ＝大、
負荷電流Ｉ＝小で、かつインピーダンスＺ＝小→△Ｐ＝小、
とするが、
負荷電流Ｉ＝大で、インピーダンスＺ＝小
負荷電流Ｉ＝小で、インピーダンスＺ＝大
では、△Ｐは変化させず、しばらく様子を見るような制御をさせるのである。
【０１０６】
これは、例えば、負荷電流Ｉ＝大で、インピーダンスＺ＝小の時には、負荷電流Ｉは大きくなるから加湿量を増やさなくてはならないが、既にインピーダンスＺが低く、濡れすぎの傾向があるから、このまま加湿量を増やすと、完全に濡れすぎになり、当該燃料電池が失速してしまう可能性があるからである。しばらく様子を見る中で、インピーダンスＺがしだいに回復して、負荷電流Ｉ＝大で、かつインピーダンスＺ＝大の状態になれば、その時点で、△Ｐ＝大の制御をすればよい。
【０１０７】
また、負荷電流Ｉ＝小で、インピーダンスＺ＝大の時には、負荷電流Ｉは小さくなるから加湿量を減らさなくてはならないが、既にインピーダンスＺが大きく、乾きすぎの傾向があるから、このまま加湿量を減らすと、完全に乾きすぎになり、当該固体高分子型燃料電池が失速してしまう可能性があるからである。しばらく様子を見る中で、インピーダンスＺがしだいに回復して、負荷電流Ｉ＝小で、かつインピーダンスＺ＝小の状態になれば、その時点で、△Ｐ＝小の制御をすればよい。
【０１０８】
したがって、こうした論理に従って、インピーダンスＺおよび負荷電流Ｉから必要水蒸気量Ｈを算出すればよい。具体的には、
負荷電流Ｉ＝大で、かつインピーダンスＺ＝大→Ｈ＝大、
負荷電流Ｉ＝小で、かつインピーダンスＺ＝小→Ｈ＝小、
負荷電流Ｉ＝大で、かつインピーダンスＺ＝小→Ｈ＝変化させず
負荷電流Ｉ＝小で、かつインピーダンスＺ＝大→Ｈ＝変化させず
の関係を示す、インピーダンスＺ、負荷電流Ｉおよび必要水蒸気量Ｈを３軸とする３次元のマップを用いて算出する。
【０１０９】
こうした構成の第９実施例によれば、より的確に水素ガスの加湿を行なうことができ、延いては精度の高い固体高分子型燃料電池の制御が可能となる。
【０１１０】
前記第５実施例ないし第９実施例では、アノード側ガス系統、即ち、水素ガス系統のみに着目して説明をしたが、ポンプ５００の回転数を増減することで酸素含有ガス加湿器１２０側の水圧Ｐｗも同時に調整されることから、カソード側ガス系統、即ち酸素含有ガス系統についても、水素ガス系統同様、適正な加湿量とすることができる。
【０１１１】
また、前記第５実施例ないし第９実施例では、水圧Ｐｗと水素ガス圧Ｐｈとの差圧△Ｐをポンプ５００の回転数を変えることにより調整したが、ブロワ５５０の加圧量を変えることにより水素ガス圧Ｐｈを調整する構成としてもよい。また、ポンプ５００の回転数およびブロワ５５０の加圧量の双方を変えることにより調整する構成も好適である。さらに、前述した実施例では酸素含有ガスの加湿量は、水素ガスの加湿量の調整に伴って調整される構成としたが、ブロワ５９０の加圧量を調整することにより水素ガスの加湿量とは独立に調整する構成も好適である。
【０１１２】
本発明の第１０実施例について次に説明する。固体高分子型燃料電池が大型化すると、加湿ユニット２００も、１枚のプレートでは必要な加湿量を加湿できないので、複数枚の加湿プレートを並列に接続して、加湿量を確保する必要がある。一般には固体高分子型燃料電池スタックのセル枚数の５枚から１０枚に対して、加湿ユニットのプレートが１枚必要になるので、出力が数ｋＷ〜数十ｋＷに達する大型の固体高分子型燃料電池スタックでは、セル枚数は数百枚の規模になり、従って、加湿プレートの枚数も数十枚に達することになる。
【０１１３】
このような大規模な加湿システムにおいては、全ての加湿プレートに対して、同時に加湿量を制御しようとすると、大きな容量の水加圧ポンプを制御しなければならない。特に、固体高分子型燃料電池と２次電池（例えば鉛電池）を組み合わせたシステム（固体高分子型燃料電池ハイブリッドシステムとも呼ばれる）では、大きな負荷の変動や、短期的な負荷の変動は２次電池によって吸収させることができるので、燃料電池自体は比較的一定の運転条件で運転することが出来る。そこで、こうした用途のために、図１５に示すように、この加湿システム２０００では、システム全体としては大型の水加圧ポンプ２０１０で水を供給しつつ、一部の加湿ユニット２１００には、小型の水加圧ポンプ２０２０を使い、固体高分子型燃料電池（発電ユニット１００）の負荷変動にともなう加湿量の変動をこの小型の水加圧ポンプ２０２０で起動的に対応しようとするものである。
【０１１４】
この第１０実施例によれば、加圧の応答性が上がり、水加圧ポンプ全体の消費電力も少なくすることが出来る。なお、図１５ではシステムの構成を分かりやすく説明するために、加湿ユニット２１００，２２００，２３００が独立しているように書いたが、加湿ユニット２１００〜２３００は一体になって、互いに熱的に結合していることが望ましい。従って、第１実施例と同様に、発電ユニット１００で用いた冷却水を加湿ユニット２１００〜２３００にも流して、発電ユニット１００で発生した熱を加湿部に伝えるようにするのが望ましい。
【０１１５】
本発明の第１１実施例について次に説明する。自動車の搭載した固体高分子型燃料電池においては、停止時に固体高分子型燃料電池の温度Ｔを速やかに下げる必要がある。そこで、この第１１実施例では、これまで説明してきた加湿ユニット２００を用いて燃料電池の温度Ｔを低下させる構成について示す。
【０１１６】
この第１１実施例の加湿制御装置は、第５実施例としての燃料電池システムと同じハードウェアおよびソフトウェアの構成を備える。さらに、この実施例の加湿制御装置は、電子制御ユニット１２００で実行される制御処理として、図１６で示す停止制御ルーチンも実行する。以下、この停止制御ルーチンについて詳しく説明する。この停止制御ルーチンは、ＲＯＭ１２２０にプログラムの形で記憶されており、発電ユニット１００の運転開始後、所定時間毎（例えば５０ｍｓｅｃ毎）に実行される。
【０１１７】
この停止制御ルーチンが実行されると、まずＣＰＵ１２１０は、発電ユニット１００の停止時か否かを判定する（ステップＳ２００）。この判定は、例えば、負荷側から負荷の停止を指示する指令を受けたか否かから判定する。ここで、発電ユニット１００の停止時であると判定されると、固体高分子型燃料電池（発電ユニット１００）の停止を行なう（ステップＳ２１０）。この固体高分子型燃料電池の停止を行なう処理は、発電ユニット１００を一般的な手法で冷却する処理も含まれており、さらには、材料ガス（水素ガスおよび酸素含有ガス）の圧力を降圧される処理も含まれている。
【０１１８】
続いて、水通路５１０に設けられたポンプ５００の電動機５００ａに制御信号を出力して、ポンプ５００の加圧力を現在の状態で保持する（ステップＳ２２０）。ステップＳ２１０で水素ガス圧Ｐｈ（および酸素含有ガス圧）が降圧したにも拘らず、ステップＳ２２０により水圧Ｐｗは一定圧となることから、結果として、多孔質膜１１１に作用する圧力差ΔＰは所定圧以上の大きな圧力差となり、多孔質膜１１１を通過して、水流路１１５ｐからガス流路１１３ｐに流れ込む加湿水の量が増大される。この結果、発電ユニット１００の内部に大量の水分が供給されて、この水分の気化熱により、発電ユニット１００をさらに一層冷却する。
【０１１９】
ステップＳ２２０の実行後、所定時間経過したか否かを判定し（ステップＳ２３０）、その時間経過するまで、ステップＳ２２０の処理を繰り返して、発電ユニット１００の冷却を継続する。所定時間が経過すると、この停止制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１２０】
以上詳述したように、この第１１実施例によれば、発電ユニット１００の停止時に、水素ガス加湿器１１０および酸素含有ガス加湿器１２０を用いて、水素ガスおよび酸素含有ガスに供給する加湿量を積極的に増大させる。このため、その増大した水分の気化熱により、発電ユニット１００を早急に冷却することができる。
【０１２１】
なお、この実施例において、水圧Ｐｗを積極的に昇圧させて圧力差ΔＰを所定圧以上の大きな圧力差とすることにより、加湿量を増大させる構成としてもよい。また、この実施例では、アノードガス系統およびカソードガス系統の双方を加湿の対象としていたが、カソードガス系統またはカソードガス系統のどちらか一方を加湿の対象としても構わない。
【０１２２】
なお、前記第１１実施例は、発電ユニット１００の通常の停止時における処理について述べていたが、緊急停止時においては次に示す処理を行なう。
【０１２３】
ここで言う緊急時というのは、固体高分子型燃料電池の温度が異常上昇した時（冷却系統が機能せず熱暴走の恐れが生じた時）を言う。固体高分子型燃料電池が熱暴走したときには、ガス系統と電気系統（負荷への電気系統）を直ちに遮断する必要があるが、これらを直ちに遮断したとしても、固体高分子型燃料電池スタック自体の熱容量のために、スタックの温度（電池温度）を直ちに下げることが難しい。
【０１２４】
この緊急時の対応の仕方は、固体高分子型燃料電池の緊急停止時のガス系統の制御方法により異なってくる。緊急停止時にガス系統のバルブを閉鎖し、緊急停止が作動した状態で、いわばガスを閉じこめてしまうような制御をする場合については、水圧Ｐｗを昇圧させて、圧力差ΔＰを大きくし、多孔質膜１１１を通過して、水流路１１５ｐからガス流路１１３ｐに流れ込む加湿水の量を増大させる。
【０１２５】
一方、緊急停止時にガス系統の安全弁からガスを開放し（排気系統へ排気する）、ガスを放出して大気圧にするような制御をする場合には、固体高分子型燃料電池の緊急停止とともに、ガスの圧力は降圧されるが、この時に、加湿水の水ポンプの加圧圧力を降圧させずに保持するのである（第１１実施例の方法）。
【０１２６】
こうして発電ユニット１００の緊急停止時においても、発電ユニット１００のより早い冷却が可能となる。
【０１２７】
さらに他の実施例について説明する。
前述した第５ないし第１１実施例では、水素ガス加湿器１１０および酸素含有ガス加湿器１２０により発電ユニット１００に供給する材料ガスの加湿を調整していたが、これに換えて、水素ガス加湿器１１０（および酸素含有ガス加湿器１２０）を迂回するバイパス流路を設け、このバイパス流路を通過する乾燥ガスと水素ガス加湿器１１０からの加湿ガスとの混合比率を調整することにより、材料ガスの加湿を制御する構成としてもよい。
【０１２８】
燃料電池の加湿装置についての他の実施例を以下説明する。メンブランフィルタ（ろ過膜）を用いた従来の加湿装置では、加湿量が多すぎるために、固体高分子型の燃料電池スタックに必要な加湿量を供給するための加湿面積（ガス、水両方の流路に接する面積）は少なくてよい。しかしながら、このような少ない面積では、水流路側からガス流路側に通過してきた、液体の水を気体の水にしようとしても、少ない面積に比較的多量の液体の水が存在しているために、例え、燃料電池スタックの発熱が熱伝達されていたとしても容易に気化することはできない。この状態で、ガス流路にガスが流れていると、液体の水はガスに吹き飛ばされて飛散し、燃料電池スタックのガス入口に、求められる水蒸気の状態ではなく、水滴の状態で供給されてしまう。
【０１２９】
以下に説明する実施例の加湿装置は、少ない加湿面積において、比較的多量の水が存在している状況下でも、この水を水蒸気の状態に気化させるための構成である。図１７は、そうした燃料電池の加湿装置としての第１２実施例のガス加湿器の一部分の構造を示す構造図である。なお、図１７の（イ）は、（ロ）のＡ−Ａ線断面図である。図１７の（ロ）は、（イ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【０１３０】
図１７に示すように、ガス加湿器３０００は、複数（図では一つだけ表示）の多孔質膜３１００とその多孔質膜３１００を側面から保持するプレート３１１０とから、前記第１実施例の多孔質膜１１１に相当する中心層を形成し、その中心層を第１実施例と同じセパレータ３１１３，３１１５で挟持することでガス流路３１１３ｐ，３１１５ｐを形成する。さらに、その中心層とガス流路３１１３ｐ側のセパレータ３１１３との間に、この多孔質膜３１００（以下、第１多孔質膜と呼ぶ）よりもさらに多孔質な第２多孔質膜３２００を設ける。
【０１３１】
第１多孔質膜３１００としては、孔径１ミクロン、多孔度８３％、厚さ３５ミクロンの親水性フッ素系精密ろ過膜を使用する。第２多孔質膜３２００としては、孔径５５ミクロン、多孔度５５％、厚さ２ミリの多孔質カーボン板を使用する。プレート３１１０としては熱伝導性が優れた緻密質カーボン板を使用する。
【０１３２】
こうして構成されたガス加湿器３０００では、第１多孔質膜３１００を水流路３１１５ｐ側からガス流路３１１３ｐ側に通過した水（加湿水）は第１多孔質膜３１００と第２多孔質膜３２００の界面に析出する。その界面に析出した水は、第２多孔質膜３２００の中に浸透して第２多孔質膜３２００全体に広がりながら、第２多孔質膜３２００のガス流路側表面からガスの中に気化していく。第２多孔質膜３２００は第１多孔質膜３１００に比べ、面積が大きいから、気化にともなって局部的に熱が奪われることがなく、第２多孔質膜３２００のガス流路側表面からガスの中に気化させることができる。
【０１３３】
したがって、第１多孔質膜３１００として、孔径１ミクロン、多孔度８３％、厚さ３５ミクロンの親水性弗素系精密ろ過膜を使用する場合、第２多孔質膜３２００と組み合わせることで、水を良好な水蒸気の状態に気化させることができる。このため、水素ガスの供給先である燃料電池のアノードの濡れすぎを防いで、燃料電池の出力が低下するのを防止することができる。
【０１３４】
なお、この第２多孔質膜３２００は、その中心層のセパレータ３１１５側の全表面に設けられているが、これに換えて、各第１多孔質膜３１００からガス流路３１１３ｐの下流側に向かって一定の範囲に限って設けられた構成としてもよい。この構成によっても、第２多孔質膜３２００は第１多孔質膜３１００に比べ、面積が大きいから、気化にともなって局部的に熱が奪われることがなく、第２多孔質膜３２００のガス流路側表面からの気化を促進させることができる。
【０１３５】
第１３実施例について次に説明する。図１８は、第１３実施例のガス加湿器の一部分の構造を示す説明図である。なお、図１８の（イ）は、（ロ）のＣ−Ｃ線断面図である。図１８の（ロ）は、（イ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【０１３６】
図１８に示すように、この第１３実施例のガス加湿器４０００は、第１２実施例のガス加湿器３０００と比較して、第２多孔質膜３２００の構成が相違し、その他の構成については同一である（同一の部分には第１２実施例と同じ番号を付けた）。即ち、第１２実施例のガス加湿器３０００では、第２多孔質膜３２００の上にガス流路があるのに対して、この実施例のガス加湿器４００では、ガス流路３１１３ｐそのものが第２多孔質膜４２００になっている。
【０１３７】
なお、第２多孔質膜４２００は、ガス流路３１１３ｐの全域に渡って充填されているではなく、各第１多孔質膜３１００からガス流路３１１３ｐの下流側に向かって一定の範囲に限って充填されている。この第２多孔質膜４２００は、ガス流路３１１３ｐ側に設けられた多孔質膜３１１１よりもさらに多孔質なもので、前述した第１２実施例の第２多孔質膜３２００と比べてもさらに多孔質なものとなっている。具体的には、第２多孔質膜４２００としては、孔径１．５ミリ、多孔度９５％の発泡ニッケル板を使用する。
【０１３８】
こうして構成されたガス加湿器４０００では、第１多孔質膜３１００のガス流路側に析出した水（加湿水）は、ガスにより吹き飛ばされて、第２多孔質膜４２００の中に付着する。第２多孔質膜４２００は水が析出した地点を含めて、ガスの流れの下流側に設置されているので、水は第２多孔質膜４２００全体に広がりながら、第２多孔質膜４２００の中を不規則に流れる（乱流）ガスの中に気化していく。第２多孔質膜４２００は第１多孔質膜３１００に比べ、面積も大きいから、気化にともなって局部的に熱が奪われることがなく、第２多孔質膜４２００の内部で、ガスの中に気化させることができる。
【０１３９】
したがって、この第１３実施例のガス加湿器４０００では、前記第１２実施例と同様に、水を良好な水蒸気の状態に気化させることができ、水素ガスの供給先である燃料電池のアノードの濡れすぎを防いで、燃料電池の出力が低下するのを防止することができる。
【０１４０】
なお、前記第１３実施例のガス加湿器４０００において、図１９に示すように、ガス流路３１１３ｐを形成するセパレータ３１１３の内部に加熱用の電気ヒータ４５００を内蔵する構成としてもよい。図１９において、（イ）は（ロ）のＥ−Ｅ線断面図であり、（ロ）は（イ）のＦ−Ｆ線断面図である。この構成により、水流路３１１５ｐ側からガス流路３１１３ｐ側に第１多孔質膜３１００を通過してきた水の気化を、電気ヒータの発熱により助けることができる。このため、水をより一層良好な水蒸気の状態に気化させることができる。なお、この気化の促進の結果、第１３実施例の構成に比べて、第２多孔質膜４２００の体積を小さくすることができ、これにより加湿器をより一層小型化できるという副次的な効果を奏する。
【０１４１】
さらに、この電気ヒータ４５００を用いた構成では、第２多孔質膜４２００より下流側の水滴状態を検出し、その検出結果に応じて電気ヒータ４５００のオン／オフを制御する構成としてもよい。この構成により、より一層的確な加湿を行なうことができる。
【０１４２】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【０１４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の燃料電池の加湿装置では、多孔質膜が親水性を有するものであることから、多孔質膜を透過してきた水を容易に気化して、水を水滴の状態でなく良好な水蒸気の状態で材料ガス中に含ませることができる。このため、材料ガスの供給先である燃料電池の電極が濡れ過ぎの状態となり、燃料電池の出力が低下するのを防止することができる。
【０１４４】
また、シリコーンにて孔径を狭めた構成とすれば、多孔質膜から透過する水の量を少なく調整することができることから、加湿量が多すぎてそのままでは使用できないような多孔質膜であっても使用できる。
【０１４５】
多孔質膜を屈曲させて立体的に配置した構成とすれば、少ない容積の加湿装置でより大きな加湿量を実現することができ、装置のコンパクト化を図ることができる。
【０１４６】
以上説明した本発明の燃料電池の加湿制御装置によれば、多孔質膜を透過する水量を燃料電池の運転状態に応じて理想的に定めることができる。このため、燃料電池へ供給する材料ガスの加湿を適正に行なうことができる。
【０１４７】
燃料電池の運転状態を、燃料電池の温度とした構成、燃料電池のインピーダンスとした構成、燃料電池から排出される材料ガスの流量とした構成、燃料電池の負荷電流とした構成によれば、これらのパラメータに応じて、燃料電池へ供給する材料ガスの加湿を適正に行なうことができる。
【０１４８】
請求項１０記載の加湿制御装置によれば、燃料電池の停止時において、多孔質膜に接する水と材料ガスとの圧力差が大きな圧力差となり、多孔質膜を通過して、水の流路から材料ガスの流路に流れ込む水の量が増大される。この結果、燃料電池の内部に大量の水分が供給されて、この水分の気化熱により、燃料電池を冷却することができる。即ち、燃料電池の停止時において、この加湿制御装置を利用して、燃料電池を早急に冷却することができる。
【０１４９】
本発明の加湿装置の製造方法では、シリコーン接着剤の一部を多孔質膜表面及び内部に残留させることができる。このため、多孔質膜は、シリコーンにて孔径が狭められた孔を多数有するものとなり、この結果、多孔質膜から透過する水の量を少なく調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の加湿装置を適用した第１実施例としての燃料電池スタックの概略構成図である。
【図２】燃料電池のセルの構造図である。
【図３】水素ガス加湿器１１０の構造図である。
【図４】多孔質膜１１１における圧力差△Ｐと加湿量との相関を示すグラフである。
【図５】第２実施例の燃料電池の加湿器６００の構造図である。
【図６】第３実施例の燃料電池の加湿器７００の構造図である。
【図７】第４実施例の燃料電池の加湿器８００の構造図である。
【図８】本発明の燃料電池の加湿制御装置を適用した第５実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】その燃料電池システムの電子制御ユニット１２００により実行される圧力差制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】燃料電池の温度Ｔと必要水蒸気量Ｈとの相関を示すグラフである。
【図１１】必要水蒸気量Ｈと設定差圧△Ｐｓｅｔとの相関を示すグラフである。
【図１２】第６実施例で用いたインピーダンスＺと必要水蒸気量Ｈとの相関を示すグラフである。
【図１３】第７実施例で用いたガス流量Ｍと必要水蒸気量Ｈとの相関を示すグラフである。
【図１４】第８実施例で用いた負荷電流Ｉと必要水蒸気量Ｈとの相関を示すグラフである。
【図１５】第１０実施例としての燃料電池の加湿システムを示す概略構成図である。
【図１６】第１１実施例における電子制御ユニットで実行される停止制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１７】第１２実施例のガス加湿器３０００の一部分の構造を示す構造図である。
【図１８】第１３実施例のガス加湿器４０００の一部分の構造を示す構造図である。
【図１９】第１３実施例の変形例の構造図である。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
１０…セル
１１…電解質膜
１２…カソード
１３…アノード
１４…セパレータ
１４ｐ…酸素ガス流路
１５…セパレータ
１５ｐ…水素ガス流路
２０，３０…冷却水流路
２０…冷却水流路
４０，５０…集電板
６０，７０…絶縁板
１００…発電ユニット
１１０…水素ガス加湿器
１１１…多孔質膜
１１３…セパレータ
１１３ｐ…ガス流路
１１３ｐ…水素ガス流路
１１５…セパレータ
１１５ｐ…水流路
１１６，１１７…Ｏリング
１１８，１１９…シール部材
１２０…酸素含有ガス加湿器
１２１…多孔質膜
１２３，１２５…セパレータ
１２３ｐ…酸素ガス流路
１２５ｐ…水流路
２００…加湿ユニット
３００…エンドプレート
３１０…エンドプレート
３１２，３１４…ボルト
３２０…第３のエンドプレート
３２２，３２４…ボルト
４００…ガス加湿器
５００…ポンプ
５００ａ…電動機
５１０…水通路
５２０…水通路
５３０…水通路
５４０…水素ガス通路
５５０…ブロワ
５６０…水素ガス通路
５７０…水素ガス通路
５８０…酸素ガス通路
５９０…ブロワ
５９２…酸素ガス通路
５９４…酸素ガス通路
６００…加湿器
６０２…多孔質膜
６０４，６０６…セパレータ
６０８，６１０…シート
６１２〜６１５…シール部材
７００…加湿器
７０２…多孔質膜
８００…加湿器
８０２…多孔質膜
８０４…水流路
８０６…フィルム
８０８，８１０…セパレータ
８０８ｐ，８１０ｐ…流路
１１００…制御系
１１０５…温度センサ
１１１０…第１の圧力センサ
１１２０…第２の圧力センサ
１２００…電子制御ユニット
１２１０…ＣＰＵ
１２２０…ＲＯＭ
１２３０…ＲＡＭ
１２４０…入力インターフェース
１２５０…出力インターフェース
２０００…加湿システム
２０１０…水加圧ポンプ
２０２０…水加圧ポンプ
２１００〜２３００…加湿ユニット
３０００…ガス加湿器
３０２０…プレート
３１００…第１多孔質膜
３１１０…プレート
３１１３…セパレータ
３１１３ｐ…ガス流路
３１１５…セパレータ
３１１５ｐ…水流路
３２００…第２多孔質膜
４０００…ガス加湿器
４２００…第２多孔質膜
４５００…電気ヒータ
Ｃ１…循環路
Ｃ２…循環路
Ｈ…必要水蒸気量
Ｉ…負荷電流
Ｍ…ガス流量
Ｐｈ…水素ガス圧
Ｐｗ…水圧
Ｔ…温度
Ｚ…インピーダンス
ΔＰ…圧力差
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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