(57)【要約】【課題】従来の燃料電池システムに用いる加湿システムでは、掃気後に燃料電池にガスを供給する際にはガスを加湿し供給する必要があるので、水分を確保するタンク等が必要となっていた。一方、タンクを設けた場合、タンクに蓄えられた水は、凍結する可能性があるので、解凍するための熱源(例えば、ヒータ)が必要となる。従って、氷点下起動時における燃料電池システムの起動に時間がかかる可能性があった。【解決手段】燃料電池(1)と、燃料電池を備える燃料電池システムと、燃料電池(1)に供給するガスと、燃料電池から排出されるガスとを中空糸膜(21)を介して加湿する加湿装置(20)と、燃料電池システムが有する水が凍結するか否かを判断する凍結判断手段が凍結すると判断した場合に、燃料電池システム内から加湿装置に規定量の純水を供給する供給配管(12)とを備えた。【選択図】図1
2006100070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を備える燃料電池システムと、
前記燃料電池に供給するガスと前記燃料電池から排出されるガスとを中空糸膜を介して加湿 する加湿装置と、
前記燃料電池システムが有する水が凍結するか否かを判断する凍結判断手段が凍結すると判断した場合に、前記燃料電池システム内から前記加湿装置に規定量の純水を供給する供給配管と、
を備えることを特徴とする加湿システム。
【請求項２】
前記凍結判断手段は、外気温と時刻で判断する
ことを特徴とする請求項1記載の加湿システム。
【請求項３】
前記燃料電池システムを補助電源を備える移動体に搭載し、
前記加湿装置には、前記補助電源により作動可能な解凍手段を備え、
前記凍結判断手段は、外気温と時刻と現在位置から凍結環境継続時間を推測し、前記凍結環境継続時間が設定時間以内なら解凍手段を作動させる
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の加湿システム、
【請求項４】
前記加湿装置の外套部に断熱材を設ける
ことを特徴とする請求項3記載の加湿システム。
【請求項５】
前記加湿装置の外装ケースと前記中空糸膜の間に純水を供給する
ことを特徴とする請求項3又は請求項4記載の加湿システム。
【請求項６】
前記燃料電池に供給するガスの前記加湿装置上流にガスを圧縮するコンプレッサを備える
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5何れか記載の加湿システム。
【請求項７】
前記加湿装置には、前記燃料電池を冷却する冷却系に設けられた純水タンクより供給する
ことを特徴とする請求項1記載乃至請求項6何れか記載の加湿システム。
【請求項８】
前記加湿装置には、前記燃料電池下流であって前記加湿装置下流に、前記加湿装置から排出 されたガスの水分を蓄える除湿タンクより供給する
ことを特徴とする請求項1記載乃至請求項6何れか記載の加湿システム。
【請求項９】
前記除湿タンクには、前記燃料電池で発生した生成水を導入する
ことを特徴とする請求項8記載の加湿システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムで用いる加湿システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池に用いる加湿システムは、水透過型の加湿装置を備え、加湿装置へ通じるガス流路を切り替える流路切替機構を設け、この流路切替機構は、スーパーチャージャーを出た乾燥エアを加湿装置内の排気ガス流路に流入させるべく、第1の三方弁、第2の三方弁、流路調整弁、掃気用配管とから構成していた。これにより、加湿装置内の排気ガス流路に乾燥エアガスを流し、凍結の原因となる水蒸気を掃気し得るようになり、凍結を未然に防止していた。(例えば、特許文献1参照。)
【特許文献１】特開2001-216987号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来の燃料電池システムに用いる加湿システムでは、掃気後に燃料電池にガスを供給する際にはガスを加湿し供給する必要があるので、水分を確保するタンク等が必要となっていた。一方、タンクを設けた場合、タンクに蓄えられた水は、凍結する可能性があるので、解凍するための熱源(例えば、ヒータ)が必要となる。従って、氷点下起動時における燃料電池システムの起動に時間がかかる可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の加湿システムにおいては、燃料電池と、燃料電池を備える燃料電池システムと、燃料電池に供給するガスと、燃料電池から排出されるガスとを中空糸膜21を介して加湿する加湿装置と、燃料電池システムが有する水が凍結するか否かを判断する凍結判断手段が凍結すると判断した場合に、燃料電池システム内から加湿装置に規定量の純水を供給する供給配管とを備えた。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の加湿システムでは、氷点下起動時においても、加湿装置内に供給し凍結した氷を解凍することで加湿して燃料電池に供給できるので、加湿源(例えば、タンク)の解凍を待たずして燃料電池システムの起動をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
(第一実施形態)
本実施形態について、図1から図3を参照しながら説明する。図1はシステム構成図を、図2は加湿装置20を、図3はシステムフローチャートを夫々示す。
【０００７】
まず、本実施形態の構成について、図1及び図2を用いて説明する。本実施形態は、空気系は、コンプレッサ31、加湿装置20、空気供給流路30、空気排出流路32で、水素系は、水素タンク、水素供給流路、水素排出流路で、夫々構成されている。また、冷却系は、純水タンク10、循環流路11で構成されている。なお、水素系は、図示を省略している。空気系においては、コンプレッサ31と加湿装置供給側入口23が、加湿装置供給側出口24と燃料電池1空気供給口が、夫々空気供給流路30で接続され、また燃料電池1空気排出口と加湿装置排出側入口25が夫々空気排出流路32により繋がれている。水素系においては、水素タンクと燃料電池1水素供給口が水素供給流路により繋がれ、燃料電池1水素排出口には水素排出流路が接続されている。冷却系においては、純水タンク10と燃料電池1が冷却水を介して熱交換を行えるように循環流路11により繋がれている。また、純水タンク10底部と加湿装置20上部とをコントローラ40により開閉可能なバルブ13を備える水供給流路で繋いでいる。なお、コントローラ40は、外気温及び加湿装置20内に設けられた水位センサからの情報によってバルブ13の開閉を制御する。
【０００８】
次に、本実施形態の作用について、図1から図3を用いて説明する。なお、図中に示す一点鎖線は純水回路を、点線はコントローラ40を、実線矢印は空気の流れを夫々示す。
【０００９】
外気を取り込みコンプレッサ31により圧縮された空気(供給ガス)は、加湿装置20を介して燃料電池1に供給される。また、同時に、高圧タンクに圧縮貯蔵された気体水素が燃料電池1に供給され、燃料電池1は酸素と水素の化学反応によって発電する。また、純水タンク10と燃料電池1との間で水のやり取りを行うことで、発電の際に発生する熱を取り除いている。一方、燃料電池1から排出された空気(オフガス)は、加湿装置20に送られ、外部に放出される。なお、このオフガスには燃料電池1の発電の際に発生する水(生成水)を含んでいる。
【００１０】
ここで、加湿装置20内における詳しい作用について、図2を用いて説明する。本実施形態では、中空糸膜21を用いたエアドライアを用いる。しかしながら、双方の水蒸気分圧差を主たるドライビングフォースとして、2系統間の水蒸気交換を行う機能と同等の機能を有するものであればよい。例えば、ゼオライト膜やポリビニール膜に代表される一連のパーベーパーレーション分離手法に用いるものがあげられる。(2A)は(2B)におけるB-B断面を、(2B)は(2A)におけるA-A断面を夫々示している。オフガス入口からオフガスが流入し、中空糸膜21外側領域を通過すると、オフガスの水分は、中空糸内外間の水蒸気分圧差を主たるドライビングフォースとして毛管作用によって選択的に分離され、中空糸膜21の内径方向へ移動する。水分を分離された、即ち水蒸気分圧の下がったオフガスは、オフガス出口から排出される。一方、供給ガス入口23からコンプレッサ31を経た常圧以上で高温且つ相対湿度の低い供給ガスが供給される。供給ガス入口23から供給された供給ガスは、中空糸膜21の束を構成する中空糸膜21の内側を通流する。中空糸膜21の内側領域には、燃料電池1からのオフガスより分離された水分が移動してきており、この水分にて供給ガスが加湿される。そして、加湿された供給ガスは供給ガス出口24から排出され、燃料電池1へ導かれる。なお、本実施形態で用いた加湿装置20の構成は、特開平7-71795号公報に開示されているものと水供給流路以外は基本的に同じであり、詳しくはそちらを参照されたい。
【００１１】
次に、本実施形態のシステム制御について、図3を用いて説明する。なお、このシステムフローチャートは、システム停止時又はシステム停止中に設定時間毎(例えば、10ms毎)に実行される。まず、コントローラ40にて外気温を測定し、0℃以下かを判断する(ステップ101)。0℃より大きい場合はそのままシステムフローチャートを終了し、0℃以下の場合は加湿装置20内の水位を水位センサにより測定する(ステップ102)。水位が設定値(例えば、ケース22と中空糸膜21の間(中空糸膜21外側領域)の占める体積の1／2〜5／6)以上の水位の場合はそのままシステムフローチャートを終了し、水位が設定値に満たない場合はバルブ13を開く(ステップ103)。バルブ13を開くことで純水タンク10から加湿装置20内に水が注入され、上記設定水位に達したらバルブ13を閉じる(ステップ104及び105)。従って、システム起動時においては、コンプレッサ31により圧縮されて高温となった空気が凍結した加湿装置20内に導入され、解凍することで加湿を行い燃料電池1に供給されることなる。なお、加湿装置20内に水を供給した後、起動時に凍結していない場合に水を排出する排出口を加湿装置20下部に設けてもよい。
【００１２】
このように、本実施形態では、以下の効果を得る。  
【００１３】
燃料電池システム内の水が凍結する可能性がある温度(例えば、外気温が0℃以下)の場合に、タンクより加湿装置20内に規定量の水を供給し、保持することで、燃料電池システム起動時に燃料電池システム(例えば、タンク)内の水が凍結していた場合にも、加湿装置20内で凍結した水を供給ガスにより解凍しながら、即ち供給ガスを加湿しながら燃料電池1に供給できるので、例えば加湿するためのタンク内の解凍を待たなくてよく、燃料電池1の発電開始時間を短縮できる。
【００１４】
また、純水タンク10を用いたので、純水を加湿装置20内に直接供給でき、さらに新たな部品の追加を最小限にすることができる。
【００１５】
また、加湿装置20をコンプレッサ31下流に設けることで、加湿装置20内に供給される供給ガスは加圧されて昇温しており、加湿装置20内の解凍を促進させることができる。
【００１６】
また、加湿装置20を純水タンク10の下方に設けたので、重力により水を供給できるので、加湿装置20に水を供給するための部品(例えば、ポンプ等)を最小限にすることができる。
【００１７】
なお、本実施形態では燃料電池1を冷却する純水タンク10を用いたが、その他の箇所の燃料電池システムで用いられている水タンクを用いる場合、水供給配管12にイオン交換器を設置すればよい。また、加湿装置20内に供給する水の量は、燃料電池1起動から生成水までの必要最低量とすることが可能である。
【００１８】
（第一実施形態の変形）
本実施形態について、図4及び図5を参照しながら説明する。図4はシステム構成図を、図5はシステムフローチャートを夫々示す。
【００１９】
まず、本実施形態の構成及び作用について、図4を用いて説明する。本実施形態の構成は、第一実施形態と以下の点で異なる。純水タンク10底部に接続していた水供給流路を、新たに設けたドレインキャッチ15の底部と接続している。このドレインキャッチ15は、加湿装置20下流の空気排出流路32に接続され、加湿装置20から排出された空気を除湿し、水を蓄え、一方ドレインキャッチ15と燃料電池1とをバルブB14を備える流路で繋ぎ、燃料電池1で生成された生成水を供給する。また、コントローラ40は、ドレインキャッチ15内に設けられた水位センサB及び加湿装置20内に設けられた水位センサAからの情報により、バルブA及びバルブB14を開閉する。なお、ドレインキャッチ15の容量は、加湿装置20内に供給する水量(例えば、加湿装置20内であって中空糸膜21外側の占める体積の1／2〜5／6)以上貯水できる量とする。
【００２０】
次に、本実施形態のシステム制御について、図5を用いて説明する。なお、このシステムフローチャートは、システム作動時、設定時間毎(例えば、10ms毎)に実行される。また、バルブAの作動については、第一実施形態と同様とする。
【００２１】
まず、ドレインキャッチ15内の水位が設定水位(例えば、システム停止時に加湿装置20内に供給する水量)以上かを判断し(ステップ200、201)、設定水位に満たない場合は、バルブB14を開き、ドレインキャッチ15内に生成水を供給する(ステップ203)。設定水位に達したら、バルブB14を閉じ、システムフローチャートを終了する(ステップ204〜206)。
【００２２】
また、このシステムフローチャートは、システム停止直後に行い、システム作動時に除湿して貯めた水量の不足分を生成水で補水することも可能である。なお、この際、使用者がシステムを停止した後、水量が不足している場合は、規定量に達するまで、システムを作動し続けることになる。
【００２３】
このように、本実施形態では、第一実施形態に加え、以下の効果を得る。
【００２４】
加湿装置20下流の余剰水を回収することができるので、例えば加湿装置20下流に水素と空気を混合して燃焼させる燃焼器を設けた場合、燃焼器に流入する空気の水分を抑えることができ、燃焼器を効率よく作動させることができる。
【００２５】
また、生成水(加湿装置20下流で除湿した水も含む)を貯水するので、加湿装置20内供給する際にイオン交換機を通す必要もなく、燃料電池システムの水収支も保たれるので、外部から水を供給する必もがない。
【００２６】
（第二実施形態）
本実施形態について、図6から図8を参照しながら説明する。図6はシステム構成図を、図7はマップの一例を、図8はシステムフローチャートを、夫々示す。
【００２７】
まず、本実施形態の構成及び作用について、図6及び図7を用いて説明する。本実施形態の構成は、第一実施形態と以下の点で異なる。加湿装置20を電熱ヒータ28で囲い、コントローラ40は、検出器41より情報を読み取り、電熱ヒータ28のON/OFFを行う。検出器41は、外気温、時刻、経緯・緯度を読み取る。なお、経緯・緯度からは、凍結環境解放予想時刻を、図7に示すマップより読込むこととする。このマップは、予めコントローラ40にインプットされたものであり、縦軸に経度、横軸に緯度をとり、それぞれの経度・緯度にて定められる場所における凍結環境解放予想時刻(外気温が摂氏0℃以上となる時刻)を割り出すことが可能にしたものである。また、電気ヒータの電源は、補助電源(例えば、車両に本実施形態に用いた場合は、二次電池等)とするものとする。
【００２８】
次に、本実施形態のシステム制御について、図8を用いて説明する。なお、このシステムフローチャートは、第一実施形態(図3)で加湿装置20内に規定量の水を注入した後、一回実行される。
【００２９】
まず、外気温To、凍結環境突入時刻ｔn、経度・緯度を読込み、マップより凍結環境解放予想時刻ｔoutを算出する(ステップ300〜302)。そして、ｔn―ｔoutより、車両凍結環境曝露時間ｔｆを算出し、ｔｆが規定時間ｔより短い場合は、ｔｆ及びToより、電熱ヒータ28の予想消費電力量Whを算出する(ステップ303〜305)。なお、ｔｆが規定時間ｔより長い場合は、システムフローチャートを終了する(ステップ304及び310)。一方、車両搭載の電力エネルギー源(例えば、二次バッテリ)より、電熱ヒータ28用の車両余力電力Chを算出する(ステップ306)。以上、求められたWhとChの大小関係を比較し、WhがChより大きい場合は、システムフローチャートを終了する(ステップ307及び310)。即ち、加湿装置20内に供給された水は凍結することとなる。一方、WhがCh以下の場合は、電熱ヒータ28を凍結環境解放予想時刻まで作動させ、このシステムフローチャートを終了する(ステップ307〜310)。
【００３０】
このように、本実施形態では、以下の効果を得る。
【００３１】
凍結環境曝露時間を算出し、その時間が短い場合、電熱ヒータ28を作動させることで、加湿装置20内の凍結を回避し、燃料電池1の起動をさらに短縮することが可能となる。一方、凍結環境曝露時間が長い場合、加湿装置20内を凍結させることで、無駄な電力消費を防止できる。ここで、加湿装置20の外套部に断熱材を設けることで、凍結環境に曝露された際に、加湿装置20内に溜め込んだ純水の凍結を遅延させることが出来る。
【００３２】
さらに、従来の中空糸膜型加湿装置20の使用手法であれば、オフガスを中空糸膜21内側領域に導くので、純水も中空糸膜21内側領域に導いて凍結させなければならなくなり、中空糸膜型加湿装置20の外套部に電熱ヒータ28や断熱材を設定しても、凍結した純水との間にスタック吸気が流れる中空糸膜21外側領域が存在するので、その効果は得られにくいが、本発明の場合は中空糸外側領域に純水及びオフガスを導いて凍結させる為、中空糸膜型加湿装置20の外套部に設定した電熱ヒータ28や断熱材の効果を最大限に生かすことが出来る。
【００３３】
また、電熱ヒータ28の予想消費電力が、補助電源の余力電力を超えるときは、電熱ヒータ28の作動させないことで、補助電源の電力を使い切ることがないので、システムが起動できない等の不具合を防止できる。
【００３４】
また、外気温度及び時刻を把握することで、凍結環境に曝露されるか否かを的確に判断することが出来るので、純水タンク10より加湿装置20における中空糸外側領域への純水供給を精度良く実行することが可能となる。
【００３５】
なお、加湿装置20内に水を供給する前に、凍結環境突入時刻を読込み、加湿装置20内の水が凍結しないと判断した場合は、加湿装置20内に水を供給しない制御としてもよい。
【００３６】
以上説明した実施形態は、第一実施形態の変形(図4)においても、適応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第一実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図２】（2A）加湿装置20の(2B)におけるB-B断面図である。
【００３８】
（2B）加湿装置20の(2A)におけるA-A断面図である。
【図３】第一実施形態におけるシステムフローチャートである。
【図４】第一実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図５】第一実施形態におけるシステムフローチャートである。
【図６】第二実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図７】第二実施形態におけるマップの一例である。
【図８】第二実施形態におけるシステムフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１  燃料電池
10  純水タンク
11  循環流路
12  水供給配管
13  バルブ
14  補水流路
15  ドレインキャッチ
16  バルブB
20  加湿装置(WRD)
21  中空糸膜
22  ケース
23  供給ガス入口
24  供給ガス出口
25  排出ガス入口
26  排出ガス出口
27  水供給口
28  電熱ヒータ
30  空気供給流路
31  コンプレッサ
32  空気排出流路
40  コントローラ
41  検出器
【図１】
2006100070.tif 000003
【図２】
2006100070.tif 000004
【図３】
2006100070.tif 000005
【図４】
2006100070.tif 000006
【図５】
2006100070.tif 000007
【図６】
2006100070.tif 000008
【図７】
2006100070.tif 000009
【図８】
2006100070.tif 000010