(57)【要約】【課題】加湿手段の機能を維持して安定して運転することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】空気と燃料ガスとが供給されこれら空気および燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池スタック１０と、燃料電池に空気を供給するエアポンプ４０と、燃料電池から排出されたカソードオフガスの水分をエアポンプ４０から供給され燃料電池に供給される前の空気に移す加湿器２０とを備え、エアポンプ４０と加湿器２０との間に、空気が流通する第１配管２１を設け、第１配管２１の途中に熱交換器３０を設け、この熱交換器３０により空気を冷却して相対湿度を上昇させる。【選択図】図１
2011009057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスの水分を前記酸化剤ガス供給手段から供給され前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、
前記酸化剤ガス供給手段と前記加湿手段との間に、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路を設け、該酸化剤ガス流路の途中に熱交換手段を設け、この熱交換手段により酸化剤ガスを冷却することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱交換手段に流通させる冷媒は、周囲の空気、燃料ガス、および冷却液のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスの水分を前記酸化剤ガス供給手段から供給され前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、
前記酸化剤ガス供給手段と前記加湿手段との間に、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路を設け、該酸化剤ガス流路に排出酸化剤ガスを供給する混合手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記混合手段は、排出酸化剤ガスに含まれる凝縮水を貯留し、貯留した凝縮水を前記酸化剤ガス流路に供給することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスの水分を前記酸化剤ガス供給手段から供給され前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、
前記燃料電池と前記加湿手段との間に、排出酸化剤ガスが流通する排出酸化剤ガス流路を設け、該排出酸化剤ガス流路の途中に熱交換手段を設け、該熱交換手段により排出酸化剤ガスを冷却することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記熱交換手段に流通させる冷媒は、周囲の空気、燃料ガス、および冷却液のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスの水分を前記酸化剤ガス供給手段から供給され前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、
前記燃料電池と前記加湿手段との間に、排出酸化剤ガスが流通する排出酸化剤ガス流路を設け、該排出酸化剤ガス流路に、排出酸化剤ガスに含まれる凝縮水を貯留し、貯留した凝縮水を前記排出酸化剤ガス流路に供給する混合手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスの水分を前記酸化剤ガス供給手段から供給され前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、
前記燃料電池と前記加湿手段との間に、排出酸化剤ガスが流通する排出酸化剤ガス流路を設け、この排出酸化剤ガス流路に、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる凝縮水を貯留し、貯留した凝縮水を前記排出酸化剤ガス流路に供給する混合手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスの水分を前記酸化剤ガス供給手段から供給され前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、
前記加湿手段は、冷媒が流通する冷媒流路を備え、該冷媒によって前記加湿手段内の酸化剤ガスと排出酸化剤ガスを冷却することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
前記冷媒は、周囲の空気、燃料ガス、および冷却液のいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加湿手段に供給される前の酸化剤ガスの温度と、前記加湿手段に供給される前の排出酸化剤ガスの湿度と、前記燃料電池の出力の少なくとも１つを検出する検出手段を備え、該検出手段による検出結果と予め設定した閾値との関係に基づいて制御することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に供給する空気を加湿手段で加湿するようにした燃料電池システムに係り、特に、加湿手段の機能を維持して燃料電池システムを安定して運転する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、平板状の膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極（空気極、カソード）および負極（燃料極、アノード）を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。
【０００３】
ここで、上記のような電気化学反応を安定させて発電効率を高く維持するためには、電解質膜を飽和含水状態に維持して、イオン交換樹脂としての機能を確保する必要がある。たとえば、特許文献１には、ブロアから送り出された空気を加湿手段に流通させ、加湿手段内で燃料電池スタックから排出された使役後の空気（カソードオフガス）や、使役後の燃料ガス（アノードオフガス）に含まれる水分を空気に与える、すなわち水分交換するようにした燃料電池システムが開示されている。また、特許文献２には、そのような加湿手段として、チャンバーに多数の中空糸膜をそれらの両端がチャンバーの外部に露出するように配置し、中空糸膜の内側にガスを流通させるとともに中空糸膜の外側であってチャンバーの内側に湿度の高いガスや水を流通させて水分交換するようにしたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１３２０３８号公報
【特許文献２】特開平８−２７３６８７号公報
【特許文献３】特開２００７−２１２０１８号公報
【特許文献４】特開２００１−３５１６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような加湿手段には、コンプレッサやブロアで加圧された空気が供給されるから、空気は圧縮されて高温となり相対湿度が低下する。ここで、加湿手段が中空糸膜で構成されている場合には、中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が高温低湿の空気によって消失させられ、水分の受け渡しが円滑に行われなくなって加湿効率が大幅に低下するようになる（ドライアップ）。また、燃料電池スタックから排出されるオフガスの相対湿度が１００％を下回る場合にも、上記のようなドライアップが生じ易くなる。そして、一旦ドライアップが生じると、中空糸膜が水分交換機能を取り戻すのに時間がかかり、その間は加湿手段として機能しなくなる。その結果、燃料電池の適正な加湿量での運転ができなくなるという問題があった。
【０００６】
特許文献３には、水蒸気透過膜を用いた加湿器において、被加湿ガスの流通方向に沿って配置した水蒸気透過膜の反対側に、被加湿ガスの流通方向に沿って配置した複数の流量調整弁から供給する加湿ガスの量を調整することにより、水蒸気透過膜の局所的な劣化を防止する技術が開示されている。また、特許文献４には、加湿装置と燃料電池スタックとの間の流路に水を供給する技術が開示されている。しかしながら、これらの技術は、空気の相対湿度が低下した場合の加湿装置の機能低下に対する対応策と成りえるものではなかった。
【０００７】
したがって、本発明は、加湿手段の機能を維持して安定して運転することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池から排出された排出酸化剤ガスの水分を酸化剤ガス供給手段から供給され燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、酸化剤ガス供給手段と加湿手段との間に、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路を設け、該酸化剤ガス流路の途中に熱交換手段を設け、この熱交換手段により酸化剤ガスを冷却することを特徴としている。
【０００９】
上記構成の燃料電池システムにあっては、熱交換手段によって酸化剤ガスが冷却され、冷却されて相対湿度が上昇した酸化剤ガスが加湿手段に供給されるから、加湿手段の水分交換機能を有する膜などの湿潤状態が良好となる。これにより、加湿手段の加湿効率が維持され、燃料電池システムを安定して運転することができる。なお、熱交換手段に流通させる冷媒は、周囲の空気、燃料ガス、および冷却液のいずれかであり、以下の説明においても同様である。
【００１０】
また、本発明の他の燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池から排出された排出酸化剤ガスの水分を酸化剤ガス供給手段から供給され燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、酸化剤ガス供給手段と加湿手段との間に、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路を設け、該酸化剤ガス流路に排出酸化剤ガスを供給する混合手段を備えたことを特徴としている。
【００１１】
上記構成の燃料電池システムにあっては、酸化剤ガスに水分を多く含んだ排出酸化剤ガスが混合されるから、相対湿度が上昇した酸化剤ガスが加湿手段に供給され、これにより加湿手段の水分交換機能を有する膜などの湿潤状態が良好となる。
【００１２】
ここで、混合手段は、排出酸化剤ガスに含まれる凝縮水を貯留し、貯留した凝縮水を酸化剤ガス流路に供給するように構成すると、酸化剤ガスの相対湿度がさらに上昇するので望ましい。
【００１３】
また、本発明の他の燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池から排出された酸化剤ガスの水分を酸化剤ガス供給手段から供給され燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、燃料電池と加湿手段との間に、排出酸化剤ガスが流通する排出酸化剤ガス流路を設け、該排出酸化剤ガス流路の途中に熱交換手段を設け、該熱交換手段により排出酸化剤ガスを冷却することを特徴としている。
【００１４】
上記構成の燃料電池システムにあっては、熱交換手段により排出酸化剤ガスが冷却され、冷却されて相対湿度が上昇した排出酸化剤ガスが加湿手段に供給されるから、加湿手段の水分交換機能を有する膜などの湿潤状態が良好となる。
【００１５】
また、本発明の他の燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池から排出された排出酸化剤ガスの水分を酸化剤ガス供給手段から供給され燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、燃料電池と加湿手段との間に、排出酸化剤ガスが流通する排出酸化剤ガス流路を設け、該排出酸化剤ガス流路に、排出酸化剤ガスに含まれる凝縮水を貯留し、貯留した凝縮水を排出酸化剤ガス流路に供給する混合手段を備えたことを特徴としている。
【００１６】
上記構成の燃料電池システムにあっては、排出酸化剤ガスから得られた凝縮水が排出酸化剤ガスに混合され、相対湿度が上昇した排出酸化剤ガスが加湿手段に供給されるから、加湿手段の水分交換機能を有する膜などの湿潤状態が良好となる。
【００１７】
また、本発明の他の燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池から排出された排出酸化剤ガスの水分を酸化剤ガス供給手段から供給され燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、燃料電池と加湿手段との間に、排出酸化剤ガスが流通する排出酸化剤ガス流路を設け、この排出酸化剤ガス流路に、燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる凝縮水を貯留し、貯留した凝縮水を排出酸化剤ガス流路に供給する混合手段を備えたことを特徴としている。
【００１８】
上記構成の燃料電池システムにあっては、排出排出燃料ガスから得られた凝縮水が排出酸化剤ガスに混合され、相対湿度が上昇した排出酸化剤ガスが加湿手段に供給されるから、加湿手段の水分交換機能を有する膜などの湿潤状態が良好となる。
【００１９】
また、本発明の他の燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池から排出された排出酸化剤ガスの水分を酸化剤ガス供給手段から供給され燃料電池に供給される前の酸化剤ガスに移す加湿手段とを備え、加湿手段は、冷媒が流通する冷媒流路を備え、該冷媒によって加湿手段内の酸化剤ガスと排出酸化剤ガスを冷却することを特徴としている。
【００２０】
上記構成の燃料電池システムにあっては、冷媒によって加湿手段内の酸化剤ガスと排出酸化剤ガスが冷却され、加湿手段内の酸化剤ガスと排出酸化剤ガスの相対湿度が上昇するから、加湿手段の水分交換機能を有する膜などの湿潤状態が良好となる。
【００２１】
以上の燃料電池システムは、加湿手段におけるドライアップの発生を未然に防止するための特徴的な構成を備えており、その構成は、燃料電池システムの通常の運転時にも作動させることができるが、通常運転時の電解質膜や電極の湿潤状態を乱さない等の理由から、ドライアップ発生のおそれがある場合にのみ作動させることが望ましい。そのために、加湿手段に供給される前の酸化剤ガスの温度と、加湿手段に供給される前の排出酸化剤ガスの湿度と、燃料電池の出力の少なくとも１つを検出する検出手段を備え、検出手段による検出結果が予め設定した閾値を超えたときにドライアップ防止のための構成を作動させることが望ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、加湿手段内の酸化剤ガスや排出酸化剤ガスの相対湿度が上昇するから、加湿手段の水分交換機能を有する膜などの湿潤状態が良好となる。これにより、加湿手段の加湿効率が維持され、燃料電池システムを安定して運転することができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。
【図２】本発明の第２実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。
【図３】本発明の第３実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。
【図４】本発明の第４実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。
【図５】本発明の第５実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。
【図６】実施形態の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
１．第１実施形態
以下、図１を参照して本発明の第１実施形態を説明する。図１において符号１０は燃料電池スタックであり、燃料電池スタック１０は、燃料電池の単位セルを多数積層して構成されている。燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給口１１には、加湿器（加湿手段）２０が接続されている。これら燃料電池スタック１０と加湿器２０は、第１配管２１により接続され、空気が第１配管２１から加湿器２０に流入するようになっている。また、燃料電池スタック１０と加湿器２０とは第２配管２２によって接続され、燃料電池から排出される空気（カソードオフガス）を加湿器２０に供給するようになっている。
【００２５】
ここで、加湿器２０は、チャンバーに、水分交換のための中空糸膜を多数平行に束ねたものを内蔵して構成されている。中空糸膜は中空状の細い糸の膜であって、その膜は、ガスの浸透は阻止するが水分すなわち水分子の浸透は許容するという性質を有する。この場合、水分は水蒸気分圧の高い方向から低い方向に中空糸膜を介して浸透する。したがって、中空糸膜の内側に相対湿度の低いガスを流通させ、外側に相対湿度の高いガスを流通させると、水分は中空糸膜の外側から内部に浸透し、相対湿度の低いガス中に拡散してその湿度を上昇させる。なお、中空糸膜の内側に相対湿度の高いガスを流通させ、外側に相対湿度の低いガスを流通させても同じ作用を得ることができる。
【００２６】
この実施形態では、第１配管（酸化剤ガス流路）２１が中空糸膜の内側に接続され、第２配管（排出酸化剤ガス流路）２２が中空糸膜の外側であってチャンバーの内側に接続されている。したがって、中空糸膜の内側には加湿されていない相対湿度の低い空気が供給され、中空糸膜の外側には、相対湿度が１００％またはそれに近いカソードオフガスが供給され、中空糸膜においてカソードオフガスに含まれる水分が燃料電池に供給される空気に水分交換される。
【００２７】
加湿器２０には熱交換器（熱交換手段）３０が第１配管２１によって接続され、熱交換器３０にはエアポンプ（酸化剤ガス供給手段）４０が第１配管２１によって接続されている。熱交換器３０の内部には、エアポンプ３０で加圧された空気が流通する被冷却ガス流路が設けられ、被冷却ガス流路の外側に冷媒が流通する冷媒流路が設けられている。この実施形態では、冷媒として水素などの燃料ガスが用いられるが、その他に空気、水やエチレングリコールなどの冷却液を用いることができる。熱交換器３０の冷媒流路は、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給口１２に第３配管２３によって接続されている。
【００２８】
ここで、熱交換器３０は、常に作動させることもできるが、この実施形態では空気を冷却する必要が生じた場合（ドライアップ発生のおそれがある場合）にのみ作動させられる。たとえば、空気の温度が閾値以上となったときや、カソードオフガスの湿度が閾値以下になったときに熱交換器３０を作動させる。また、燃料電池スタック１０の出力が低い場合には、燃料電池の電気化学反応で生成される水の量が少ないため、カソードオフガスの相対湿度が低くなる。したがって、燃料電池スタック１０の出力が閾値以下になったときに熱交換器３０を作動させることもできる。
【００２９】
そのような制御を可能とするために、燃料ガスの燃料供給用配管２４は、加湿器３０の冷媒流路に接続されるとともに、切替弁２５を介して第３配管２３に接続されている。この切替弁２５により、燃料ガスは、熱交換器３０か燃料電池スタック１０のいずれかに選択的に供給される。また、空気の温度やカソードオフガスの湿度を検出するセンサが適所に配置され、燃料電池スタック１０の出力を検出するセンサも配置されている。なお、燃料電池スタック１０の出力は、燃料電池スタック１０に循環される冷却水の温度と相関関係を有するので、冷却水の温度を検出するセンサを設けることもできる。
【００３０】
次に、上記構成の燃料電池システムの動作を図１および図６を参照して説明する。なお、この実施形態では、燃料電池システムを車両に搭載して運転する場合を例にとって説明する。車両のイグニッションスイッチをオンにすると（ステップＳ１）、エアポンプ４０で加圧された空気が熱交換器３０および加湿器２０を経て燃料電池スタック１０に供給され、燃料電池スタック１０には、燃料タンクから熱交換器３０を経て燃料ガスが供給される。そして、燃料電池では、燃料ガスと空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことにより発電が生じ、電気化学反応を終えた空気は、カソードオフガスとして燃料電池スタック１０から第３配管２３を流通して加湿器２０に供給される。
【００３１】
ここで、熱交換器３０に供給される空気の温度が予め設定された閾値未満の場合か、カソードオフガスの湿度が予め設定された閾値を超える場合、あるいは、燃料電池スタックの出力（ＳＴＫ出力）が予め設定された閾値を超える場合には、ステップＳ２での判定結果は「ＮＯ」となり、燃料ガスを熱交換器３０に供給せずに燃料電池スタック１０に供給する。これにより、熱交換器３０では、空気は冷却されることなくそのまま加湿器２０に供給される。
【００３２】
次に、熱交換器３０に供給される空気の温度が閾値以上の場合か、カソードオフガスの湿度が閾値以下の場合、あるいは、燃料電池スタックの出力が閾値以下の場合には、ステップＳ２での判定結果は「ＹＥＳ」となり、切替弁２５を駆動して燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給せずに燃料供給用配管２４を通じて熱交換器３０に供給する（ステップＳ４）。これにより、熱交換器３０では、空気と燃料ガスとの熱交換が行われ、空気は冷却されて加湿器２０に供給される。空気は冷却されて相対加湿度が上昇しているので、加湿器２０内における中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が維持され、ドライアップの発生が未然に防止される（ステップＳ５）。なお、熱交換器３０を流通した燃料ガスは温度が上昇し、第３配管２３を流通して燃料電池スタック１０に供給される。
【００３３】
したがって、加湿器２０において空気に必要な湿度が与えられるので、単位セルの電解質膜を飽和含水状態に維持して、イオン交換樹脂としての機能を確保することができ、燃料電池システムを安定して運転することができる。なお、空気はエアポンプ４０によって圧縮されて温度上昇しているのに対して、燃料ガスは、燃料タンクから出た際に膨張して温度低下しているので、空気の冷却は充分に行われる。
【００３４】
ところで、燃料電池の作動温度は例えば８０℃程度であり、反応ガスは作動温度を維持するに適した温度であることが望ましい。一方、上述のように燃料ガスは温度低下しているため、場合によっては加熱する必要がある。この点、上記実施形態では、燃料ガスを熱交換器３０における冷媒として用いているので、燃料ガスは加熱されて燃料電池スタック１０に供給される。したがって、上記実施形態では、燃料ガスの加熱手段を省略することができるという利点がある。また、上記実施形態では、空気の温度、カソードオフガスの湿度、あるいは燃料電池スタックの出力に基づいて熱交換器３０を作動させるので、空気の相対湿度を不必要に上昇させて電解質膜や電極の湿潤状態を乱すようなことがないという利点もある。
【００３５】
２．第２実施形態
次に、図２を参照して本発明の第２実施形態を説明する。なお、以下の説明においては、前記第１実施形態と同等の構成要素には同符号を付して説明を省略する。図２において符号５０は混合器である。混合器５０には、加湿器２０内からカソードオフガスが排出される第２配管２２から分岐した第４配管２６が接続され、加湿器２０とエアポンプ４０との間の第１配管２１と混合器５０は、第４配管２６によって接続されている。
【００３６】
混合器５０には、カソードオフガスに含まれる凝縮水が貯留される。そのために、混合器５０には、燃料電池スタック１０と加湿器２０との間の第２配管２２から分岐した第５配管２７が接続されている。混合器５０は、第４配管２６から供給されて内部を流通するカソードオフガスによって負圧を生じさせ、凝縮水をカソードオフガスに随伴させて第１配管２１に供給するエゼクタで構成することができる。あるいは、インジェクタ、コンプレッサ、ポンプ、ブロアなどのように、動力によって凝縮水を吐出する機器で構成することもできる。なお、この第２実施形態において、混合器５０は、加湿器２０にドライアップ発生のおそれがある場合にのみ作動させられる。すなわち、空気の温度が閾値以上となったときや、カソードオフガスの湿度が閾値以下になったとき、あるいは、燃料電池スタックの出力が閾値以下になったときに混合器５０を作動させる。
【００３７】
上記第２実施形態の燃料電池システムにおいては、エアポンプ４０から供給される空気の温度等の検出結果により、加湿器２０にドライアップ発生のおそれがある場合には、エアポンプ４０で加圧されて相対湿度が低下した空気に、カソードオフガスに含まれる水分と混合器５０に貯留された凝縮水とが混合されるから、空気の相対湿度が上昇する。したがって、加湿器２０内における中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が維持され、ドライアップの発生が未然に防止される。
【００３８】
３．第３実施形態
図３は本発明の第３実施形態を示す図である。この第３実施形態では、燃料電池スタック１０と加湿器２０の間の第２配管２２に、熱交換器３０が介装されている。熱交換器３０には、燃料供給用配管２４が接続され、燃料供給用配管２４は、切替弁２５を介して第３配管２３と接続されている。この切替弁２５により、燃料ガスは、熱交換器３０か燃料電池スタック１０のいずれかに選択的に供給される。
【００３９】
なお、この第３実施形態において、熱交換器３０は、加湿器２０にドライアップ発生のおそれがある場合にのみ作動させられる。すなわち、空気の温度が閾値以上となったときや、カソードオフガスの湿度が閾値以下になったとき、あるいは、燃料電池スタックの出力が閾値以下になったときに熱交換器３０を作動させる。その際には、切替弁２５を駆動して燃料ガスの供給先を燃料電池スタック１０から熱交換器３０に切り換える。
【００４０】
上記構成の燃料電池システムにおいては、加湿器２０にドライアップ発生のおそれがある場合に、燃料ガスを熱交換器３０に供給し、カソードオフガスを冷却する。カソードオフガスの温度が低下することにより、加湿源としてのカソードオフガスの相対湿度が上昇し、加湿器２０内における中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が維持され、ドライアップの発生が未然に防止される。
【００４１】
ところで、燃料電池スタック１０の出力が通常のとき（燃料電池スタック１０に循環される冷却水の温度が高温でないとき）は、カソードオフガスの温度も高くない。そのような状態でカソードオフガスを冷却すると、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮する結果、カソードオフガスに含まれる水分の絶対量（水蒸気分圧）が低下して加湿器２０での水分交換が不充分となる。この点、上記第３実施形態では、加湿器２０にドライアップ発生のおそれが生じるまでは熱交換器３０を作動させないから、燃料電池スタック１０の出力が通常運転のときはカソードオフガスが冷却されることがなく、カソードオフガスの水分の絶対量が確保される。
【００４２】
４．第４実施例
図４は本発明の第４実施形態を示す図である。この第４実施形態では、燃料電池スタック１０と加湿器２０の間の第２配管２２に、混合器５０が介装されている。混合器５０には、アノードオフガスを供給する第６配管２８が接続されるとともに、加湿器２０内からカソードオフガスが排出される第２配管２２から分岐した第７配管２９が接続されている。すなわち、混合器５０には、カソードオフガスとアノードオフガスが供給され、それらに含まれる凝縮水が貯留されるようになっている。そして、貯留された凝縮水は、混合器５０によって加湿器２０に供給される。なお、この第４実施形態においても、混合器５０は、加湿器２０にドライアップ発生のおそれが生じた場合にのみ作動させられる。
【００４３】
上記第４実施形態構成の燃料電池システムにおいては、エアポンプ４０から供給される空気の温度等の検出結果により、加湿器２０にドライアップ発生のおそれがある場合には、カソードオフガスに、カソードオフガスとアノードオフガスに含まれる水分と混合器５０に貯留された凝縮水とが混合されるから、カソードオフガスの相対湿度が上昇する。したがって、相対湿度の高いカソードオフガスが加湿源として供給されるから、加湿器２０内における中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が維持され、ドライアップの発生が未然に防止される。
【００４４】
５．第５実施形態
図５は本発明の第５実施形態を示す図である。この第５実施形態において加湿器６０は、その全体が冷媒によって冷却されるように構成されている。具体的には、加湿器６０のチャンバーの外側をハウジングで覆い、チャンバーとハウジングとの間の空間に燃料ガスなどの冷媒を流通させる。なお、この第５実施形態においても、加湿器６０にドライアップ発生のおそれがある場合にのみ加湿器６０に燃料ガスを供給する。その際には、切替弁２５を駆動して燃料ガスの供給先を燃料電池スタック１０から加湿器６０に切り換える。
【００４５】
上記第５実施形態においては、加湿器６０にドライアップ発生のおそれがある場合に、燃料ガスは加湿器６０に供給される。これにより、エアポンプ４０で圧縮されて温度上昇した空気の温度と、加湿源であるカソードオフガスの温度が低下し、両者の相対湿度が上昇する。これにより、加湿器６０内における中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が維持され、ドライアップの発生が未然に防止される。
【００４６】
なお、上記各実施形態では、加湿器として中空糸膜を備えたものを用いたが、特許文献１に記載されたような水蒸気透過膜を有するものなど公知の加湿器を本発明に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明では、加湿器のドライアップの発生を防止して燃料電池の安定した運転が確保されるので、厳しい信頼性が求められる自動車用の燃料電池システムに適用して極めて有望である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  燃料電池スタック
２０  加湿器
２１  第１配管（酸化剤ガス流路）
２２  第２配管（排出酸化剤ガス流路）
３０  熱交換器（熱交換手段）
４０  エアポンプ（酸化剤ガス供給手段）
５０  混合器（混合手段）
【図１】
2011009057.tif 000003
【図２】
2011009057.tif 000004
【図３】
2011009057.tif 000005
【図４】
2011009057.tif 000006
【図５】
2011009057.tif 000007
【図６】
2011009057.tif 000008