(57)【要約】【課題】冬場や寒冷地等での低温起動性を向上させることができる加湿装置および燃料電池システムを提供する。【解決手段】酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に供給される酸化ガスと燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置１９と、を備える。加湿装置１９は、供給されたガスを加湿して排出する加湿モジュール１５と、加湿モジュール１５に接続されている配管１１ａ，１１ｂと、配管１１ａ，１１ｂに設けられて加湿モジュール１５へのガス供給量を調整する調整手段１７，１８と、を備える。調整手段１７，１８は、加湿モジュール１５よりも重力方向の高位に配置した。【選択図】図２
2008020163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給されたガスを加湿して排出する加湿モジュールと、
前記加湿モジュールに接続されている配管と、
前記配管に設けられて前記加湿モジュールへのガス供給量を調整する調整手段と、を備えた加湿装置であって、
前記調整手段が、前記加湿モジュールよりも重力方向の高位に配置されている加湿装置。
【請求項２】
前記配管は、前記加湿モジュールにガスを供給するための上流側配管と、前記加湿モジュールによって加湿されたガスを当該加湿モジュールから排出するための下流側配管と、を備えてなり、
前記調整手段は、前記加湿モジュールの上流側にて前記上流側配管と前記下流側配管とを連通させる連通路と、前記連通路の開閉状態を調整する弁と、を備えてなる請求項１に記載の加湿装置。
【請求項３】
酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスと燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記加湿装置として、請求項１又は２に記載の加湿装置が用いられている燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿装置および燃料電池システムに係わり、特に、冬場や寒冷地等における低温起動性の向上に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池（セル）をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池に、燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに空気を加圧供給し、燃料電池において燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させる。
【０００３】
上記の燃料電池システムには、燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する加湿モジュール（加湿器）が具備されているものがある（例えば、下記の特許文献１参照）。加湿モジュールとしては、例えば、燃料電池から排出される酸化オフガスに含まれる水分を利用するものの他、外部から水分を補給するものがある。
【特許文献１】特開２００５−３２２５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような加湿モジュールを備えた燃料電池システムが冬場や寒冷地等で使用される場合において、同燃料電池システムの停止中等に、加湿モジュールに残った水が該加湿モジュールに接続されている配管上のバルブに流れ込むと、その水が凍結してバルブが動かなくなってしまい、円滑な低温起動ができなくなる、という問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、冬場や寒冷地等での低温起動性を向上させることができる加湿装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の加湿装置は、供給されたガスを加湿して排出する加湿モジュールと、前記加湿モジュールに接続されている配管と、前記配管に設けられて前記加湿モジュールへのガス供給量を調整する調整手段と、を備えた加湿装置であって、前記調整手段が、前記加湿モジュールよりも重力方向の高位に配置されたものである。
【０００７】
前記配管は、前記加湿モジュールにガスを供給するための上流側配管と、前記加湿モジュールによって加湿されたガスを当該加湿モジュールから排出するための下流側配管と、を備え、前記調整手段は、前記加湿モジュールの上流側にて前記上流側配管と前記下流側配管とを連通させる連通路と、前記連通路の開閉状態を調整する弁と、を備えていてもよい。
【０００８】
また、本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスと燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記加湿装置として、上記構成からなる加湿装置が用いられたものである。
【０００９】
以上の構成によれば、調整手段（連通路と弁）が加湿モジュールよりも高い位置に設けられているので、冬場や寒冷地等の低温環境下で使用される場合でも、加湿モジュールの内部に残った水が、運転停止中等に調整手段に流れ込むことはない。したがって、外気温が例えば０℃（水の凍結温度）を下回ったとしても、調整手段が固結することによる動作不良の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、冬場や寒冷地等での低温起動性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、燃料電池システムの概略構成図である。
【００１２】
燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００１３】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。
【００１４】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。供給路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿モジュール１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通り、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
【００１５】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。
【００１６】
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。
【００１７】
供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、モータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。
【００１８】
排出路２５には、遮断弁であるパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
【００１９】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００２０】
制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する駆動部１８ｂによる弁体１８ａの開閉等、種々の処理や制御を行う。
【００２１】
ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統３，４や冷媒系統５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
【００２２】
加湿モジュール１５は、燃料電池２に供給される酸化ガスに例えば外部から供給される水分を補給する等して当該酸化ガスを加湿する。加湿モジュール１５には、加湿モジュール１５に酸化ガスを供給するための上流側配管１１ａと、加湿モジュール１５において加湿された酸化ガスを、当該加湿モジュール１５から排出して燃料電池２に供給するための下流側配管１１ｂとが接続されている。上流側配管１１ａと下流側配管１１ｂとは加湿モジュール１５を介して連通しており、上記の供給路（配管）１１を構成している。
【００２３】
上流側配管１１ａと下流側配管１１ｂとの間には、加湿モジュール１５の上流側にて上流側配管１１ａと下流側配管１１ｂとに連通する連通路１７が設けられている。連通路１７には、当該連通路１７の開閉状態を調整する弁１８が設けられている。連通路１７および弁１８は、本発明に係る調整手段の一実施例であり、上流側配管１１ａを流れる酸化ガスの一部または全部を、必要に応じて加湿モジュール１５をバイパスさせてから下流側配管１１ｂに流すバイパス回路を構成している。
【００２４】
本実施形態の加湿装置１９は、これら上流側配管１１ａ、下流側配管１１ｂ、加湿モジュール１５、連通路１７、および弁１８を備えて構成されている。
【００２５】
図２および図３に示すように、弁１８は加湿モジュール１５よりも重力方向で高位に配置されている。また、加湿モジュール１５と弁１８との間に配設されている上流側配管１１ａおよび下流側配管１１ｂは、加湿モジュール１５から斜め上方に向けて延出されたうえで屈曲され、略水平に配設されている。そして、この略水平に配設された両配管１１ａ，１１ｂの途中に、弁体１８ａと該弁体１８ａを駆動する駆動部１８ｂとを備えた、例えば電磁弁からなる弁１８が設けられている。
【００２６】
上流側配管１１ａは下流側配管１１ｂよりも重力方向で高位に配置されており、連通路１７は、高さの異なる両配管１１ａ，１１ｂをつなぐように設けられている。弁体１８ａは、下流側配管１１ｂと連通路１７との接続（連通）部分を開閉するように設けられており、ソレノイド等の駆動部１８ｂによって駆動可能とされている。駆動部１８ｂは、制御部７から出力される制御信号に基づいて作動する。
【００２７】
弁体１８ａは、燃料電池２に供給される酸化ガスの加湿量を減らす必要がある場合、下流側配管１１ｂと連通路１７との接続部分を開くように駆動される。弁体１８ａが開くと、その開閉状態（開度）に応じて、酸化ガスの一部または全部は、相対的に圧力損失の大きな加湿モジュール１５をバイパスする。このバイパスした酸化ガスは、加湿モジュール１５で水分を付加される（加湿される）ことなく、連通路１７を通じて下流側配管１１ｂに合流して燃料電池２に供給される。
【００２８】
上記のように構成された燃料電池システム１においては、弁１８及び該弁１８が配設させる連通路１７が加湿モジュール１５よりも高い位置に設けられているので、同システムが冬場や寒冷地等の低温環境下で使用される場合でも、加湿モジュール１５に残った水が、運転停止中等に加湿モジュール１５よりも重力方向上方に配置された弁１８及び連通路１７に流れ込むことはない。
【００２９】
したがって、外気温が水の凍結温度（例えば、０℃）を下回ったとしても、弁１８の内部（弁体１８ａ）が固結することによる動作不良の発生は抑制される。以上のとおり、上記の燃料電池システム１によれば、冬場や寒冷地等においても、加湿モジュール１５に付属する弁１８を支障なく稼動させることが可能になるので、低温起動性の向上を図ることができる。
【００３０】
なお、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り適宜変更を加えることができる。例えば、上記実施形態の加湿装置１９は、燃料電池２に供給される酸化ガスを加湿するものであるが、当該酸化ガスの加湿に代えて或いは加えて、燃料電池２に供給される燃料ガスを加湿するものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示す構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムに設けられた加湿モジュールと、この加湿モジュールに接続された配管と、この配管に設けられた弁との位置関係を説明するための概略図である。
【図３】図１の燃料電池システムに設けられた加湿モジュールと、この加湿モジュールに接続された配管と、この配管に設けられた弁とを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、１１…供給路（配管）、１１ａ…上流側配管、１１ｂ…下流側配管、１５…加湿モジュール、１７…連通路（調整手段）、１８…弁（調整手段）、１９…加湿装置
【図１】
2008020163.tif 000003
【図２】
2008020163.tif 000004
【図３】
2008020163.tif 000005