(57)【要約】【課題】燃料電池の固体高分子膜を熱交換器を用いることなく加湿する。【解決手段】本発明の燃料電池の加湿装置は、供給されたガス中の水分を固体高分子膜の加湿に用いる燃料電池１と、この燃料電池から排出される排気中に含まれる水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第１手段３と、前記燃料電池の冷却に用いられる液体の水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第２手段２とを備え、燃料電池に供給されるガスの流れ方向に沿って上流側から第１手段、第２手段、燃料電池の順に配置される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給されたガス中の水分を固体高分子膜の加湿に用いる燃料電池と、
この燃料電池から排出される排気中に含まれる水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第１手段と、
前記燃料電池の冷却に用いられる液体の水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第２手段とを備え、
燃料電池に供給されるガスの流れ方向に沿って上流側から第１手段、第２手段、燃料電池の順に配置されることを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項２】
前記第２手段は、前記液体中の水分のみを分離する水分離膜を備え、
この第２手段に導入された前記液体と供給ガスとの間の熱交換により液体中の水分が凝縮し、水分分離膜を通過して供給ガスを加湿することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項３】
前記第２手段の上流に前記液体を加熱する手段を設け、この加熱手段により前記第２手段に導入される液体の温度を前記燃料電池の運転状態に応じて制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項４】
前記燃料電池の冷却に用いられる液体は、アルコール系水溶液からなる不凍液であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項５】
前記燃料電池に前記液体を供給する第１流路と、
前記第２手段に前記液体を供給する第２流路と、
この分岐点に設けられ、前記液体が供給される前記流路を切換える弁とを設け、
この切換弁の作用により第１流路を流通する液体を第２流路に供給するように構成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項６】
前記第１流路と前記第２流路とを接続する第３流路を設け、
前記第２流路内の液体温度が、前記燃料電池に供給されるガスの目標温度より低く、かつ前記弁下流の第１流路内の液体温度より高い場合には、前記液体を第２流路にのみ流通させ、前記加熱手段によって加熱後に前記第２手段に導入し、前記第２流路内の液体温度が、前記燃料電池に供給されるガスの目標温度より低く、かつ前記弁下流の第１流路内の液体温度より低い場合には、前記液体を第１流路から前記第３流路を介して前記第２流路に流通させ、前記第２手段に導入させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項７】
前記第１手段は、排気中に含まれる水分が透過する水蒸気透過膜を備え、
この第１手段に導入された前記排気と供給ガスとの間の熱交換により排気中の水分が凝縮し、水蒸気透過膜を通過して供給ガスを加湿することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項８】
前記第１手段の下流に設置され、第１手段から排出された排気中の水分を回収する第３手段を設け、
この第３手段で回収した水分を前記第２流路中の前記液体に供給し、前記液体の濃度を所定濃度に維持することを特徴とする請求項１または７に記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項９】
前記第１手段と第２手段の間に第１手段から排出された供給ガスを圧縮する手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の加湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電解質膜に固体高分子膜を用いた、いわゆる固体高分子型燃料電池は、固体高分子の一方に水素ガス等の燃料ガスを、他方に空気などの酸化ガスを通流させることにより、電解質膜内を水素イオンが移動して、発電を行うものである。ここで固体高分子膜は、イオン導電性を確保するために所定以上の湿潤状態を維持する必要があり、このため燃料電池システム運転時には燃料電池へ供給されるガスを加湿することで固体高分子膜へ水分を補給し、湿潤状態を維持する技術がある。
【０００３】
この技術の一例として、水回収器とヒータタンクとを一体に設け、ヒータタンクで温度調整した水を用いて酸化ガスと燃料ガスとを加湿するように構成されるものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１‐２６６９１６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術においては、排酸化ガス中の水分を水回収器で水を凝縮させて回収するため水の回収量を確保するためには回収時の排酸化ガスの温度を低減させる必要があり、このために熱交換器を設置しなければならないという問題がある。
【０００６】
したがって、本発明においては、上記課題を鑑みて、熱交換器を設けることなく、水の回収を効率よく行う燃料電池の加湿装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池の加湿装置は、供給されたガス中の水分を固体高分子膜の加湿に用いる燃料電池と、この燃料電池から排出される排気中に含まれる水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第１手段と、前記燃料電池の冷却に用いられる液体の水分により燃料電池に供給されるガスを加湿する第２手段とを備え、燃料電池に供給されるガスの流れ方向に沿って上流側から第１手段、第２手段、燃料電池の順に配置されることを特徴とする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池から排出される高温の排気を低温の燃料電池に供給されるガスとの間で熱交換することで排気温度が低下して排気中の水分が凝縮し、この水分により供給されるガスを加湿することができるため、凝縮のための熱交換器等を設置する必要がない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の加湿装置が適用される燃料電池システムの構成図である。本構成図においては、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとは同じ構成を備えるため、説明を容易にするため一つの構成を代表して記載した。また説明上は、燃料ガスと酸化剤ガスと網羅して供給ガスと称することにする。
【００１０】
燃料電池スタック１は、固体高分子型燃料電池の単セルを積層したスタックであって、前述のように固体高分子膜を所定の湿潤状態に維持する必要がある。本発明では供給ガス中の水分を固体高分子膜に供給することで、湿潤状態を維持するようにする。
【００１１】
供給ガス中に水分を補給する手段として、本発明では、水−ガス加湿器（第２手段）２とガス−ガス水回収装置（第１手段）３とが設置され、これらは供給ガスの流れ方向で燃料電池スタックに対して上流側に設置され、またガス−ガス水回収装置３が、水−ガス加湿器２より上流側に設置される。水−ガス加湿器２は、水分離膜を備え、燃料電池スタック１の冷却水（例えば、不凍液）の水分を供給ガスに補給する。ガス−ガス水回収装置３は水透過膜を備え、燃料電池スタック１から排出された排気中の水分を供給ガスに供給する。これら水−ガス加湿器２、ガス−ガス水回収装置３については、その詳細を後述する。
【００１２】
ガス−ガス水回収装置３に供給される供給ガスは、フィルタ４により不純物が除去されている。またガス−ガス水回収装置３から排出される供給ガスは、コンプレッサ（圧縮手段）５により圧縮されて水−ガス加湿器２に送られ、水−ガス加湿器２から燃料電池スタック１に供給される。供給ガスは、発電に供されてその後、排ガスとしてガス−ガス水回収装置３に導入されて、前述のように供給ガスを加湿するために用いられ、ガス−ガス水回収装置３から排出された排気は、水回収器（第３手段）６で残留した排気中の水分を回収されて外部に放出される。水回収器６で回収された水は、タンク７に貯留される。
【００１３】
タンク７に貯留された水は不凍液と混合して、水−ガス加湿器２において供給ガスを加湿されるために用いられるとともに、燃料電池スタック１を冷却するための冷媒として用いられる。タンク７の不凍液はポンプ８によって三方切換弁９に送られ、不凍液は三方切換弁９の切換えによって、水−ガス加湿器２への供給（図中２ａの流路、第２流路）あるいは燃料電池スタック１を冷却するためのラジエータ１０への供給（図中１０ａの流路、第１流路）とに制御される。
【００１４】
三方切換弁９から水−ガス加湿器２に向かう水は、その経路途中に設置した加熱器１１によって水が所定温度に加熱されて水−ガス加湿器２に供給される。またラジエータ１０に送られた不凍液は、ラジエータで放熱された後、一部は循環ポンプ１２の作用により燃料電池スタック１内の温度を所定温度に維持するために循環して（図中１０ｂの流路、第１流路）燃料電池スタック１と熱交換し、残りはバイパス流路（第３流路）１０ｃを通じて加熱器１１に供給される。燃料電池スタック１から排出された不凍液は、ラジエータ１０の入口側に戻されて、再びラジエータ１０で放熱される。
【００１５】
これまで説明した燃料電池システムの発電量や運転状態を制御するためのコントローラ１３が設置され、このコントローラ１３に燃料電池スタック１の内部温度を検出するためのセンサ１４、燃料電池スタック１に流入する供給ガス温度及び湿度を検出するためのセンサ１５、さらに水−ガス加湿器２に流入する水の温度を検出するためのセンサ１６からの出力が入力される。コントローラ１３はこれら入力値に基づいてコンプレッサ５、ポンプ８、三方切換弁９、加熱手段１１の運転状態を制御する。
【００１６】
次に、図２から図４を用いてガス−ガス水回収装置３の構成の一例を説明する。
【００１７】
この水回収装置３は、中空の円柱状の本体部１７の上下面にそれぞれ本体部１７内部に燃料電池スタック１からの排気を導入するための第１入口パイプ１８と本体部内部から排気を排出するための第１出口パイプ１９を設置する。本体部１７の内部は２枚のポッティング２０ａ、２０ｂにより排気の流れ方向に仕切られた水回収室２１が形成され、この水回収室２１に水蒸気透過膜で形成された中空糸膜２２が複数設置されている。この中空糸膜２２は、パイプ状をしており、中空糸膜２２の内部を排気が通過するように構成される。
【００１８】
本体部１７の側壁には、水回収室２１にフィルタ４を通過した供給ガスを導入するための第２入口パイプ２３と、水回収室２１から供給ガスを排出するための第２出口パイプ２４とが設置される。排気流れ方向下流側に設置された第２入口パイプ２３から水回収室２１に導入された供給ガスは、中空糸膜２２間を流通して上流側に設置された第２出口パイプ２４から排出される。
【００１９】
このように構成されて、燃料電池スタック１から排出される排気中には、多量の水分が含有されており、対して供給ガス中には、例えば酸化ガスとしての空気中には外気相当の水分しか含有されていない。このような２種類のガスが水回収室２１に導入されると、水蒸気分圧差に基づいて排気中の水分が、水回収室２１中に複数設置された中空糸膜２２を介して移動し、供給ガス中の水分量が増加する。このとき中空糸膜２２を複数設置することで、表面積を増大し、効率よく水分の移動を行うことができる。また燃料電池スタック１から排出された排気は高温であり、低温の供給ガスは高温の排気との間で熱交換し、その温度を上昇させ、排気は温度を低下させることができる。また、排気の流れ方向と供給ガスの流れ方向とは対向する流れ方向となるようにガス−ガス水回収装置３が構成されており、効率よく十分に水の回収と熱交換を行うことができる。このようにして排気温度は、第１出口パイプ１９から排出されるときには燃料電池スタック１に供給される供給ガスの温度と略同温とすることができる。
【００２０】
次に、図５から図７を用いて水−ガス加湿器２の構成の一例を説明する。構成としては図２から図４に示したガス−ガス水回収装置３と同様であるが、中空糸膜２５は水分離膜で構成されている。また、第３入口パイプ２６と第３出口パイプ２７を流入出する媒体は、ガス−ガス水回収装置３から排出されて燃料電池スタック１に供給される供給ガスであり、第４入口パイプ２８と第４出口パイプ２９から流入出する媒体は、加熱器１１から排出された液体、例えばアルコールを含んだ不凍液となる。
【００２１】
ここで、中空糸膜２５を構成する水分離膜は、不凍液中のアルコールを透過せず、水のみを透過させる特性を有するものであり、水回収室３０では不凍液中の水分が中空糸膜２５を透過して供給ガス中に蒸発する。このようにして供給ガスは、第３出口パイプ２７部では不凍液の湿度と略同等の露点近くにまで加湿された状態となる。不凍液は加熱器１１によって加熱された高温状態となっており、不凍液の熱によって供給ガスが加熱され、ほぼ不凍液と同等の温度にまで昇温し、燃料電池スタック１の供給される。このとき、供給ガスの流れ方向と不凍液の流れ方向とが対向する方向となるように構成されているため、効率よく熱の交換が可能となる。
【００２２】
図８と図９は、ガス−ガス水回収装置３から排出された排気中の水分を回収するための水回収装置６の構成の一例を示すものである。水回収装置６は、ガス−ガス水回収装置３から排出された排気は、中空の円柱状の本体部３１の上下面にそれぞれ排気排出パイプ３２と水パイプ３３を設置する。更に本体部３１の側面にガス−ガス水回収装置３から排出された排気を本体部３１内に導入するための排気導入パイプ３４が、本体部３１の接線方向に延設される。このように構成することで、本体内部に導入された排気は旋回流となり、旋回流による遠心分離作用により排気中の水分を分離し、本体部下面に形成した水パイプ３３からタンク７に分離した水を排出する一方、水分を分離された排気は本体部３１の上面に設けられた排気排出パイプ３２から外部に排出される。
【００２３】
以下、本発明の加湿装置の作用について説明する。
【００２４】
コンプレッサ５の運転により、供給ガス、例えば空気が吸引されてフィルタ４に導入される。空気はフィルタ４によりダスト等をろ過されてガス−ガス水回収装置３に導入される。この水回収装置３では燃料電池スタック１から排出された排気との間で、両者間の温度差及び水蒸気分圧差に基づき、前述のような熱の移動と水分の移動が行われる。ここで、水回収装置３はコンプレッサ４の上流に位置するため、コンプレッサ４の運転により水回収装置３に導入される供給ガスの圧力は低くなり、より大きな水蒸気分圧差を確保することができる。また水回収装置３での熱交換により排気温度は、水回収装置３に導入直後の供給ガス温度と同等となり、水回収装置３の下流に設置された水回収装置６で十分な水分凝縮が可能となる。
【００２５】
またシステムが高負荷運転された時には、燃料電池スタック１の排気の温度が高くなることで供給ガス温度も高くなり、供給ガス中に含有できる水分量が増加するため、ガス−ガス水回収装置３での供給ガスへの加湿量が不足する可能性がある。このような場合には、コンプレッサ４の下流に設置された水−ガス加湿器２により供給ガスの水分の不足分を補うようにする。水−ガス加湿器２に導入される不凍液は、加熱器１１によって高温状態となっており、この高温の不凍液と供給ガスが熱交換することで、供給ガスは不凍液とほぼ同じ温度にまで昇温される。したがって、燃料電池スタック１の運転状態に応じて設定される供給ガスの要求温度となるように不凍液を加熱器１１により要求温度まで加熱することで、不凍液との熱交換により供給ガス温度を要求温度に制御することができる。
【００２６】
つまり、燃料電池スタック１の運転状態に応じて供給ガスの目標温度と目標湿度を算出し、この目標値とセンサ１５の検出値とを比較し、湿度が目標値より低い場合には、加熱器１１で不凍液を加熱して供給ガスへの水分の移動を促進し、温度が目標値より低い場合にも不凍液を加熱器１１で加熱して、不凍液から供給ガスへの熱移動を促進して供給ガスの温度を高める。このような制御によって、システムの始動時や過渡時においても燃料電池スタックの運転状態を適性に維持することができる。
【００２７】
不凍液中に含まれるアルコール等の成分は、燃料電池スタック１の電解質膜に影響を及ぼす成分が含まれており、水のみを抽出して供給ガスを加湿させたいため、水−ガス加湿器２に不凍液中の水のみを透過する水分離膜を設置して、水のみを供給ガスに供給するようにする。
【００２８】
また、水−ガス加湿器２で不凍液中の水分が供給ガスに供給されることにより、不凍液の濃度が上昇することになるが、水−ガス加湿器２に導入される供給ガスは、ガス−ガス水回収装置３での加湿を行った後の供給ガスであり、水−ガス加湿器２での加湿量は少ないこと、また水回収装置７で回収した水分をタンク７に溜め、タンクに貯留した水を不凍液を混合することで不凍液の濃度が低下されることから不凍液の濃度が濃くなることを防止できる。このようにして、燃料電池システム中の純水量を最小限度に抑制することができ、氷点下からの始動時においても解氷に必要なエネルギを省くことができ、始動性を向上できる。
【００２９】
供給ガスを水−ガス加湿器２に圧縮供給するコンプレッサ５においても、供給ガスは圧縮により温度上昇し、コンプレッサ５から送られる供給ガスの温度が燃料電池スタックの要求ガス温度より高い場合には、水−ガス加湿器２において、供給ガスの温度を奪うことで供給ガスの温度を適性に制御することが可能である。
【００３０】
コントローラ１３が、システムを氷点下時から起動する際に実施する制御内容について説明する。通常の燃料電池システムでは、供給ガス加湿用に純水を貯留しているため、この純水が凍結している場合には、解氷するまで供給ガスを加湿することができない。しかしながら本発明においては、三方切換弁９が不凍液を加熱器１１に供給するように制御することで、速やかに供給ガスの湿度及び温度を要求条件にすることができ、燃料電池スタックを始動性を向上できる。
【００３１】
また加熱器１１は、常時運転しておくと効率が低下するため、センサ１６で検出される水−ガス加湿器２に導入される不凍液温度が、燃料電池スタック１の目標供給ガス温度より低く、かつ燃料電池スタック１を冷却するために用いられる不凍液（ラジエータ１０下流の不凍液）の温度より高い場合には、不凍液を三方切換弁９から直接加熱器１１に導入するように三方切換弁９を制御し、加熱器１１で不凍液を加熱し、目標水温となるように制御する。一方、水−ガス加湿器２に導入される不凍液温度が、燃料電池スタック１の目標供給ガス温度より低く、かつ燃料電池スタック１を冷却するために用いられる不凍液温度より低い場合には、三方切換弁９を不凍液がラジエータ１０を経由して停止した加熱器１１に導入されるように切換えて、不凍液の廃熱により不凍液の温度を維持する。水−ガス加湿器２に導入する不凍液経路に燃料電池スタック１を冷却するための不凍液の一部を導入可能に構成したので、水−ガス加湿器２に導入される不凍液の温度制御を容易にすることができる。また、水−ガス加湿器２に導入される不凍液の水量を多くすることができるので、供給ガスへの加湿量を多くすることができる。また、供給ガスを速やかに昇温、あるいは温度を維持させることができる。
【００３２】
この時のコントローラ１３の制御内容を図１０のフローチャートに示す。
【００３３】
まずステップ１で燃料電池スタック１に供給される供給ガスの温度と湿度が目標値以下かどうかを判定し、少なくともいずれか一方が目標値以下であればステップ２に進み、ポンプ８を稼動させ、いずれもが目標値を超えている場合にはステップ３に進み、ポンプ８を停止させて制御を終える。
【００３４】
ステップ２に続くステップ４では、水−ガス加湿器２に導入される不凍液温度が燃料電池スタック１を冷却する不凍液温度以上かどうかを判定し、以上の場合にはステップ５に進み、不凍液を三方切換弁９から加熱器１１に直接導入するように三方切換弁９を切換えるとともに、加熱器１１を作動させて不凍液を加熱する。一方、水−ガス加湿器２に導入される不凍液温度が低い場合には、不凍液をラジエータ１０に導入するように三方切換弁９を切換え、加熱器１１の運転を停止させる。
【００３５】
したがって、本発明においては、供給ガスの流れ方向で上流側からガス−ガス水回収装置３、コンプレッサ５、水−ガス加湿器２の順に燃料電池スタック１の上流側に配置したことにより、燃料電池スタックから排出される排気をガス−ガス水回収装置３へ導入し、ガス−ガス水回収装置３に導入された供給ガスとの間で熱交換させることができる。これにより排気の温度は、供給ガス温度とほぼ同じ温度にすることができ、熱交換器等を設置することなく、排気中に含まれた水分を凝縮、回収することができる。
【００３６】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の供給ガス加湿装置のシステム図である。
【図２】ガス−ガス水回収装置３の構成図である。
【図３】ガス−ガス水回収装置３の断面図である。
【図４】同じくガス−ガス水回収装置３の他の断面図である。
【図５】水−ガス加湿器２の構成図である。
【図６】水−ガス加湿器２の断面図である。
【図７】同じく水−ガス加湿器２の他の断面図である。
【図８】水回収装置６の正面図である。
【図９】同じく水回収装置６の平面図である。
【図１０】コントローラ１６の制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  水−ガス加湿器
３  ガス−ガス水回収装置
４  フィルタ
５  コンプレッサ
６  水回収器
９  三方切換弁
１０  ラジエータ
１０ａ  流路
１０ｂ  流路
１０ｃ  流路
１１  加熱器
１３  コントローラ
２２  中空糸膜
２５  中空糸膜
【図１】
2004152725.tif 000003
【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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