(57)【要約】【課題】簡単な工程で、加湿器と燃料電池とを連結する管路内で加湿水が結露することを確実に阻止することを可能にする。【解決手段】酸化剤ガス供給源１４から供給される酸化剤ガスは、加湿器５２を介して加湿された後、配管５４ｂから燃料電池スタック１２に供給される。その際、湿度センサ７２により酸化剤ガスの露点が検出される一方、第１乃至第３温度センサ７４ａ、７４ｂおよび７４ｃを介して配管５４ｂの内壁温度が検出される。そして、酸化剤ガスの露点が内壁温度よりも高い際には、電磁バルブ５８を開放してバイパス回路５６を開き、酸化剤ガスの加湿量を減少させる。このため、酸化剤ガスの露点が低下し、この酸化剤ガスの露点は、常に、内壁温度よりも低く維持される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを加湿する加湿器と燃料電池とを配管で連結し、前記加湿器をバイパスするバイパス回路を開閉して前記燃料電池に供給される前記反応ガスの加湿制御を行う燃料電池の反応ガス供給方法であって、
前記配管の内壁温度を検出する工程と、
前記配管内の前記反応ガスの露点を検出する工程と、
検出された前記内壁温度と前記反応ガスの露点とを比較する工程と、
検出された前記内壁温度が前記反応ガスの露点よりも高くなるように、前記バイパス回路を開閉制御する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の反応ガス供給方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の反応ガス供給方法において、前記配管の外部の外気温度を検出する工程と、
前記外気温度が前記内壁温度よりも低い際、前記バイパス回路を開閉制御して前記反応ガスの加湿量を調整する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の反応ガス供給方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池の反応ガス供給方法において、前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする燃料電池の反応ガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応ガスを加湿する加湿器と燃料電池とを配管で連結し、前記加湿器をバイパスするバイパス回路を開閉して前記燃料電池に供給される前記反応ガスの加湿制御を行う燃料電池の反応ガス供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極接合体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
通常、アノード側電極およびカソード側電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、電解質を加湿するために水蒸気を含む流体として燃料電池スタックに設けられた反応ガス流路に導入されている。具体的には、例えば、反応ガスを加湿する加湿器と燃料電池とを配管で連結するとともに、前記加湿器をバイパスするバイパス回路を備えた加湿機構を介し、前記反応ガスを加湿制御して前記燃料電池に供給する燃料電池用加湿システムが知られている（特開２００１−２１６９８４号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特に燃料電池スタックを高出力運転する際、燃料電池スタック端部の燃料電池に電圧低下現象が発生し易く、所望の高出力化を図ることができない場合がある。すなわち、加湿器から配管に投入される反応ガスに含まれる水分が、燃料電池スタックに到達する前に結露してしまい、結露水が燃料電池スタック端部の燃料電池内に集中して導入され易いからである。これにより、燃料電池スタック端部の燃料電池は、良好に発電することができず、燃料電池スタックの発電能力を十分に発揮させることができないという問題がある。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、加湿器と燃料電池とを連結する配管内で加湿水が結露することを確実に阻止し、所望の発電能力を有効に発揮させることが可能な燃料電池の反応ガス供給方法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】
本発明の請求項１に係る燃料電池の反応ガス供給方法では、反応ガスを加湿する加湿器と燃料電池とを連結する配管の内壁温度と、前記配管内の反応ガスの露点とが検出され、この内壁温度と前記反応ガスの露点とが比較される。そして、内壁温度が反応ガスの露点よりも高くなるように、加湿器をバイパスするバイパス回路を開閉制御する。
【０００８】
具体的には、反応ガスの露点が内壁温度よりも高い際には、バイパス回路を開放して前記反応ガスの加湿量を減少させる。このため、反応ガスの露点が低下して内壁温度よりも低くなり、前記反応ガスに含まれる水分が配管内壁で結露することを阻止できる。これにより、特に配管の近傍に配置された燃料電池に結露水が導入されることがなく、この燃料電池の電圧低下現象を阻止して所望の発電能力を有効に発揮させることが可能になる。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池の反応ガス供給方法では、配管の外部の外気温度が検出され、この外気温度が内壁温度よりも低い際に、バイパス回路を開閉制御して反応ガスの加湿量が調整される。このため、外気温度が低下することにより配管内壁に結露が発生することを有効に阻止することができる。
【００１０】
その際、外気温度と内壁温度との関係を予めマップ化しておくと、急激な外気温度の変化に対しても、常に、内壁温度が反応ガスの露点よりも高くなる関係を維持することが可能である。
【００１１】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池の反応ガス供給方法では、前記燃料電池が固体高分子型燃料電池であり、結露水の発生が阻止されることによって、良好な発電性能を維持することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の反応ガス供給方法を実施するための燃料電池システム１０の概略構成説明図である。
【００１３】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、反応ガス、例えば、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給源１４と、前記酸化剤ガス供給源１４から供給される前記酸化剤ガスを加湿する加湿機構１６と、前記燃料電池スタック１２と前記加湿機構１６との間に配設されて該燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガスの加湿状態を調整する制御部１８とを備える。
【００１４】
燃料電池スタック１２は、矢印Ａ方向に積層される複数の燃料電池２０を備える。図２に示すように、燃料電池２０は、電解質膜・電極接合体２２と、例えば、金属板材で形成されて前記電解質膜・電極接合体２２を挟持する第１および第２セパレータ２４、２６とを設ける。電解質膜・電極接合体２２と第１および第２セパレータ２４、２６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２８が介装されている。
【００１５】
燃料電池２０の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１６】
燃料電池２０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００１７】
電解質膜・電極接合体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００１８】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００１９】
シール部材２８の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４５が形成されている。なお、シール部材２８に代替して、第１および第２セパレータ２４、２６にシールを焼き付け等によって設けてもよい。
【００２０】
第１セパレータ２４の電解質膜・電極接合体２２側の面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。
【００２１】
第２セパレータ２６の電解質膜・電極接合体２２側の面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。第２セパレータ２６の面２６ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。
【００２２】
図１に示すように、加湿機構１６は、加湿器５２を備えており、この加湿器５２と酸化剤ガス供給源１４とが配管５４ａにより接続されるとともに、前記加湿器５２と燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔３０ａとが配管５４ｂにより接続される。配管５４ａ、５４ｂには、加湿器５２を迂回してバイパス回路５６が連通し、このバイパス回路５６に電磁バルブ５８が配置される。
【００２３】
加湿器５２は、図３に示すように、中空糸膜モジュール６０を備え、この中空糸膜モジュール６０を構成するハウジング６２内には、水透過性の中空糸膜を束ねて構成された中空糸膜束６４が収容される。中空糸膜は、開口径が数ｎｍの微細な毛管を多数有しており、毛管中では蒸気圧が低下して水分の凝縮が惹起され、この凝縮した水分が、毛管現象により吸い出されて水が中空糸膜を透過するように構成されている。
【００２４】
ハウジング６２の長手方向（矢印Ｄ方向）の一端縁部には、低加湿の酸化剤ガスをこのハウジング６２内に導入する複数の酸化剤ガス流入口６６ａが形成される。ハウジング６２の長手方向他端縁部には、加湿された酸化剤ガスを導出するための複数の酸化剤ガス流出口６６ｂが形成される。ハウジング６２内には、中空糸膜束６４の長手方向両端に位置して、酸化剤ガス流入口６６ａの近傍にポッティング部６８ａが設けられ、酸化剤ガス流出口６６ｂの近傍にポッティング部６８ｂが設けられる。
【００２５】
ポッティング部６８ｂの外側には、加湿ガス流入口７０ａが形成される一方、ポッティング部６８ａの外側には、加湿ガス流出口７０ｂが形成される。加湿ガス流入口７０ａには、湿潤気体、例えば、オフガス（反応後の排出反応ガス）が供給されるものであり、この加湿ガス流入口７０ａは、例えば、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通している。
【００２６】
図１に示すように、制御部１８は、配管５４ｂの内壁に設置される湿度センサ７２並びに第１乃至第３温度センサ７４ａ、７４ｂおよび７４ｃと、前記配管５４ｂの外部に配置される外気温度検出用の第４温度センサ７４ｄと、前記湿度センサ７２および前記第１乃至第４温度センサ７４ａ〜７４ｄからの計測結果が導入されるとともに、電磁バルブ５８の開閉制御を行うコントロールユニット７６とを備える。
【００２７】
なお、本実施形態では、酸化剤ガス供給源１４と燃料電池スタック１２との間に加湿機構１６および制御部１８が設けられているが、燃料ガス供給源（図示せず）側にも同様に加湿機構および制御部を設けてもよい。
【００２８】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本実施形態に係る反応ガス供給方法との関連で、以下に説明する。
【００２９】
まず、燃料電池２０では、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３０】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極接合体２２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２セパレータ２６の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極接合体２２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００３１】
従って、各電解質膜・電極接合体２２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３２】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３３】
また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ２６の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極接合体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。
【００３４】
ところで、図１に示すように、酸化剤ガス供給源１４から燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガスは、配管５４ａ、５４ｂ間に配置されている加湿器５２で加湿されている。具体的には、図３に示すように、低加湿の酸化剤ガスは、酸化剤ガス流入口６６ａからハウジング６２内に流入され、中空糸膜束６４を構成する各中空糸膜の外側を矢印Ｄ１方向に流通する。一方、燃料電池スタック１２から排出される加湿された酸化剤ガス（以下、オフガスともいう）は、加湿ガス流入口７０ａに供給され、ポッティング部６８ｂから各中空糸膜の内側を矢印Ｄ２方向に流通する。
【００３５】
このため、中空糸膜の内側を流通するオフガスから分離された水分が、この中空糸膜を透過して外側に移動し、前記中空糸膜の外側を流通する低加湿の酸化剤ガスを加湿する。この加湿された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流出口６６ｂから配管５４ｂに導入され、燃料電池スタック１２に供給される。
【００３６】
次いで、制御部１８による加湿制御について、図４に示すフロチャートに沿って以下に説明する。
【００３７】
図１に示すように、配管５４ｂの内壁には、加湿器５２から燃料電池スタック１２に向かって、湿度センサ７２、第１乃至第３温度センサ７４ａ、７４ｂおよび７４ｃが、順次、設置されている。
【００３８】
そこで、湿度センサ７２は、加湿器５２から導出された酸化剤ガスの湿度（露点）を計測し、この計測結果がコントロールユニット７６に送られる。第１乃至第３温度センサ７４ａ、７４ｂおよび７４ｃは、それぞれ配管５４ｂの内壁温度を検出し、その検出結果をコントロールユニット７６に伝達する（ステップＳ１）。
【００３９】
コントロールユニット７６では、第１乃至第３温度センサ７４ａ、７４ｂおよび７４ｃから検出された内壁温度の最小値と、加湿器５２から導出される酸化剤ガスの露点とが比較され、内壁温度＞ガス露点の関係にあるか否かが判断される（ステップＳ２）。そして、内壁温度がガス露点よりも高い温度であれば（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、配管５４ｂ内での結露が発生することがないため、加湿器５２による酸化剤ガスの加湿が継続して行われ、燃料電池スタック１２に加湿された酸化剤ガスが供給される。
【００４０】
一方、内壁温度がガス露点よりも小さい（低温である）と判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ３に進んで、電磁バルブ５８の開閉制御が行われる。その際、コントロールユニット７６には、内壁温度とガス露点の差に応じた電磁バルブ５８の開度がマップとして記憶されており、このマップに沿って前記電磁バルブ５８の開度制御が行われる。
【００４１】
この場合、電磁バルブ５８が開放されると、酸化剤ガス供給源１４から供給される低加湿の酸化剤ガスの一部がバイパス回路５６を通って配管５４ｂに導入される。このため、加湿器５２により加湿される酸化剤ガスの加湿量が減少し、酸化剤ガス全体の露点が低くなる。一方、電磁バルブ５８が閉じられると、酸化剤ガスが加湿器５２を介して十分に加湿されるために加湿量が増加し、この酸化剤ガスの露点が高くなる。
【００４２】
これにより、配管５４ｂ内では、常に、内壁温度＞ガス露点の関係が維持され、燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガス中に水が混入することを確実に阻止することができるという効果が得られる。従って、例えば、高出力運転時において、特に燃料電池スタック１２の端部側に配設された燃料電池２０に電圧低下現象が惹起されることがなく、前記燃料電池スタック１２の発電能力を十分に発揮することが可能になる。
【００４３】
また、本実施形態では、コントロールユニット７６により、第４温度センサ７４ｄを介して外気温度（雰囲気温度）が計測されている。コントロールユニット７６は、この外気温度と第１乃至第３温度センサ７４ａ、７４ｂおよび７４ｃから検出される内壁温度とを比較し、内壁温度＞外気温度となる際に、電磁バルブ５８の開閉制御が行われる。
【００４４】
具体的には、例えば、図５に示すように、内壁温度と外気温度との温度差Δｔによる加湿量の変化が、予めマップにより記憶されており、外気温度が低下した際に、加湿量の調整が行われる。その際、種々の内壁温度（例えば、５０℃、６０℃、７０℃…）に応じて異なるマップが予め作成されている。これにより、急激な外気温度の変化に対しても、内壁温度の変化を予想して、常に、内壁温度＞ガス露点の関係を維持することができ、配管５４ｂの内壁で加湿水が結露することを確実に防止することが可能になる。
【００４５】
なお、本実施形態では、加湿器５２として中空糸膜モジュール６０を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、図６に示す平膜型加湿器８０を用いてもよい。
【００４６】
この平膜型加湿器８０は、供給板８２と水透過膜８４とを交互に配設して構成されている。供給板８２には、一方の面に蛇行する反応ガス通路８６が形成されるとともに、他方の面に蛇行する加湿用水路８８が形成される。水透過膜８４を挟んで互いに対向する供給板８２は、前記水透過膜８４の両側に反応ガス通路８６と加湿用水路８８とが対向して配置される。
【００４７】
平膜型加湿器８０の下部一端側には、加湿用水路８８に加湿水（またはオフガス）を供給するための加湿水導入口９０が設けられるとともに、前記平膜型加湿器８０の下部他端側には、反応ガス、例えば、酸化剤ガスを反応ガス通路８６に導入するための酸化剤ガス導入口９２が設けられる。平膜型加湿器８０の上部一端側には、加湿水（またはオフガス）を外部に導出するための加湿水導出口９４と、加湿後の酸化剤ガスを図示しない燃料電池に送り出すための酸化剤ガス導出口９６とが設けられる。
【００４８】
このように構成される平膜型加湿器８０では、酸化剤ガス導入口９２に低加湿の酸化剤ガスが供給されると、この酸化剤ガスは反応ガス通路８６に導入され、蛇行しながら反重力方向に移動する。一方、加湿水導入口９０に供給された加湿水（またはオフガス）は、加湿用水路８８に導入され、蛇行しながら反重力方向に移動する。
【００４９】
このため、加湿用水路８８に供給された加湿水（またはオフガス中の水分）が、水透過膜８４を透過して反応ガス通路８６に移動する。従って、この反応ガス通路８６に供給された酸化剤ガスが加湿され、加湿された酸化剤ガスが酸化剤ガス導出口９６から燃料電池２０（図１および図２参照）に供給される。
【００５０】
従って、平膜型加湿器８０は、酸化剤ガス（および／または燃料ガス）を確実に加湿することができ、中空糸膜モジュール６０と同様の機能を達成することが可能になる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池の反応ガス供給方法では、反応ガスを加湿する加湿器と燃料電池とを連結する配管の内壁温度が、反応ガスの露点よりも高くなるように制御されるため、前記反応ガスに含まれる水分が配管内壁で結露することがない。これにより、特に配管の近傍に配置された燃料電池に結露水が導入されることがなく、この燃料電池の電圧低下現象を阻止して所望の発電能力を有効に発揮させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の反応ガス供給方法を実施するための燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】燃料電池システムを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する加湿器の一部断面説明図である。
【図４】前記反応ガス供給方法を説明するフロチャートである。
【図５】内壁温度と外気温度の温度差と、加湿量との関係を示すマップの一例を示す図である。
【図６】平膜型加湿器の一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム　　　　　　１２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給源　　　　　　１６…加湿機構
１８…制御部　　　　　　　　　　　２０…燃料電池
２２…電解質膜・電極接合体　　　　２４、２６…セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔　　　３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３２ａ…冷却媒体供給連通孔　　　　３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔　　　　３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６…固体高分子電解質膜　　　　　３８…アノード側電極
４０…カソード側電極　　　　　　　４６…酸化剤ガス流路
４８…燃料ガス流路　　　　　　　　５０…冷却媒体流路
５２…加湿器　　　　　　　　　　　５４ａ、５４ｂ…配管
５６…バイパス回路　　　　　　　　５８…電磁バルブ
６０…中空糸膜モジュール　　　　　７２…湿度センサ
７４ａ〜７４ｄ…温度センサ　　　　７６…コントロールユニット
８０…平膜型加湿器
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004047154.tif 000005
【図４】
2004047154.tif 000006
【図５】
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【図６】
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