(57)【要約】【課題】電気部品点数や消費電力を増加させる事なしに、加湿量を適正に制御可能な加湿器および同加湿器を用いた固体高分子電解質形燃料電池とその運転方法を提供する。【解決手段】加湿水によりガスを加湿する加湿ユニット（１ａ，１ｂ）が複数個、重力方向に並んで配置されてなる加湿器であって、前記各々の加湿ユニットを接続するガス配管および加湿水配管が、それぞれ並列に接続されてなるものとし、この加湿器１を燃料電池の反応ガスの加湿に用いる。また、前記加湿水として燃料電池冷却水を用い、電池出力を減少させた際に、電池冷却水ポンプ１５の吐出圧力を減少させることにより、前記反応ガスの加湿量を減少させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿水によりガスを加湿する加湿ユニットが複数個、重力方向に並んで配置されてなる加湿器であって、前記各々の加湿ユニットを接続するガス配管および加湿水配管が、それぞれ並列に接続されてなることを特徴とする加湿器。
【請求項２】
請求項１に記載の加湿器において、ガスの加湿量を、前記加湿水を送水するポンプの吐出圧力により制御する制御装置を備えることを特徴とする加湿器。
【請求項３】
請求項２に記載の加湿器を燃料電池の反応ガスの加湿に用いることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の固体高分子電解質形燃料電池において、前記加湿水として、燃料電池冷却水を用いることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の固体高分子電解質形燃料電池の運転方法において、電池出力を減少させた際に、電池冷却水ポンプの吐出圧力を減少させることにより、前記反応ガスの加湿量を減少させることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスを加湿するための加湿器および同加湿器を用いた固体高分子電解質形燃料電池とその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質形燃料電池の電解質膜として用いられる高分子イオン交換膜は、飽和に含水させることによりプロトン導電性電解質として機能する。したがって、固体高分子形燃料電池の運転に際しては、加湿手段を用いて水分を添加した反応ガスを燃料電池本体に供給することによって高分子イオン交換膜を湿潤に保持している。この反応ガスの加湿手段としては、反応ガスと水をその間に蒸気透過膜を介して通流させ、反応ガスへ水を添加する加湿セルの方式が一般に用いられている。
【０００３】
図３は、従来の固体高分子電解質形燃料電池の燃料電池本体の基本構成と反応ガスとして供給される燃料ガスと反応空気の流れの一例を示す系統図である。
【０００４】
このうち加湿器１は、水透過膜２の両面に加湿セル水流路をもつ加湿水セパレータ３と加湿空気流路もつ加湿空気セパレータ４を備えてなる加湿セル５を複数個積層して構成されている。
【０００５】
また、電池スタック６は燃料電池セル７を複数積層して構成されており、各燃料電池セル７は、電解質膜と燃料極触媒層と空気極触媒層が一体化されたMEA（Membrane and Electrode Assembly）８と、その両面に配された空気セパレータ９と燃料極セパレータ１０、ならびに電池冷却水を通流させる電池冷却板１１からなる。
【０００６】
反応ガスとしての燃料ガスは、燃料ガス供給管１２を通して電池スタックへ直接送られ、分流して各燃料電池セルの燃料極セパレータ１０を流れたのち燃料極オフガスとして排出される。
【０００７】
これに対して、もう一方の反応ガスである反応空気は、加湿用空気供給管１３を通して加湿器に供給され、複数の加湿セル５の加湿空気流路を分流して流れたのち、一括して電池スタック６へ送られ、再び分流して複数の燃料電池セルの空気セパレータ９を流れたのち空気極オフガスとして排出される。
【０００８】
電池スタック６の温度を所定の運転温度に保持するための冷却水は、冷却水ポンプ１５により、冷却水供給管１４を通して加湿器１へと送られ、分流して各加湿セル５の加湿セル水流路を流れる。加湿セル５を出た冷却水は、一括して電池スタック６へ送られ、再び分流して複数の燃料電池セル７の電池冷却板１１を流れたのち燃料電池本体の外部へ排出される。したがって、反応空気は、加湿セル５の加湿空気流路を流れる際に加湿セル水流路を流れる冷却水の水蒸気を水透過膜２を介して吸収し、加湿された空気として電池スタックの各燃料電池セル７へ送られることとなる。これによって、各燃料電池セルのMEA８、特に電解質膜は飽和に含水し、プロトン導電性電解質としての機能を果たすこととなる。
【０００９】
水透過膜２の両面に加湿セル水流路と加湿空気流路を配して構成される上記のごとき加湿セルにおいては、加湿セル水流路を流れる水の温度と加湿空気流路を流れる空気の流量によって空気の加湿特性が定まる。一般に、水温が高くなるほど空気中の水蒸気分圧も高くなる。また、空気流量が減少するにしたがって空気中の水蒸気分圧が高くなり、水温での飽和水蒸気圧でほぼ一定となる。
【００１０】
図３のごとく構成した燃料電池システムの場合には、水分の凝縮による燃料電池セル７のガス流路の閉塞を回避するために、加湿後の空気の水蒸気分圧を冷却水温度での飽和水蒸気分圧よりも低い値に設定して用いる。このとき、冷却水温度は燃料電池セルの運転条件として定められた電池冷却水温度によって決まり、反応空気の所要流量も燃料電池セルの運転条件で決まるので、加湿器１の加湿セル５の数を適切な値に選定することによって所定の水蒸気分圧を得る方法が採られる。
【００１１】
なお、図３に示した従来例では、加湿器１と電池スタック６を分離して構成してあるが、加湿器と電池スタックを一体に積層して燃料電池本体が構成することも可能である。
【００１２】
上述のごとく固体高分子電解質形燃料電池においては、燃料電池本体に供給する酸化剤ガス等の反応ガスに加湿手段を用いて水分を添加し、高分子イオン交換膜を湿潤に保持して運転する方法が採られている。このとき、燃料電池本体の電池冷却水温度および反応ガスの所要供給流量に基づいて加湿手段のセル数を選定し、所定の水蒸気分圧を得ている。
【００１３】
しかしながら、この加湿手段のセル数は一般に燃料電池本体の定格運転条件で最適化されるので、定格運転時には反応ガスは所定の水蒸気分圧で燃料電池本体へ供給されるが、燃料電池本体の所要反応ガス流量が低下する部分負荷時には、加湿手段の各セルに流れるガス流量が減少するにもかかわらず冷却水温度は一定に保持されるので、加湿手段を通流したガスの水蒸気分圧は定格運転時より高くなる。水蒸気分圧の上昇が過大になると、所定の電池冷却水温度で冷却されている燃料電池本体の内部において水分の凝縮が起こり、ガス流路が閉塞して、燃料電池セル内部で反応ガスの流れの不等配が生じ、出力電圧が低下したり、不安定となる等の特性低下を引き起こすこととなる。
【００１４】
このような問題を解決する方法として、特許文献１には、加湿器をバイパスする配管と流量調節弁を設け加湿量を調節する方法が提案されている。即ち、特許文献１の記載によれば、「電池スタック部に供給する反応空気を、流量調節弁を備えた加湿用空気供給管と、流量調節弁を備えた無加湿用空気供給管に分流して供給し、流量調節弁の開度を制御器により負荷電流に基づいて制御することによって、反応空気中の水分量を制御する」旨の方法である。
【００１５】
しかしながら、特許文献１に開示された上記方法においては、流量調節弁やその制御装置が必要であり、そのため、電気部品点数が増加し、電気部品の消費電力の増大による発電効率の低下、および発電装置のコストアップをもたらす問題がある。
【特許文献１】特開２００２−１４１０８５号公報（第３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、電気部品点数や消費電力を増加させる事なしに、加湿量を適正に制御可能な加湿器および同加湿器を用いた固体高分子電解質形燃料電池とその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題は、以下により達成される。即ち、加湿水によりガスを加湿する加湿ユニットが複数個、重力方向に並んで配置されてなる加湿器であって、前記各々の加湿ユニットを接続するガス配管および加湿水配管が、それぞれ並列に接続されてなることを特徴とする（請求項１）。
【００１８】
また、前記請求項１に記載の加湿器において、ガスの加湿量を、前記加湿水を送水するポンプの吐出圧力により制御する制御装置を備えることを特徴とする（請求項２）。
【００１９】
上記構成によれば、加湿水の吐出圧力が大きいときには、加湿水はすべての加湿ユニットに供給され、加湿量は最大となる。加湿水の吐出圧力が小さい時には、加湿水は重力方向の下方にある加湿ユニットのみに供給され、重力方向の上方にある加湿ユニットには供給されない。このとき、重力方向の上方にある加湿ユニットにはガスのみ供給されるため、上方のユニットではガスは加湿されない。従って、加湿量は、加湿水がすべての加湿ユニットに供給されたときよりも少なくなる。
【００２０】
さらに、前記発明の加湿器は、固体高分子電解質形燃料電池用の加湿器として好適であり、即ち、当該発明としては、前記請求項２に記載の加湿器を燃料電池の反応ガスの加湿に用いることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池（請求項３）が好ましい。
【００２１】
また、上記請求項３の発明の実施態様としては、下記請求項４ないし５の発明が好ましい。即ち、前記請求項３に記載の固体高分子電解質形燃料電池において、前記加湿水として、燃料電池冷却水を用いることを特徴とする（請求項４）。さらに、請求項４に記載の固体高分子電解質形燃料電池の運転方法において、電池出力を減少させた際に、電池冷却水ポンプの吐出圧力を減少させることにより、前記反応ガスの加湿量を減少させることを特徴とする（請求項５）。
【００２２】
上記によれば、電池出力を低下させたとき、電池出力の低下に応じて電池の冷却水ポンプの吐出圧力を低下させる。このとき、上述したように加湿量が低下する。すなわち、電池出力の低下により反応ガスの流量が低下しても、加湿器の加湿効率が低下するため、ガスに過剰な加湿を行わないですむ。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、電気部品点数や消費電力を増加させる事なしに、加湿量を適正に制御可能な加湿器および同加湿器を用いた固体高分子電解質形燃料電池とその運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、この発明の実施形態に関して、図１および図２に基いて説明する。
【００２５】
（実施形態１）
図１は、本発明の固体高分子電解質形燃料電池の模式的システム構成図である。図１において、図３に示す部材と同一機能部材には、同一番号を付してその詳細説明を省略する。
【００２６】
図１において、水透過膜として、有効面積100cm2のナフィオンN−117（米国  デュポン社製  商品名）を使用し、カーボン板に流路溝を加工した加湿水セパレータ３と加湿空気セパレータ４で水透過膜２を挟み込んで加湿セル５を構成した。この加湿セルを４セル積層して、加湿ユニット（１）１ａを製作した。
【００２７】
全く同様に構成した加湿ユニット（２）１ｂを製作し、加湿ユニット（１）１ａの重力方向に対して上方に設置した。加湿ユニット（１）１ａと加湿ユニット（２）１ｂの乾燥空気入口配管同士を並列に接続するとともに、冷却水（加湿水）の入口配管同士を並列に接続した。さらに、加湿ユニット（１）１ａと加湿ユニット（２）１ｂの加湿空気出口配管同士を並列に接続するとともに、冷却水の出口配管同士を並列に接続した。
【００２８】
このようにして並列に接続された冷却水出口配管および加湿空気出口配管を、それぞれ、燃料電池スタック６の冷却水入口と加湿空気入口に接続した。冷却水（加湿水）は冷却水ポンプ１５より送水し、運転状態に応じて冷却水ポンプ１５の吐出圧力を制御した。
【００２９】
加湿ユニット（１）１ａ、加湿ユニット（２）１ｂの設置位置は、冷却水ポンプ１５出口から加湿ユニット（１）１ａの冷却水流路の最高点までの冷却水ヘッドがΔP1となる位置とし、加湿ユニット（２）１ｂの冷却水流路の最高点までの冷却水ヘッドをΔP2となる位置とした。また、加湿ユニット（１）１ａの圧力損失をΔPS１、加湿ユニット（２）１ｂの圧力損失をΔPS２、電池スタックの圧力損失をΔPFCとし、冷却水ポンプの吐出圧力をGとすると、G  ＞  ΔP2＋ΔPS2＋ΔPFC  のとき、冷却水は加湿ユニット（１）１ａと加湿ユニット（２）１ｂの両方を流れる。
【００３０】
また、ΔP2＋ΔPS2＋ΔPFC  ＞  G  ＞  ΔP1＋ΔPS1＋ΔPFC  のとき、冷却水は加湿ユニット（１）１ａのみを流れる。
【００３１】
一方、前述のように、電池スタック６は燃料電池セル７を複数積層して構成されており、各燃料電池セルは、電解質膜と燃料極触媒層と空気極触媒層が一体化されたMEA（Membrane and Electrode Assembly）８と、その両面に配された空気セパレータ９と燃料極セパレータ１０、ならびに電池冷却水を通流させる電池冷却板１１からなる。電解質膜としては、ナフィオンN−112（米国  デュポン社製  商品名）を使用し、燃料極触媒として白金・ルテニウム担持カーボン触媒を使用し、空気極触媒として白金担持カーボン触媒を使用し、MEAを製作した。電極の有効面積は100cm2とした。このMEAをカーボン板に流路溝を加工した燃料セパレータと空気セパレータで挟み込んで、燃料電池セル７を製作した。この燃料電池セルを30セル積層して一体化し、燃料電池スタック６を製作した。
【００３２】
前記実施態様１に示す構成の固体高分子電解質形燃料電池で発電装置を構成し発電試験を行った。それぞれの圧力損失は、ΔP1＝4kPa、ΔP2＝8kPa、ΔPS1＝2kPa、ΔPS2＝2kPa、ΔPFC＝4kPaとした。
【００３３】
高出力時（400W）の燃料ガスには、６NL/minの水素と2NL/minのCO2の混合ガスを供給し、空気は18NL/minを供給した。また、電池温度スタックの温度が80℃となるように冷却水温度を制御した。冷却水ポンプの吐出圧力Gを20kPaとし、このとき、冷却水流量は2NL/minであった。
【００３４】
低出力時（100W）の燃料ガスとして、1.5NL/minの水素と0.5NL/minのCO2の混合ガスを、空気として4.5NL/minを供給した。また、電池温度スタックの温度が80℃となるように冷却水温度を制御した。冷却水ポンプの吐出圧力Gを12kPaとし、このとき、冷却水流量は1.0NL/minであった。上記２ケースについて試験した際、電池スタックと加湿器の間の空気配管に露点計を設置し、空気露点と電圧安定性および試験装置の消費電力を測定した。その結果を、表１に示す。
【００３５】
【表１】
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加湿ユニットを1台のみしか設けなかった従来（１）の構成では、100W出力時に空気露点が上昇してしまい、電池スタックの出力電圧が不安定であった。
加湿器をバイパスする流路と流量調節弁を設けた従来（２）の構成では、100W出力時に調整弁の消費電力が10W増加してしまい、効率が低下する結果となった。
【００３６】
一方、本発明の構成においては、100W出力時においても、電池スタックの出力電圧が安定し、発電装置の消費電力も少なく、高い効率で発電する事が可能であった。また、バルブや流量調整弁等を追加することなく、加湿量を調整することが可能であり、発電装置のコストを抑制する事が可能となった。
【００３７】
（実施形態２）
図２は、本発明の図１とは異なる固体高分子電解質形燃料電池の模式的システム構成図である。図２においては、加湿セルを重力方向に複数個積層し、加湿器を構成した。この場合にも、冷却水ポンプの吐出圧力を制御する事で、冷却水が流通する加湿セルの数を制御する事ができるため、加湿量を制御する事が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の模式的システム構成図。
【図２】本発明の異なる固体高分子電解質形燃料電池の模式的システム構成図。
【図３】従来の固体高分子電解質形燃料電池の模式的システム構成図。
【符号の説明】
【００３９】
１    加湿器
１ａ    加湿ユニット（１）
１ｂ    加湿ユニット（２）
２    水透過膜
３    加湿水セパレータ
４    加湿空気セパレータ
５    加湿セル
６    電池スタック
７    燃料電池セル
８    ＭＥＡ
９    空気セパレータ
１０    燃料セパレータ
１１    電池冷却板
１２    燃料ガス供給管
１３    加湿用空気供給管
１４    冷却水供給管
１５    冷却水ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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