(57)【要約】      （修正有）【課題】  圧縮エアの温度を低下させ、且つ燃料電池スタックに適切な湿度の圧縮エアを供給する。【解決手段】燃料電池用エア圧縮システムは、圧縮エアに水を噴射する水噴射部を有する。水噴射部は、吸気通路に設けられており、圧縮エアの流れ方向及び流れと垂直方向に複数のインジェクタが配置されて構成される。燃料電池用エア圧縮システムは、圧縮エアの温度との湿度を検出する。更に、インジェクタより供給する水の量を制御する。この制御は、上記の圧縮エアの温度と湿度に基づいて行われる。これにより、燃料電池用エア圧縮システムは、燃料電池スタックの膜の温度を低下させると共に、燃料電池スタックがフラッディング又はドライアウトを生じないような適切な湿度に保つことができる。即ち、燃料電池用エア圧縮システムが行う水供給量制御により、燃料電池スタックの劣化防止をし、且つ燃料電池スタックの利用効率を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックに供給するエアを圧縮するエア圧縮手段と、
前記圧縮エアに水を噴霧して供給する水供給手段と、
前記圧縮エアの温度を取得する温度取得手段と、
前記圧縮エアの湿度を取得する湿度取得手段と、
前記取得した温度、及び前記取得した湿度に基づいて、前記供給する水の量を制御する水供給量制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池用エア圧縮システム。
【請求項２】
前記水供給量制御手段は、前記取得した湿度が目標湿度となるように供給する水の量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用エア圧縮システム。
【請求項３】
前記圧縮エアの流量を取得する流量取得手段を備え、
前記水供給量制御手段は、前記圧縮エアの流量に基づいて、供給する水の量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用エア圧縮システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの温度を取得する燃料電池スタック温度取得手段を備え、
前記水供給量制御手段は、前記取得した燃料電池スタックの温度が所定温度以上であるときは、前記供給する水の量を増量することを特徴とする請求項１至及３のいずれか１項に記載の燃料電池用エア圧縮システム。
【請求項５】
前記水供給手段は、前記圧縮エアの流れ方向に対して複数設けられていることを特徴とする請求項１至及４のいずれか１項に記載の燃料電池用エア圧縮システム。
【請求項６】
前記水供給手段は、前記圧縮エアの流れと垂直方向に複数設けられていることを特徴とする請求項１至及５のいずれか１項に記載の燃料電池用エア圧縮システム。
【請求項７】
前記温度取得手段、及び前記湿度取得手段は、前記水供給手段の下流に設けられていることを特徴とする請求項１至及６のいずれか１項に記載の燃料電池用エア圧縮システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックなどに圧縮した空気を供給する燃料電池用エア圧縮システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両のエンジンや燃料電池スタックなどに圧縮した空気（以下、「圧縮エア」とも呼ぶ）を供給するエア圧縮システムが知られている。エア圧縮システムでは、エアコンプレッサ（以下、「圧縮機」とも呼ぶ）等によってエアが断熱圧縮されるため、吐出される圧縮エアが高温になってしまう。そのため、圧縮エアが供給される装置内に耐熱性に乏しい部品が組み込まれていると、不具合が生じてしまう。
【０００３】
一般的には、燃料電池スタックに使用される燃料電池用エア圧縮システムにおいては、圧縮エアに水を噴射して、燃料電池スタックに流入するエアの温度を低下させる技術が用いられている。例えば、特許文献１には、燃料電池スタックに供給するエアを取り込むエアコンプレッサから吐出される圧縮エアに水を噴射し、この圧縮エアの温度に応じて噴射する水の量を制御するという技術が記載されている。また、特許文献２には、圧縮機からの圧縮エアが燃料電池スタックに供給される前に、熱交換器及びアフタークーラにて２度冷却を行うという技術が記載されている。その他にも、圧縮エアに水を噴射して冷却するという技術が特許文献３及び特許文献４に記載されている。
【０００４】
ここで、燃料電池スタックにおいて、膜付近での水分が過多となった場合、ガスの拡散を阻害することで電池の出力性能が低下する現象（いわゆる、「フラッディング」）が生じることが知られている。また、膜に供給される水分が不足すると、イオン伝導度が下がることで、電池の出力性能が低下する現象（いわゆる、「ドライアウト」）が生じることが知られている。以上より、燃料電池スタックの出力性能を低下させないためには、燃料電池スタックを適切な湿度に維持する必要がある。
【０００５】
しかしながら、前述の文献に開示された技術においては、圧縮エアの温度を下げることはできるものの、水が供給された後の圧縮エアの湿度を考慮に入れて制御は行っていなかった。そのため、燃料電池の出力性能の低下が生じる場合があった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１１５６６６号公報
【特許文献２】特開２０００−２０８１５９号公報
【特許文献３】特開平３−９０９０号公報
【特許文献４】特表２００１−５０２３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、圧縮機より吐出される圧縮エアの温度を低下させ、且つ燃料電池スタックに適切な湿度の圧縮エアを供給することが可能な燃料電池用エア圧縮システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの観点では、燃料電池用エア圧縮システムは、燃料電池スタックに供給するエアを圧縮するエア圧縮手段と、前記圧縮エアに水を噴霧して供給する水供給手段と、
前記圧縮エアの温度を取得する温度取得手段と、前記圧縮エアの湿度を取得する湿度取得手段と、前記取得した温度、及び前記取得した湿度に基づいて、前記供給する水の量を制御する水供給量制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記の燃料電池用エア圧縮システムは、圧縮機などにてエアを圧縮し、この圧縮したエア（即ち、圧縮エア）を燃料電池スタックに供給するシステムである。燃料電池用エア圧縮システムは、この圧縮エアに水を噴霧して供給（以下、「噴射」とも呼ぶ）する水供給手段を有する。この水供給手段は、例えばインジェクタなどにより構成される。燃料電池用エア圧縮システムは、センサなどにより構成される温度取得手段、及び湿度取得手段により、圧縮エアの温度と、圧縮エアの湿度とを検出することができる。さらに、燃料電池用エア圧縮システムは、水供給手段より供給される水の量を制御する水供給量制御手段を備えている。燃料電池用エア圧縮システムが行う水供給量の制御（以下、「水供給量制御」と呼ぶ）は、前述の圧縮エアの温度と湿度に基づいて行われる。以上により、燃料電池用エア圧縮システムは、燃料電池スタックが劣化しないような温度に圧縮エアの温度を低下させると共に、燃料電池スタックがフラッディング又はドライアウトを生じないような適切な湿度に保つことができる。即ち、燃料電池用エア圧縮システムが行う水供給量制御により、圧縮燃料電池スタックの劣化防止をし、且つ燃料電池スタックの利用効率の向上を図ることができる。
【００１０】
上記の燃料電池用エア圧縮システムの一態様では、前記水供給量制御手段は、前記取得した湿度が目標湿度となるように供給する水の量を制御する。燃料電池用エア圧縮システムは、現在の燃料電池スタック等の状況に基づいて、湿度と燃料電池スタックの出力電力の関係を示すマップから目標湿度を取得する。燃料電池用エア圧縮システムは、圧縮エアの湿度が目標湿度となるように水供給量制御する。これにより、燃料電池スタックを最適な湿度に維持し続けることが可能となる。
【００１１】
上記の燃料電池用エア圧縮システムの他の一態様では、前記圧縮エアの流量を取得する流量取得手段を備え、前記水供給量制御手段は、前記圧縮エアの流量に基づいて、供給する水の量を制御する。流量取得手段としては、流量計などを用いることができる。水供給量制御を圧縮エアの流量も考慮に入れて行うことにより、更に精度良く燃料電池スタックの温度と湿度を精度良く制御することができる。
【００１２】
上記の燃料電池用エア圧縮システムの他の一態様では、前記燃料電池スタックの温度を取得する燃料電池スタック温度取得手段を備え、前記水供給量制御手段は、前記取得した燃料電池スタックの温度が所定温度以上であるときは、前記供給する水の量を増量する。所定温度とは、燃料電池スタックの劣化が生じてしまうような温度である。燃料電池用エア圧縮システムは、燃料電池スタックの温度が所定温度以上である場合は、即座に水供給量を増加させる制御を行う。即ち、燃料電池用エア圧縮システムは、水の供給量を細かく制御するよりも、高温時の燃料電池スタックの劣化の防止を優先する。
【００１３】
上記の燃料電池用エア圧縮システムの他の一態様では、前記水供給手段は、前記圧縮エアの流れ方向に対して複数設けられている。水供給手段は、圧縮エアが通過する吸気通路に設けられる。圧縮エアの流れ方向に複数の水供給手段が設けられることにより、吸気通路内に均一に水を供給することができる。これにより、燃料電池用エア圧縮システムは、圧縮エアに対して均一に冷却及び加湿を行うことができる。また、圧縮エアが気化する際の急激な温度変化によって、吸気通路が劣化することを防止することができる。
【００１４】
上記の燃料電池用エア圧縮システムにおいて、好適には、前記水供給手段は、前記圧縮エアの流れと垂直方向に複数設けられている。これによっても、燃料電池用エア圧縮システムは、圧縮エアを均一に冷却及び加湿を行うことができる。
【００１５】
更に、上記の燃料電池用エア圧縮システムにおいて、好適には、前記温度取得手段、及び前記湿度取得手段は、前記水供給手段の下流に設けられている。水供給手段にとって冷却及び湿度調節がなされた後の圧縮エアの温度と湿度を取得することにより、水供給量制御を精度良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１７】
［燃料電池用エア圧縮システムの構成］
図１は、本発明の１つの実施形態に係る燃料電池用エア圧縮システムを示す概略構成図である。
【００１８】
図１において燃料電池用エア圧縮システム１００は、主に、圧縮機（エアコンプレッサ）１と、吸気通路２と、流量計３と、水噴射部４と、露点温度センサ９と、温度センサ１０、１１と、制御コンピュータ１５と、を備えている。燃料電池用エア圧縮システム１００は、燃料電池自動車（以下、単に「車両」と呼ぶ）などに搭載され、燃料電池スタック１３に圧縮したエアを供給するシステムである。
【００１９】
燃料電池スタック１３は、図示しない電解質膜の両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極を成膜した電池セルを層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じて出力電圧を取り出すことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜面にカソード極（空気極）１２ａと、アノード極（燃料極）１２ｂが形成された電池セルの構造のみを示している。図示のように、カソード極１２ａにはエア（空気）２２が供給され、アノード極１２ｂには燃料（水素）２３が供給される。これによって、電力が生成される。
【００２０】
燃料電池スタック１３は、車両駆動用のモータの給電源であり、３００Ｖ程度の直流の高電圧を発生するようになっている。燃料電池スタック１３の発電電圧は、モータに指令トルク等に応じた電流を供給する図示しないインバータなどに出力するようになっている。また、燃料電池スタック１３の発電電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータで降圧されて、車両に搭載される種々の補機や、これらへの給電用の二次電池であるバッテリに出力するようになっている。
【００２１】
圧縮機１は、吸気２０を圧縮して圧縮エア２１を生成する。圧縮機１より吐出された直後の圧縮エア２１は、通常１５０℃以上となっている。圧縮機１には、ピストン式圧縮機、スクロール式圧縮機、あるいはターボ式圧縮機などを用いることができる。このように、圧縮機１は、燃料電池スタック１３へ供給するエアを圧縮するエア圧縮手段として機能する。
【００２２】
流量計３は、圧縮エア２１の流量を計測する。流量計３には、ベンチュリ流量計や熱線式流量計などを用いることができる。流量計３は、圧縮エア２１の流量に対応する信号Ｓ１を制御コンピュータ１５に出力する。
【００２３】
圧縮エア２１は、水噴射部４より噴射される水にて冷却される。水噴射部４は、複数のインジェクタから構成される。インジェクタは、吸気通路２の外壁面に配設される。図示のように、圧縮エア２１の流れと垂直方向にインジェクタ５ａ、５ｂが設けられ、更に、流れ方向にはインジェクタ６ａ、６ｂが設けられている。なお、本実施形態に係る燃料電池用エア圧縮システム１００においては、インジェクタを圧縮エアの流れ方向に複数（２以上）有し、圧縮エアの流れと垂直方向にも複数（２以上）有するが、説明の便宜のためインジェクタ５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂのみに対して説明を行う。また、具体的な水噴射部４の構成例は、後述する。
【００２４】
水噴射部４を構成するインジェクタ（以下、符号を省略して記載した場合は、前述のインジェクタ５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ全てを含めた意味として用いる）は、霧状の水を噴射することができる装置である。即ち、水噴射部４は、圧縮エア２１に水を噴霧して供給する水供給手段として機能する。また、インジェクタより噴射される水の量は調節可能となっている。インジェクタより噴射される水は、インジェクタが設けられた吸気通路２を通過する圧縮エア２１の熱によって気化する。これによって、圧縮エア２１の熱が奪われて、圧縮エア２１が冷却されることになる。また、インジェクタは、圧縮エア２１の流れと垂直方向に薄いスクリーン状の水を噴射する。これにより、噴射される水が気化され易くなり、圧縮エア２１を効果的に冷却することができる。以上のように水噴射部４を通過した圧縮エア２２は、例えば８０℃程度にまで下げられる。なお、インジェクタから噴射される水は、圧縮エア２１の冷却だけでなく、圧縮エア２１を加湿する役割も担う。即ち、水噴射部４は、燃料電池スタック１３の膜に水分を供給することができる。
【００２５】
また、インジェクタ５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂは、それぞれ制御コンピュータ１５からの制御信号Ｓ７ａ、Ｓ７ｂ、Ｓ８ａ、Ｓ８ｂによって制御される。即ち、制御コンピュータ１５からの制御信号により、インジェクタより噴射される水の量が調節される。この具体的な制御については、詳細は後述する。
【００２６】
温度センサ９は、水噴射部４の下流の吸気通路２に付設されている。よって、温度センサ９は、水噴射部４を通過後の圧縮エア２２の温度を検出する。温度センサ９は、温度に対応する信号Ｓ２を制御コンピュータ１５に出力する。
【００２７】
露点温度センサ１０も、水噴射部４の下流の吸気通路２に付設されている。露点温度センサ１０は、圧縮エア２２中の水分が飽和して結露する温度を検出する。露点温度センサ１０は、この露点温度に対応する信号Ｓ３を制御コンピュータ１５に出力する。
【００２８】
温度センサ１１は、燃料電池スタック１３上に付設されている。即ち、温度センサ１１は、燃料電池スタック１３の温度（膜温度）を検出する。そして、温度センサ１１は、この検出温度に対応する信号Ｓ４を制御コンピュータ１５に出力する。
【００２９】
制御コンピュータ１５は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。制御コンピュータ１５は、上記した各種センサ等からの入力に基づいて、水噴射部４内のインジェクタを制御する。即ち、制御コンピュータ１５は、圧縮エアの流量（信号Ｓ１）と、圧縮エアの温度（信号Ｓ２）と、圧縮エアの湿度と、燃料電池スタック１３の温度（信号Ｓ４）と、に基づいてインジェクタから圧縮エアに供給する水の量を制御する。具体的には、制御信号Ｓ７ａ、Ｓ７ｂ、Ｓ８ａ、Ｓ８ｂを、対応するインジェクタに供給する。以上のように、制御コンピュータ１５は、圧縮エア２１に供給する水の量を制御する水供給量制御手段として機能する。なお、制御コンピュータ１５は、燃料電池用エア圧縮システム１００が車両などに搭載される場合は、車両内のＥＣＵ（Engine Control Unit）がその役割を担うことができる。
【００３０】
［水供給量制御処理］
以下では、制御コンピュータ１５が行う水供給量制御処理について、図２〜図４を用いて説明する。この処理は、圧縮エア２１を冷却し、且つ圧縮エア２１を燃料電池スタック１３にとって適切な湿度に設定するために行う。そのために、制御コンピュータ１５は、インジェクタが圧縮エア２１に供給する水の量（以下、「噴射量」とも呼ぶ）を制御する。なお、水供給量制御処理は、燃料電池スタック１３の使用中に所定の周期で繰り返し実行される。
【００３１】
図２は、制御コンピュータ１５が行う水供給量制御処理について示すフローチャートである。
【００３２】
まず、ステップＳ１１では、制御コンピュータ１５は、燃料電池スタック１３の温度を取得する。即ち、制御コンピュータ１５は、温度センサ１１からの信号Ｓ４を取得する。そして、処理はステップＳ１２に進む。
【００３３】
ステップＳ１２では、制御コンピュータ１５は、燃料電池スタック１３の温度が所定温度以上であるか否かを判定する。所定温度は、燃料電池スタック１３を劣化させるおそれがある温度であり、例えば１００℃に設定される。ステップＳ１２では、制御コンピュータ１５は、水の噴射量を細かく制御するよりも、高温時の燃料電池スタック１３の劣化の防止を優先すべきか否かを判定する。
【００３４】
燃料電池スタック１３の温度が所定温度以上である場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）は、処理はステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、制御コンピュータ１５は、インジェクタの水の噴射量を増量すべきとの決定を行う。即ち、制御コンピュータ１５は、燃料電池スタック１３が劣化するのを防止するために、膜内が加湿されるのを許容して噴射量の増量を決定する。そして、処理はステップＳ１８に進む。なお、制御コンピュータ１５は、噴射した水のうち気化した水の量を取得し、圧縮エアの温度と気化した水の量に基づいて、インジェクタの噴射量の増量値を正確に計算することもできる。
【００３５】
ステップＳ１８では、制御コンピュータ１５は、増量された水が噴射されるようにインジェクタの制御を実行する。例えば、燃料電池スタック１３の温度が所定温度を大きく超えている場合は、水噴射部４を構成する全てのインジェクタに対し、各々のインジェクタが最大噴射量を噴射するように制御する。ステップＳ１３の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
【００３６】
一方、燃料電池スタック１３の温度が所定温度未満である場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）は、処理はステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、制御コンピュータ１５は、前述した圧縮エア２２の温度と、圧縮エア２２の露点温度とを取得する。即ち、制御コンピュータ１５は、温度センサ９より信号Ｓ２を取得し、露点温度センサ１０より信号Ｓ３を取得する。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１５に進む。
【００３７】
ステップＳ１５では、制御コンピュータ１５は、ステップＳ１４にて取得した圧縮エア２２の温度と露点温度に基づいて、圧縮エア２２の湿度を算出する。そして、処理はステップＳ１６に進む。なお、燃料電池用エア圧縮システム１００に、温度センサと露点温度センサが一体となった湿度センサなどが用いられている場合は、制御コンピュータ１５は湿度に対応する信号を直接取得することができる。
【００３８】
ステップＳ１６では、制御コンピュータ１５は、圧縮エア２１の流量を取得する。即ち、制御コンピュータ１５は、流量計３からの信号Ｓ１を取得する。そして、処理はステップＳ１７に進む。
【００３９】
ステップＳ１７では、制御コンピュータ１５は、水の噴射量を増量すべき値又は減量すべき値を算出する。ステップＳ１７では、制御コンピュータ１５は、取得した圧縮エア２２の温度と、圧縮エア２２の湿度と、圧縮エア２１の流量と、に基づいて圧縮エア２１に噴射すべき水の増量値／減量値を算出する。このようなパラメータに基づいて噴射量の増量値／減量値の算出を行うのは、圧縮エア２１を冷却し、且つ燃料電池スタック１３内の状況に応じた適切な湿度に設定するためである。具体的な算出方法は、後述する。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１８に進む。
【００４０】
ステップＳ１８では、制御コンピュータ１５は、ステップＳ１７で算出した増量値／減量値を付加した後の噴射量（以下、この噴射量を「実噴射量」と呼ぶ）が噴射されるように各インジェクタを制御する。制御コンピュータ１５は、この実噴射量などに基づいて、複数あるインジェクタの各々に対して噴射量を個別に制御することができる。また、複数のインジェクタの中から選択したもののみが水を噴射するようにさせることもできる。以上のような場合は、全てのインジェクタより噴射される噴射量の合計値が、実噴射量となる。更に、複数あるインジェクタ全てから同じ噴射量を噴射させることもでき、この場合は、実噴射量をインジェクタの数で割った量が１つのインジェクタより噴射される。
【００４１】
ステップＳ１８の処理が終了すると、当該フローを抜ける。そして、制御コンピュータ１５は、当該フローを繰り返し実行する。
【００４２】
以上のように、圧縮エアの温度と、湿度と、流量と、に基づいて水供給量制御を行うことにより、圧縮エアを効果的に冷却すると共に、燃料電池スタック１３を膜の状態に応じた適切な湿度に維持することができる。これにより、燃料電池スタック１３の劣化を防止すると共に、燃料電池スタック１３のフラッディング及びドライアウトを防止することができる。したがって、燃料電池スタック１３の利用効率（発電効率）の向上を図ることが可能となる。
【００４３】
次に、図２に示したフローチャートのステップＳ１７での処理、即ち水の噴射量の増量値／減量値を算出する処理について、図３に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する処理も、制御コンピュータ１５が主体となって行う。
【００４４】
まず、ステップＳ２１では、制御コンピュータ１５は、圧縮エアの湿度と燃料電池スタック１３の出力電力の関係を示すマップを呼び出す。そして、処理はステップＳ２２に進み、制御コンピュータ１５は、このマップに基づいて圧縮エアが設定されるべき湿度（以下、「目標湿度」と呼ぶ）を決定する。
【００４５】
上記のマップの具体例及び目標湿度の決定方法について、図４を用いて説明する。図４に示す図は、横軸に燃料電池スタック１３の電流値を示し、縦軸に相対湿度（％ＡＨ）及び電圧値を示す。曲線Ｘ１は、燃料電池スタック１３に関する一般的な電圧と電流の関係を示す特性曲線である。曲線Ｘ２は、曲線Ｘ１で示す出力特性を保持するために、燃料電池に設定すべき相対湿度と電流値の関係を示す特性曲線の例である。この特性曲線Ｘ２は、実験により取得されるものであり、予め制御コンピュータ１５内のメモリなどに記憶されている。
【００４６】
制御コンピュータ１５は、燃料電池スタック１３に要求される電流値を取得し、その電流値から上記のマップを参照して圧縮エアの目標湿度を決定する。例えば、要求される電流値がＩ１であるときは相対湿度ｈ１が目標湿度となり、要求される電流値がＩ２であるときは相対湿度ｈ２が目標湿度となる。以上のようにして圧縮エアの目標湿度が決定される。そして、処理はステップＳ２３に進む。
【００４７】
ステップＳ２３では、制御コンピュータ１５は、ステップＳ２２にて決定された目標湿度に基づいて圧縮エアが設定されるべき温度（目標温度）を決定する。制御コンピュータ１５は、エア（空気）に関する温度と湿度の関係を示す湿度換算表などを参照して、目標湿度に対応する目標温度を決定する。この湿度換算表も、制御コンピュータ１５内のメモリに記憶させておく。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に進む。
【００４８】
ステップＳ２４では、制御コンピュータ１５は、前述の取得した各データに基づいて噴射量の増量値又は減量値を算出する。具体的には、制御コンピュータ１５は、以下の演算式（１）に基づいて噴射量の増量値又は減量値を算出する。
【００４９】
Δｍ＝Ｍ×Ｃｖ×ΔＴ／ＣＬ    式（１）
なお、Δｍは算出すべき噴射量の増量値又は減少値であり、Ｍは圧縮エア（エアと水を含む）の流量であり、Ｃｖは圧縮エア（エアと水を含む）の熱容量であり、ΔＴは現状の圧縮エアの温度と目標温度との差であり、ＣＬは水（液体）の比熱を示す。
【００５０】
以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。そして、処理は図２に示したフローチャートのステップＳ１８に進み、制御コンピュータ１５は上記で示した処理を行う。図２に示した処理（図３に示した処理を含む）を繰り返し実行することは、前回決定された圧縮エアの湿度に対して補正を繰り返し行うことになる。よって、圧縮エアの湿度は、燃料電池スタック１３の状況に対して適切な目標湿度へと収束していく。
【００５１】
［水噴射部４の構成］
以下では、前述した水噴射部４の構成に関する本発明に係る実施例について、図５〜図８を用いて説明する。
【００５２】
（第１実施例）
まず、第１実施例に係る水噴射部４の構成について説明する。図５は、吸気通路２中に設けられた水噴射部４の概略構成を模式的に示した図である。図示のように、吸気通路２の外壁面に、圧縮エア２１の流れ方向に沿ってインジェクタ５、６、７が設けられている。インジェクタ５、６、７は、符号４０で示すように薄いスクリーン状の水を噴射している。なお、本実施例に係る燃料電池用エア圧縮システム１００は、インジェクタ（以下、符号を省略して記載した場合は、インジェクタ５、６、７を全て含めた意味として用いる）を圧縮エア２１の流れ方向に複数（２以上）有しているが、ここでは説明の便宜の為、インジェクタ５、６、７のみに対して説明を行う。
【００５３】
インジェクタ５、６、７に関する断面図を図６に示す。図６（ａ）は、吸気通路２とインジェクタ５を、図５における切断線Ａ１−Ａ１’に沿って切断した図である。また、図６（ｂ）は吸気通路２とインジェクタ６を図５における切断線Ａ２−Ａ２’に沿って切断した図であり、図６（ｃ）は吸気通路２とインジェクタ７を図５における切断線Ａ３−Ａ３’に沿って切断した図である。図示のように、吸気通路２の断面は略円形である。インジェクタ５、６、７は、それらの中心線が吸気通路２の断面の中心点を通過するように設けられている。図６（ａ）と図６（ｂ）より、インジェクタ５とインジェクタ６は、吸気通路２の円周上において中心角が１２０°ずれた位置に設けられている。また、図６（ｂ）と図６（ｃ）より、インジェクタ６とインジェクタ７は、吸気通路２の円周上において中心角が１２０°ずれた位置に設けられている。即ち、インジェクタは、設けられる流れ方向の位置に応じて、吸気通路２の円周上の位置がずらされている（図６の場合は、中心角１２０°）。よって、隣接するインジェクタで、吸気通路２の円周上の位置が重なって設けられることはない。
【００５４】
インジェクタの先端部からは、噴射角θにて水が噴射される。インジェクタより噴射された水は、吸気通路２の内周壁に衝突し、反射することによって吸気通路２の断面の全域に拡散していく。例えば、インジェクタより噴射された水は、符号４０で示すように略六角形の断面形状となる。また、上記の噴射角θは、大きいほうが好ましい。噴射角θが大きいほうが、インジェクタより噴射される水にて吸気通路２の断面をより広域に覆うことができるからである。
【００５５】
第１実施例に係る水噴射部４の構成では、圧縮エア２１の流れと垂直方向には１つのインジェクタのみを設けているので、符号４０で示す水が噴射される領域（以下、「水噴射領域４０」と呼ぶ）においては、場所によって水の密度に差が生じてしまう。しかし、圧縮エア２１の流れ方向に複数のインジェクタが設けられ、更にインジェクタが設けられる吸気通路２の円周上の位置がずらされているので、圧縮エア２１が、一つ目のインジェクタの水噴射領域４０における水の密度が疎な部分を通過した場合であっても、次のインジェクタの水噴射領域４０では密な部分を通過することができる。よって、水噴射部４全体では、圧縮エア２１は均等に拡散した水と接触することができる。したがって、水噴射部４は、圧縮エア２１に対して、均等に冷却及び湿度の調節を行うことができる。
【００５６】
更に、圧縮エア２１の流れ方向に沿って複数設けたインジェクタにより圧縮エア２１の冷却を行うので、圧縮エア２１が気化する際の急激な温度変化を生じさせない。これによって、吸気通路２が劣化することを防止することができる。
【００５７】
（第２実施例）
次に、第２実施例に係る水噴射部４の構成について説明する。図７は、吸気通路２中に設けられた水噴射部４の概略構成を模式的に示した図である。図７（ａ）は、水噴射部４及び吸気通路２の側面図を示し、図７（ｂ）はその断面図を示す。
【００５８】
図７（ａ）より、インジェクタは、圧縮エア２１の流れと垂直方向に複数設けられている（垂直方向に設けられた複数のインジェクタを１セットとする）。そして、このセットが圧縮エア２１の流れ方向にも複数設けられている。具体的には、インジェクタ５ａとインジェクタ５ｂとインジェクタ５ｃが、圧縮エア２１の流れと垂直方向に設けられている。そして、このセットの隣に、インジェクタ６ａとインジェクタ６ｂとインジェクタ６ｃからなるセットが設けられており、その隣にはインジェクタ７ａとインジェクタ７ｂとインジェクタ７ｃからなるセットが設けられている。なお、本実施例に係る燃料電池用エア圧縮システム１００では、インジェクタを圧縮エア２１の流れ方向に複数（２以上）有しているが、説明の便宜の為、上記の３セットのみに対して説明を行う。
【００５９】
図７（ｂ）は、インジェクタ５ａ、５ｂ、５ｃを切断線Ｂ１−Ｂ１’に沿って切断した図である。インジェクタ６ａ、６ｂ、６ｃを切断線Ｂ２−Ｂ２’に沿って切断した図、及びインジェクタ７ａ、７ｂ、７ｃを切断線Ｂ３−Ｂ３’に沿って切断した図は、インジェクタ５ａ、５ｂ、５ｃのものと同一であるため重ねて示している。図示のように、インジェクタ５ａ、５ｂ、５ｃと、インジェクタ６ａ、６ｂ、６ｃと、インジェクタ７ａ、７ｂ、７ｃは、吸気通路２の外周壁に中心角１２０°の等間隔で設けられている。そして、それぞれ噴射角θにて水を噴射している。
【００６０】
第１実施例に係る水噴射部４の構成では、圧縮エア２１の流れと垂直方向に１つしか設けていなかったため、水噴射領域４０においては、場所によって水の密度に差が生じていた。しかし、第２実施例に係るインジェクタの構成では、圧縮エア２１の流れと垂直方向に複数のインジェクタを設けているので、噴射された水は、水噴射領域４０面内でほぼ均等に拡散することになる。よって、インジェクタより噴射される水による圧縮エア２１の冷却効果、及び圧縮エア２１に対する湿度調節の精度を増加させることができる。また、圧縮エア２１の流れの垂直方向に３つのインジェクタを備えるので、水の噴射量などに関する詳細な制御を行うことができる。
【００６１】
（第３実施例）
次に、第３実施例に係る水噴射部４の構成について説明する。第３実施例においても第２実施例と同様に、インジェクタは、圧縮エア２１の流れと垂直方向に複数設けられており（これを１セットとする）、更にこのセットが流れ方向にも複数設けられている。但し、第３実施例においては、インジェクタのセットが設けられる吸気通路２の円周上の位置は、圧縮エア２１の流れ方向に応じてずらされる。
【００６２】
図８は、第３実施例に係るインジェクタを図７（ａ）における切断線に沿って切断した図である。図８（ａ）は、インジェクタ５ａ、５ｂ、５ｃを図７（ａ）における切断線Ｂ１−Ｂ１’に沿って切断した図である。また、図８（ｂ）はインジェクタ６ａ、６ｂ、６ｃを図７（ａ）における切断線Ｂ２−Ｂ２’に沿って切断した図であり、図８（ｃ）はインジェクタ７ａ、７ｂ、７ｃを図７（ａ）における切断線Ｂ３−Ｂ３’に沿って切断した図である。図８より、隣接するセットにて、インジェクタが設けられる吸気通路２の円周上の位置は重ならないことがわかる。
【００６３】
以上のようにインジェクタを配置することにより、流れ方向におけるインジェクタの配置位置のずれに伴って、水噴射領域４０もずれることになる。よって、圧縮エア２１が、一つ目のインジェクタのセットによる水噴射領域４０を通過しない場合であっても、次のインジェクタのセットによる水噴射領域４０を通過することができる。これにより、水噴射部４による圧縮エア２１の冷却効果、及び圧縮エア２１に対する湿度調節の精度を更に増加させることができる。
【００６４】
なお、第２実施例及び第３実施例では、圧縮エア２１の流れと垂直方向に、３つのインジェクタを設けるものについて示したが、この個数には限定はしない。インジェクタを２つ設けてもよいし、４つ以上設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池用エア圧縮システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る水供給量御処理を示すフローチャートである。
【図３】図２のステップＳ１７の噴射量算出処理を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池スタックの相対湿度と出力の関係を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例に係る水噴射部の概略構成を示す図である。
【図６】図５の切断線に沿ったインジェクタ等の断面図を示す。
【図７】本発明の第２実施例に係る水噴射部の概略構成、及びインジェクタ等の断面図を示す図である。
【図８】本発明の第３実施例に係るインジェクタ等の断面図を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  圧縮機
２  吸気通路
３  流量計
９、１１  温度センサ
１０  露点温度センサ
４  水噴射部
５ａ、５ｂ、６ｂ、６ｃ  インジェクタ
１２ａ  カソード極
１２ｂ  アノード極
１３  燃料電池スタック
１５  制御コンピュータ
１００  燃料電池用エア圧縮システム
【図１】
2005235614.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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