(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分透過型の加湿装置を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿装置は前記燃料電池のオフガス排出路を流れる排出ガスから水分を抽出し、反応ガス供給装置から供給される燃料電池作動用の入口ガスに水分を供給して加湿系を構成し、前記オフガス排出路の前記加湿装置の下流側に圧力調整弁を設け、前記燃料電池の出力に応じて変化する燃料電池の入口ガス温度とガス圧力との関係に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御しガス圧力を調整することで前記燃料電池の必要出力を確保する制御装置を設けたことを特徴とする燃料電池用熱交換加湿システム。
【請求項２】
前記制御装置は前記燃料電池の出力に応じたガス圧力の許容範囲内でガス圧力を調製することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用熱交換加湿システム。
【請求項３】
水分透過型の加湿装置を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿装置は前記燃料電池のオフガス排出路を流れる排出ガスから水分を抽出し、反応ガス供給装置から供給される燃料電池作動用の入口ガスに水分を供給して加湿系を構成し、前記加湿装置と前記燃料電池とを通流する冷却水循環流路を設け、前記冷却水循環流路に冷却水の前記加湿装置への流量を調製する流量調整弁を設け、前記加湿装置での熱交換に加え前記流量調整弁の開度を制御し冷却水の流量を調整することで入口ガスの温度を更に調製する制御装置を設けたことを特徴とする燃料電池用熱交換加湿システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子膜を電解質膜として用いた、例えば、燃料電池自動車等に使用される燃料電池用熱交換加湿システムに係るものであり、特に、水分透過型加湿装置を熱交換器として使用する燃料電池用熱交換加湿システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば、特開平６−１３２０３８号公報に記載されているように固体高分子膜を電解質膜として用いた燃料電池が知られている。この種の燃料電池においては、供給される酸素と水素との電気化学反応により生じた電子が固体電解質膜を流れることにより発電が行なわれる。そして、発電が効率良く行なわれるためには、燃料電池の推奨運転温度を出力に応じて決定される所定の温度にすることが望ましい。即ち、この温度よりも高いと固体高分子膜が破損するおそれがあり、この温度より低いと生成水の結露と触媒の不活性化により固体電解質膜間に水が溜まって目詰まりを起こし、発電能力低下につながってしまうからである。
したがって、従来は入口ガス温度を運転温度に合わせる必要から、冷却水を通水した熱交換器を介して入口ガスを冷却して、燃料電池内を最適な温度下に維持している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の熱交換器を用いて入口ガス温度を冷却するものにあっては、比較的大型の熱交換器、ラジエータファン、及び冷却水ポンプ等が必要となり、消費電力及び占有スペースが大きくなってしまうという問題がある。また、これら各種の部品により車体重量の増加を招いてしまうという問題がある。
ところで、この種の燃料電池には固体高分子膜の導電性を高め、反応により生じた電子の移動の際の抵抗を低くする必要から、入口ガスを加湿しなければならないという要請がある。
そこで、この発明は、燃料電池用の入口ガスを加湿するための加湿装置を有効利用して、燃料電池作動用の入口ガスを最適温度に維持することができる燃料電池用熱交換加湿システムを提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、水分透過型の加湿装置（例えば、実施形態における加湿装置６）を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿装置は前記燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）のオフガス排出路（例えば、実施形態におけるオフガス排出路５）を流れる排出ガス（例えば、実施形態におけるオフガス）から水分を抽出し、反応ガス供給装置（例えば、実施形態におけるスーパーチャージャー１７）から供給される燃料電池作動用の入口ガス（例えば、実施形態における反応ガス）に水分を供給して加湿系を構成し、前記オフガス排出路の前記加湿装置の下流側に圧力調整弁（例えば、実施形態における圧力調整弁１８）を設け、前記燃料電池の出力に応じて変化する燃料電池の入口ガス温度とガス圧力との関係に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御しガス圧力を調整することで前記燃料電池の必要出力を確保する制御装置（例えば、実施形態における制御装置２２）を設けたことを特徴とする。
請求項２に記載した発明は、前記制御装置は前記燃料電池の出力に応じたガス圧力の許容範囲内でガス圧力を調製することを特徴とする。
請求項３に記載した発明は、水分透過型の加湿装置を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿装置は前記燃料電池のオフガス排出路を流れる排出ガスから水分を抽出し、反応ガス供給装置から供給される燃料電池作動用の入口ガスに水分を供給して加湿系を構成し、前記加湿装置と前記燃料電池とを通流する冷却水循環流路（例えば、実施形態における冷却水循環流路２３）を設け、前記冷却水循環流路に冷却水の前記加湿装置への流量を調製する流量調整弁（例えば、実施形態における流量調整弁２６）を設け、前記加湿装置での熱交換に加え前記流量調整弁の開度を制御し冷却水の流量を調整することで入口ガスの温度を更に調製する制御装置（例えば、実施形態における制御装置２２）を設けたことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第１実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の燃料電池加湿システムを模式的に示したものである。この燃料電池加湿システムは、例えば、燃料電池自動車に使用されるものである。
同図において、１は燃料電池を示している。燃料電池１は多数の固体高分子膜を備えたものであって、各固体高分子膜は例えば酸素と水素とを隔絶しつつ、飽和含水することにより、分子中に存在するプロトン交換基によって導電性電解質として機能するものである。
【０００７】
燃料電池１のガス入口２には、反応に使用される反応ガス（空気あるいは水素ガス）の反応ガス供給路３が接続されている。また、燃料電池１のガス出口４には反応を終えて燃料電池１から排出されるオフガスのオフガス排出路５が接続されている。ここで、燃料電池１内で反応に使用されるガスは空気として取り入れられる酸素と、別途供給される水素とがあるが、ここでは空気側で説明する。
上記反応ガス供給路３とオフガス排出路５とにまたがって、反応ガスである空気を、オフガス内の水分により加湿する加湿装置６が設けられている。これら加湿装置６、反応ガス供給路３、及びオフガス排出路５が加湿系を構成している。
【０００８】
図２は加湿装置６の概略構成図である。同図において、筒状のケーシング７内には多数の中空糸膜（水透過膜からなる多孔質中空糸）Ｔが密集した状態で束ねて挿入されていて、ケーシング７の一端側がオフガス入口８、多端側がオフガス出口９として構成されている。一方、ケーシング７にはその側壁に反応ガス入口１０と反応ガス出口１１が各々形成され、この反応ガス入口１０と反応ガス出口１１とはケーシング７内の各中空糸膜の間の隙間に連通している。
【０００９】
そして、上記ケーシング７の各端部には、前記反応ガス入口１０と反応ガス出口１１とを覆う位置までヘッド１２，１２が取り付けられ、ヘッド１２に形成された反応ガスポート１３とオフガスポート１４とが、各々前記ケーシング７の反応ガス入口１０、反応ガス出口１１と、オフガス入口８、オフガス出口９に接続されている。ここでヘッド１２間にはケーシング７を囲むようにカバー１５が取り付けられている。このように構成された加湿装置６の反応ガスポート１３とオフガスポート１４とが前記反応ガス供給路３とオフガス排出路５とに各々接続さている。ここで、１つの加湿装置６には複数のケーシング７を設けることができるが、使用されるケーシング７、つまり中空糸膜の本数は燃料電池１の能力に応じて適宜設定できる。尚、図１においては図示都合上、反応ガスポート１３の位置を図２とは異なるように記載している。
【００１０】
したがって、ケーシング７の一端側のオフガスポート１４から各中空糸膜内に湿潤したオフガスが供給されると、中空糸膜に形成された毛管内においてに水分が凝縮し（ケルビンの毛管凝縮式に基づく）、この水分は分離透過される。この透過した水分は、前記反応ガスポート１３から送られてくる乾燥空気と接触することでこれを加湿する。その結果、ケーシング７の多端側の反応ガスポート１４から出る反応ガスである空気は加湿された状態となる。
【００１１】
図１において、前記反応ガス供給路３には加湿装置６の上流側に、モータ１６により駆動するスーパーチャージャー１７が設けられている。このスーパーチャージャー１７によって外気が燃料電池１内に供給される。一方、オフガス排出路５には加湿装置６の下流側に圧力調整弁１８が設けられている。この圧力調整弁１８により系内の圧力が調整される。
ここで反応ガス供給路３であって、加湿装置６と燃料電池１のガス入口２との間には、燃料電池１内に供給される乾燥エアーの圧力、温度、流量を各々測定する圧力計１９、温度計２０、流量計２１が設けられている。
そして、前記圧力計１９、温度計２０、流量計２１が制御装置２２を介して前記圧力調整弁１８に接続されている。
【００１２】
ここで、圧力調整弁１８の開度が変化（大〜小）すると、図１、図３に示すように、燃料電池１の反応ガス入口圧力（ＦＣ入口圧力）Ｐ１と、燃料電池１のオフガス出口圧力Ｐ２、と加湿装置６のオフガス出口圧力Ｐ３とは、各々変化（小〜大）する。
つまり、圧力調製弁１８を開閉することにより、反応ガス入口圧力Ｐ１を調製することができる。
【００１３】
上記実施形態によれば、燃料電池１から排出されるオフガスの温度に対して、燃料電池１に供給される反応ガスの温度が高い場合には、加湿装置６を介して反応ガスの温度がオフガスとの熱交換によって低下し、一方、燃料電池１から排出されるオフガスの温度に対して、燃料電池１に供給される反応ガスの温度が低い場合には、加湿装置６を介して反応ガスの温度がオフガスとの熱交換によって上昇するため、反応ガスの温度を反応に適したオフガスの温度に近づけることができる。その結果、加湿装置６により反応ガスをオフガスにより加湿すると共に反応ガスの温度を最適な状態に近づけることができる。また、加湿装置６を有効利用しているため、特別に熱交換装置やラジエータファン等を設けた場合に比較して、車体重量の増加も少なく、占有スペースも少なくて済む。
【００１４】
ここで、図４に示すように、燃料電池１の反応ガスの入口温度（ＦＣ入口温度）と燃料電池１の反応ガスの入口圧力（ＦＣ入口圧力）とには相関関係がある。この相関関係は燃料電池１の出力に応じて変化するもので、例えば、出力をＷ１＜Ｗ２＜Ｗ３＜Ｗ４としたときに、各出力においてＦＣ入口圧力が大きければ大きいほどＦＣ入口温度が大きくなっている。このような関係があるのは、圧力が増加すると抵抗が増加し流速が低下するため加湿装置６における熱交換効率が高まるためである。そして、この関係は出力が大きいほどグラフの傾きが大きく、ＦＣ入口温度が高くなるようになっている。
尚、この出力Ｗ１〜Ｗ２は連続的に変化するものであって、図示都合上４つの出力についてグラフ化したが、実際はこれら各出力ラインの間にも出力のラインが存在する。
【００１５】
したがって、例えば、出力Ｗ４を確保する必要がある場合に、前記温度計２０により検出された温度がＣ１であり、図４に示すＷ４のラインを越えている場合には、制御装置２２を介して、温度Ｃ１がライン上に位置するようなＦＣ入力圧力Ｐ１０まで圧力調製弁１８を絞って圧力を上昇させることで、必要出力Ｗ４を確保することができる。
【００１６】
一方、前記温度計２０により検出された温度がＣ２であり、図４に示すＷ４のラインに至っていない場合には、制御装置１８を介して、温度Ｃ２がライン上に位置するようなＦＣ入力圧力Ｐ２０まで圧力を下げるげることで、必要出力Ｗ４を確保することができる。このようにして、ＦＣ入力圧力を変化させることで、ＦＣ入力温度を最適に維持して燃料電池１の必要出力を確保することができる。
その結果、加湿装置６によりなされる熱交換により反応ガスの温度を大きく調整することに加えて、制御装置２２を介して圧力調製弁１８により入口圧力を調整することで、きめの細かい温度制御を行なうことができるのである。
ここで、燃料電池１は、図５に示すようにＦＣ出力に応じたＦＣ入口圧力の許容範囲を持っているため、このグラフで囲まれる部分内で前述したＦＣ入口圧力を微調整することは、燃料電池１に何ら悪影響を与えることはない。
【００１７】
尚、この第１実施形態においては、温度計２０と圧力計１９によって制御装置２２を介して圧力調製弁１８の開度を調製したが、図１に示すように、温度計２０と流量計２１によって、制御装置２２を介して圧力調製弁１８の開度を調製することができる。尚、この場合、ＦＣ入口温度を下げたい場合には、加湿装置６の熱交換効率を高くするように圧力調製弁１８を絞って流量を少なくし、一方、ＦＣ入口温度を上昇させたい場合には、加湿装置６の熱交換効率を低くするように圧力調製弁１８を開いて流量が増加するように調製すれば良い。
【００１８】
次に、この発明の第２実施形態を図６に基づいて説明する。
同図において、燃料電池１には反応ガス供給路３とオフガス排出路５が接続され、反応ガス供給路３とオフガス排出路５には、反応ガスにオフガスの水分を供給する加湿装置６が設けられている点、反応ガス供給路３にはスーパーチャージャー１７が設けられている点、温度計２０が設けられている点などの基本的構成は前記第１実施形態と同様である。
【００１９】
ここで、この実施形態においては、燃料電池１内から加湿装置６を循環する冷却水配管２３が設けられている。冷却水配管２３は冷却水がポンプ２４により燃料電池１内と加湿装置６内を循環するもので、加湿装置６を燃料電池１内と同様の温度に維持することができる。尚、この冷却水配管２３は図２に示す各ヘッド１２及びカバー１５内を流れるようになっている。
【００２０】
つまり、加湿装置６を燃料電池１内に近い温度に加熱することにより、加湿装置６においてオフガスにより加熱される反応ガスの温度を反応温度に近づけることができるのである。冷却水配管２３には冷却水のバイパス路２５が設けられ、冷却水配管２３に設けた流量調製弁２６でバイパス路２５を流れる冷却水量を調整することにより、加湿装置６に供給される冷却水の温度を微妙に調製するようになっている。ここで、この実施形態においては、前記温度計２０と前記流量調製弁２６が制御装置２２を介して接続されている。
【００２１】
したがって、この実施形態においても、燃料電池１から排出されるオフガスの温度に対して、燃料電池１に供給される反応ガスの温度が高い場合には、加湿装置６を介して反応ガスの温度がオフガスとの熱交換によって低下し、一方、燃料電池１から排出されるオフガスの温度に対して、燃料電池１に供給される反応ガスの温度が低い場合には、加湿装置６を介して反応ガスの温度がオフガスとの熱交換によって上昇するため、反応ガスの温度を反応に適したオフガスの温度に近づけることができる。その結果、加湿装置６により反応ガスをオフガスにより加湿すると共に反応ガスの温度を最適な状態に近づけることができる。また、加湿装置６を有効利用しているため、特別に熱交換装置やラジエータファン等を設けた場合に比較して、車体重量の増加も少なく、占有スペースも少なくて済む。
【００２２】
そして、前記冷却水配管２３の流量調製弁２６を絞ることにより加湿装置６への冷却水の流量を減少させ、あるいは流量調製弁２６を開くことにより加湿装置６への冷却水の流量を増加させることができるため、加湿装置６の温度を調整することで、加湿装置６において熱交換される反応ガスの温度を調整してきめの細かい温度制御を行なうことができる。つまり、反応ガスの温度が燃料電池１のオフガスの温度より高い場合には、流量調製弁２６を開いて、加湿装置６に供給される冷却水量を増加し、一方、反応ガスの温度が燃料電池１のオフガスの温度より低い場合には、流量調製弁２６を絞って、加湿装置６に供給される冷却水量を減少させるのである。
その結果、加湿装置６においてなされる熱交換により反応ガスの温度を大きく調整することに加えて、制御装置２２を介して流量調製弁２６により加湿装置６自体の温度を調整することで、きめの細かい温度制御を行なうことができる。尚、冷却水配管２３は、さほどの流量を必要とせず小型のものでよいため、車体重量に大きな影響を与えず、大きなスペースを占有することはない。
【００２３】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、反応ガスとして用いられる水素用の加湿システムとして使用できる。また、第２実施形態の流量調整弁２６は加湿装置６に供給される冷却水の流量を調整できれば、バイパス路２５側に設けるようにしても良い。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１，２に記載した発明によれば、燃料電池に供給される入口ガスと、燃料電池から排出される排出ガスとを加湿装置に通し、排出ガスと入口ガスとを熱交換させることが可能となるため、燃料電池の入口ガスの圧力を高くすることにより、入口ガスの温度を高くすることができ、一方、入口ガスの圧力を低くすることにより、入口ガスの温度を低くすることができる。したがって、特別に熱交換装置を設ける必要なく、加湿装置を有効利用して、燃料電池内に供給される入口ガスの温度を最適に調整することができる効果がある。
また、熱交換装置を別途設けた場合に比較して占有スペースが少なくて済み、車体重量を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第１実施形態の模式図である。
【図２】  この発明の各実施形態の加湿装置の概略構成図である。
【図３】  この発明の第１実施形態の圧力調製弁開度と各部の圧力との関係を示すグラフ図である。
【図４】  この発明の第１実施形態のＦＣ入口温度とＦＣ入口圧力との関係を示すグラフ図である。
【図５】  この発明の第１実施形態のＦＣ入口圧力とＦＣ出力との関係を示すグラフ図である。
【図６】  この発明の第２実施形態の模式図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
６  加湿装置
１７  スーパーチャージャー（反応ガス供給装置）
【図１】
0004540786.tif 000002
【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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