(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極に燃料ガス、カソード極に酸化剤ガスをそれぞれ供給してその内部で化学反応させることにより電気を発生する燃料電池と、
前記燃料電池のカソード極より排出されたカソードオフガスから前記燃料ガスに中空糸膜を介して水分を移動させるための第１の加湿器と、
該第１の加湿器を通過したカソードオフガスから前記酸化剤ガスに中空糸膜を介して水分を移動させるための第２の加湿器とを備えた燃料電池の加湿システムにおいて、
前記カソードオフガスの通路に前記第１の加湿器をバイパスさせるバイパス通路を設けたことを特徴とする燃料電池の加湿システム。
【請求項２】
前記燃料電池の出力に応じて弁開度を変更することにより、前記バイパス通路を通流する前記カソードオフガスの流量を調整するバイパス流量調整手段を前記バイパス通路に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システム。
【請求項３】
前記バイパス通路は、一端部が、前記カソードオフガスの通路で分岐しつつ前記第１の加湿器の手前に設けられて前記カソードオフガス中のミストを分配するミスト量分配手段と接続され、他端部が、前記カソードオフガスの通路と合流させるために前記第１の加湿器の後に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項４】
前記バイパス通路が、上流側から下流側に向かって水平または下り勾配に形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項に記載の燃料電池の加湿システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の加湿システムに関し、さらに詳しくは、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれを中空糸膜により加湿する燃料電池の加湿システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして固体高分子型の燃料電池が注目されている。固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ）は、常温でも発電することが可能であり、様々な用途に実用化されつつある。
【０００３】
一般に、燃料電池システムは固体高分子電解質膜を挟んで一方側にカソード極を区画し、他方側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される燃料ガス中の水素との化学反応によって発生した電力で外部負荷を駆動するシステムである。
このような燃料電池システムにおける発電効率を左右する重要なパラメータの一つとして、固体高分子電解質膜内を移動する水素イオンのイオン導電性があげられる。このイオン導電性が高いと単位時間当たりに固体高分子電解質膜内を移動できる水素イオンの数が増えるので、その分だけ電気化学反応に伴う発電量を多くすることができる。
しかしながら、イオン導電性を高く維持するためには、固体高分子電解質膜を乾燥しないように常に湿らせておく必要があり、そのために燃料電池システムには必ず加湿器が設けられている。
この加湿器としては、超音波加湿器、ノズル噴射加湿器、スチーム加湿器等種々の加湿器があるが、通常、電力消費量が少なくしかも取付けスペースが小さいという理由から中空糸膜を用いた加湿器が使用されている。
【０００４】
このような加湿器を備えた燃料電池の加湿システムとしては、例えば図１１に示すものが考えられている。
この燃料電池の加湿システム１００は、アノード極１０１ａに供給される燃料ガス中の水素と、カソード極１０１ｃに供給される酸化剤ガスである空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池１０１と、前記燃料電池１０１のアノード極１０１ａ及びカソード極１０１ｃへそれぞれ供給されるガスを、燃料電池１０１のカソード極１０１ｃから排出されるカソードオフガスとそれぞれ水分交換して加湿する２つの加湿器１０２，１０３と、アノード極１０１ａに燃料ガスを循環しながら供給するエゼクタ１０４と、カソード極１０１ｃに酸化剤ガスである空気を供給するＳ／Ｃ（スーパーチャージャ）１０５とから主要部が構成される（尚、燃料電池１０１は加湿システムの構成に含まれるものとする）。
【０００５】
このように構成される燃料電池の加湿システム１００の作用について説明する。
レギュレータ１０６で一定圧に調整されエゼクタ１０４に供給された湿度の無いまたは低湿潤のガスである燃料ガスは、エゼクタ１０４を通過した後に加湿器１０２に供給される。
加湿器１０２に供給された燃料ガス(低湿潤ガス)は、加湿器１０２内の加湿モジュールを通る間に、燃料電池１０１のカソード極１０１ｃから排出されるカソードオフガス(高湿潤ガス)により加湿された後、アノード極１０１ａに供給される。燃料電池１０１のアノード極１０１ａに送られた燃料ガス中の水素は、Ｓ／Ｃ(スーパーチャージャ)１０５から燃料電池１０１に供給される空気中の酸素と反応し発電する。燃料電池１０１で反応に使用されなかった燃料ガスはアノードオフガスとなり、後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。尚、アノードオフガスの一部は、エゼクタ１０４にて吸引され、再び燃料ガスとして循環される。
【０００６】
一方、Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１０５により大気中の低湿潤ガスである空気が吸引・加圧され、加湿器１０３に供給される。
加湿器１０３に供給された空気(低湿潤ガス)は、加湿モジュールを通る間に、加湿器１０２から排出されるカソードオフガス(高湿潤ガス)により加湿された後、カソード極１０１ｃに供給される。燃料電池１０１で燃料ガス中の水素との反応に使用されなかった空気は高湿潤ガスであるカソードオフガスとなり、最初に加湿器１０２に供給される。加湿器１０２に供給されたカソードオフガスは、加湿器１０２内の加湿モジュールを通る間に、エゼクタ１０４から加湿器１０２に供給される燃料ガスに水分を与えて加湿し、加湿器１０２から排出される。加湿器１０２から排出されたカソードオフガスは、次に加湿器１０３へと供給され、加湿器１０３内の加湿モジュールを通る間に、Ｓ／Ｃ(ス−パーチャージャ)１０５から加湿器１０３に供給される空気に水分を与えて加湿する。加湿器１０３から排出されたカソードオフガスは後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池の加湿システム１００では、以下のような問題が発生していた。
（１）燃料電池１０１へ供給する燃料ガスは、相対湿度が一定であることが要求される。しかし、燃料電池１０１の出力が大きくなると、燃料電池における化学反応が発熱反応であるため出力に比例して反応熱が大きくなるので、燃料電池１０１から排出されるオフガスの温度がどうしても上昇してしまう。そのために、燃料電池１０１へ供給する燃料ガスを加湿する加湿器１０２では、過飽和の水分を含んだ（水蒸気分圧の高い）高温のカソードオフガスで燃料ガスを加湿することになり、図１２に示すように、燃料電池１０１の要求する目標露点範囲に対して燃料ガスを過加湿（露点が高くなる）状態にしてしまう。その結果、カソードオフガスで燃料ガスを加湿し続けると、固体高分子電解質膜間に形成された隙間に水が溜まりガス流路が目詰まりする、いわゆるフラッディング現象を起こす虞があった。
（２）一方、燃料電池１０１ヘ供給する空気を加湿する加湿器１０３では、カソードオフガスが加湿器１０２に先に供給されることで燃料ガスを過加湿してしまうため、燃料電池１０１へ供給する酸化剤ガスである空気を加湿するための水分量が不足して、図１２に示すように、燃料電池１０１の要求する目標露点範囲に対して空気の露点が低くなってしまう。その結果、燃料電池１０１の固体高分子電解質膜が乾燥状態になるので安定した発電ができなくなる虞があった。
【０００８】
尚、本発明者らは、燃料ガスの過加湿を避けるために加湿器１０２内の中空糸膜の長さ、本数を変えてみたが、図１２に示す燃料電池１０１の出力に対する露点との関係は、上下方向に平行移動するだけで直線の傾きを水平方向に寝かせることができなかっただけでなく、燃料電池１０１が高出力になると今度は充分な加湿量が得られないという新たな問題が発生した。
【０００９】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、燃料電池の出力が大きくなっても、燃料電池へ供給する燃料ガスの加湿量と燃料電池へ供給する酸化剤ガスの加湿量とのバランスを維持・調整することができる燃料電池の加湿システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためになされた請求項１に係る燃料電池の加湿システムは、アノード極に燃料ガス、カソード極に酸化剤ガスをそれぞれ供給してその内部で化学反応させることにより電気を発生する燃料電池と、前記燃料電池のカソード極より排出されたカソードオフガスから前記燃料ガスに中空糸膜を介して水分を移動させるための第1の加湿器と、該第1の加湿器を通過したカソードオフガスから前記酸化剤ガスに中空糸膜を介して水分を移動させるための第２の加湿器とを備えた燃料電池の加湿システムにおいて、前記カソードオフガスの通路に前記第１の加湿器をバイパスさせるバイパス通路を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項１に記載の発明によると、カソードオフガスの通路に第１の加湿器をバイパスさせるバイパス通路を設けたことにより、燃料電池の出力が大きくなって第１の加湿器に通流するカソードオフガス量が増えても、バイパス通路の上流側の分岐点から第１の加湿器を通ってバイパス通路の下流側の合流点に至る通路の圧損とバイパス通路の圧損との圧損割合によりカソードオフガスの流量が調整されるので、第１の加湿器へ通流させるカソードオフガスの量を低減できる。その結果、第１の加湿器における燃料ガスの加湿量を低減できるようになる。
【００１２】
請求項２に係る燃料電池の加湿システムは、前記燃料電池の出力に応じて弁開度を変更することにより、前記バイパス通路を通流する前記カソードオフガスの流量を調整するバイパス流量調整手段を前記バイパス通路に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システムである。
【００１３】
請求項２に記載の発明によると、バイパス通路を通流するカソードオフガスの流量を調整するバイパス流量調整手段をバイパス通路に設け、燃料電池の出力に応じて弁開度を変更することにより、燃料電池の出力の大小に関係無く第１の加湿器に供給するカソードオフガス量を調整できるようになるので第１の加湿器における燃料ガスの加湿量を好適に低減できるようになる。
【００１４】
請求項３に係る燃料電池の加湿システムは、前記バイパス通路は、一端部が、前記カソードオフガスの通路で分岐しつつ前記第１の加湿器の手前に設けられて前記カソードオフガス中のミストを分配するミスト量分配手段と接続され、他端部が、前記カソードオフガスの通路と合流させるために前記第１の加湿器の後に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の加湿システムである。
【００１５】
請求項３に記載の発明によると、請求項１または請求項２の燃料電池の加湿システムにおいて、バイパス通路の一端部を、カソードオフガスの通路で分岐しつつ
第１の加湿器の手前に設けられて前記カソードオフガス中のミストを分配するミスト量分配手段に接続し、前記バイパス通路の他端部を、前記カソードオフガスの通路と合流させるために前記第１の加湿器の後に接続したことにより、燃料電池の出力が大きいときにミスト含有量が多いカソードオフガスを、第１の加湿器に分配せずバイパスさせることができるので、第１の加湿器の下流側に設けられた第２の加湿器に高湿度のカソードオフガスを供給できる。
【００１６】
請求項４に係る燃料電池の加湿システムは、前記バイパス通路が、上流側から下流側に向かって水平または下り勾配に形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項に記載の燃料電池の加湿システムである。
【００１７】
請求項４に記載の発明によると、バイパス通路を、水平または下り勾配に、すなわち上流側から下流側に上り勾配とならないように形成したことにより、低出力領域で流速が遅い場合でもバイパス通路に凝縮水が溜まらないようにすることができるので、凝縮水によりバイパス通路を閉塞させることが無い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
最初に、本発明に係る第１実施形態の燃料電池の加湿システムについて説明する。
尚、図１は、第１実施形態の燃料電池の加湿システムの全体構成図である。
【００１９】
第１実施形態の燃料電池の加湿システムは、アノード極１ａに供給される燃料ガス中の水素とカソード極１ｃに供給される酸化剤ガスである空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池１と、前記燃料電池１のアノード極１ａ及びカソード極１ｃへそれぞれ供給されるガスを燃料電池１のカソード極１ｃから排出されるカソードオフガスとそれぞれ水分交換して加湿する第１の加湿器及び第２の加湿器と、前記第１の加湿器をバイパスするバイパス通路７と、アノード極１ａに燃料ガスを循環しながら供給する減圧発生手段であるエゼクタ４と、カソード極１ｃに酸化剤ガスである空気を供給するＳ／Ｃ（スーパーチャージャ）５とから主要部が構成される（尚、燃料電池１は加湿システムの構成に含まれるものとする）。
【００２０】
固体高分子型の燃料電池１は、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電する。反応式で示すと、下記の通りとなる。（１）式は、アノード極１ａにおける反応を、（２）式は、カソード極１ｃにおける反応を示し、電池全体としては、（３）式に示す反応が進行する。このように、燃料電池１は、電池反応の進行に伴ってカソード極１ｃで生成水が生じる。生成水は、カソード極１ｃに供給されている空気中に気化し、未反応の空気と共に燃料電池１から排出される。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-      ------------------（１）
２Ｈ+＋（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ-------（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ----------------（３）
尚、固体高分子型の燃料電池１は、電解質層として、固体高分子膜（例えば製品名：Ｎａｆｉｏｎ）を用い、この固体高分子膜を挟持する一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極をさらに外側から挟持して燃料ガスと空気とを分離するセパレータとを有する単セルを複数積層した構造を備えている。
【００２１】
加湿器は、第１の加湿器である燃料ガス用加湿器２及び第２の加湿器である空気用加湿器３から構成され、どちらも水透過型の中空糸膜を利用した加湿器である。加湿の原理は、中空糸膜を挟んで通流されるガス中の水蒸気分圧の差を利用している。中空糸膜は、水蒸気以外のガス分子も透過する多孔性膜を使用している。
これらの加湿器は、どちらも複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束を、例えば円筒形のハウジング内に収容し、中空糸膜の内側と外側とにそれぞれ水分含有量の異なる流体を通流させて水分交換を行うようにしたものである。
【００２２】
バイパス通路７は、燃料電池１から排出されるカソードオフガスの通路において、第１の加湿器である燃料ガス用加湿器２を迂回するように設けられた配管である。
このようにカソードオフガスの通路に燃料ガス用加湿器２をバイパスさせるバイパス通路７を設けたことにより、燃料電池１の出力が大きくなって燃料ガス用加湿器２に通流するカソードオフガス量が増えても、バイパス通路７の上流側の分岐点から燃料ガス用加湿器２を通ってバイパス通路７の下流側の合流点に至る通路の圧損と、バイパス通路７の圧損との圧損割合によりカソードオフガスの流量が調整・分配されるので、燃料ガス用加湿器２へ通流させるカソードオフガスの量を低減できる。その結果、燃料ガス用加湿器２における燃料ガスの加湿量が低減できるようになる。
【００２３】
ここでカソードオフガスの流量に対するバイパス通路７及び燃料ガス用加湿器２それぞれの圧損特性を図２（ａ）に示す。
この図からも判るように、燃料ガス用加湿器２の圧損は流量に対して２乗の関数となる。一方、バイパス通路７の圧損は流量に対して1乗の関数となる。従って、燃料ガス用加湿器２は、ある流量を超えると急速に圧損が増えるが、バイパス通路７は、流量に比例するので圧損は急速には増えないという特性がある。
【００２４】
このようなバイパス通路７を設けたときの燃料電池１の出力に対するバイパス通路７及び燃料ガス用加湿器２へそれぞれ流すことができるカソードオフガスの分配率を図２（ｂ）に示す。
この図からも判るように、燃料電池１の出力が大きくなるにつれてカソードオフガスの流量が増える。しかし、燃料ガス用加湿器２では、ある流量を超えると急速に圧損が大きくなる結果、それ以上流量を流せなくなる。その結果、燃料ガス用加湿器２に流せる流量に対するバイパス通路７に流せる流量との比、すなわちバイパス通路７でのカソードオフガスの分配率は、燃料電池１の出力が増大するに従って大きくなる（バイパス通路７を流れるカソードオフガス量が多くなる）。
【００２５】
減圧発生手段であるエゼクタ４は、アノード極１ａに供給される燃料ガスを循環するための真空ポンプの１種であり、ノズル、ディフューザ、吸引室等から主要部が構成される。
エゼクタ４の主流に燃料ガスを流すことで負圧が発生し、燃料電池１のアノード極１ａから排出されたアノードオフガスの一部を吸引し、再び燃料ガスとして循環させることができる。
エゼクタ４は、真空ポンプと比較して回転・摺動等可動部分が無いので電力を消費しないで済み、かつ構造が簡単なので保守・点検が楽である。尚、ここでいうエゼクタ４の主流とは、エゼクタ４内の上流側から下流側へ向かう流れ（負圧を発生させるための流れ）を意味する。
【００２６】
Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）５は、機械式過給機であり、大気圧の空気を吸引して加圧し、燃料電池１のカソード極１ｃに供給するためのものである。
Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）５の替わりにリショルム型またはルーツ型の容積型圧縮機を使用することもできる。
【００２７】
このように構成される第１実施形態の燃料電池の加湿システムの作用について説明する。
燃料電池１の運転状況に応じてレギュレータ６により圧力を調整された低湿潤ガスである燃料ガスは、エゼクタ４により吸引・加圧され第１の加湿器である燃料ガス用加湿器２に供給される。
燃料ガス用加湿器２に供給された燃料ガス(低湿潤ガス)は、燃料ガス用加湿器２内の加湿モジュール内を通る間に、燃料電池１のカソード極１ｃから排出されるカソードオフガス(高湿潤ガス)により加湿された後、アノード極１ａに供給される。
燃料電池１のアノード極に１ａ送られた燃料ガス中の水素は、Ｓ／Ｃ(スーパーチャージャ)５から燃料電池１に供給される空気中の酸素と反応し発電する。燃料電池１で反応に使用されなかった燃料ガスはアノードオフガスとなり、後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。尚、アノードオフガスの一部は、エゼクタ４に吸引され、再び燃料ガスとして循環される。
【００２８】
一方、Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）５により大気中の低湿潤ガスである空気が吸引・加圧され、空気用加湿器３に供給される。
空気用加湿器３に供給された空気(低湿潤ガス)は、加湿モジュールを通る間に、燃料ガス用加湿器２から排出されるカソードオフガス(高湿潤ガス)により加湿された後、カソード極１ｃに供給される。燃料電池１で燃料ガス中の水素との反応に使用されなかった空気は高湿潤ガスであるカソードオフガスとなり、燃料ガス用加湿器２に供給される。このときカソードオフガスの通路に第１の加湿器である燃料ガス用加湿器２を迂回させるバイパス通路７を設けたので、燃料電池１の出力が大きくなり燃料ガス用加湿器２に通流するカソードオフガス量が増えても、バイパス通路７の上流側の分岐点から燃料ガス用加湿器２を通ってバイパス通路７の下流側の合流点に至る通路の圧損と、バイパス通路７の圧損との圧損割合によりカソードオフガスの流量が調整・分配されるので、燃料ガス用加湿器２における燃料ガスの加湿量が過大になることがない。
【００２９】
バイパス通路７を通らず、燃料ガス用加湿器２に供給されたカソードオフガスは、加湿モジュールを通る間に、エゼクタ４を通じて燃料ガス用加湿器２に供給される燃料ガスに水分を与えて加湿し、燃料ガス用加湿器２から排出される。燃料ガス用加湿器２から排出されたカソードオフガスは、バイパス通路７からのカソードオフガスと合流してさらに空気用加湿器３へと供給され、加湿モジュールを通る間に、Ｓ／Ｃ(ス−パーチャージャ)５から空気用加湿器３に供給される空気に水分を与えて加湿する。空気用加湿器３から排出されたカソードオフガスは後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。
【００３０】
このようにカソードオフガスの通路に第１の加湿器である燃料ガス用加湿器２を迂回させるバイパス通路７を設けたことにより、燃料電池１の出力が大きくなりカソードオフガス量が増えても、バイパス通路７の上流側の分岐点から燃料ガス用加湿器２を通ってバイパス通路７の下流側の合流点に至る通路の圧損と、バイパス通路７の圧損との圧損割合によりカソードオフガスの流量が調整・分配されるので、燃料ガス用加湿器２へ通流させるカソードオフガスの流量を低減できる。その結果、燃料電池１の高出力領域における燃料ガスの加湿量を低減できるようになる。従って燃料電池１の出力の大小に関係なく燃料電池１へ供給される燃料ガスの露点を平坦化することができ、かつ、バイパス通路７を通って空気用加湿器３へミスト含有量が多いカソードオフガスを直接供給できるようになるため燃料電池１へ供給する空気の露点が高くなる。
【００３１】
次に、本発明に係る第２実施形態の燃料電池の加湿システムについて図面を参照して説明する。
第２実施形態の燃料電池の加湿システムの全体構成図を図３に示す。
第２実施形態の燃料電池の加湿システムと第１実施形態の燃料電池の加湿システムとの構成の違いは、図からも判るように、バイパス通路７にバイパス流量調整手段である流量調整弁７ａを設けただけなので、流量調整弁７ａについてのみ説明する。
尚、第１実施形態の燃料電池の加湿システムと同じ部材については同じ符号を付して説明する。
【００３２】
バイパス通路７に設けられたバイパス流量調整手段である流量調整弁７ａは、ニードル弁やゲート弁等の流量制御性の良い弁が使用される。
流量調整弁７ａの弁開度に対する流量特性を図４に示す。この図からも判るように、弁開度が大きくなるに従ってバイパス通路７を流れるカソードオフガスのオフガス分配率（流量割合）が増加する。流量特性としては、弁開度の増加分に対して流量の増加分が等しいイコールパーセント特性の弁が使用される。
燃料電池１の出力に応じて流量調整弁７ａの弁開度を変更することにより、バイパス通路７を通流するカソードオフガスの流量を好適に調整することができる。
このようにバイパス通路７に流量調整弁７ａを設けて、燃料電池１の出力に応じて弁開度を変更することにより、高出力領域における燃料ガス用加湿器２へ供給するカソードオフガスの流量を、第１実施形態の燃料電池の加湿システムよりも細かく調整できるようになる。その結果、燃料ガス用加湿器２における燃料ガスの加湿量をより細かく低減できるようになる。従って、燃料電池１の出力の大小に関係なく燃料電池１へ供給される燃料ガスの露点を平坦化することができ、かつ、バイパス通路７を通って空気用加湿器３へミスト含有量が多いカソードオフガスを直接供給できるようになるため燃料電池１へ供給する空気の露点が高くなる。
【００３３】
本発明に係る第３実施形態の燃料電池の加湿システムは、第１実施形態の燃料電池の加湿システム及び第２実施形態の燃料電池の加湿システムにおいて、バイパス通路７の一端部を、カソードオフガスの通路から分岐しつつ燃料ガス用加湿器２の手前に設けられて前記カソードオフガス中のミストを分配するミスト量分配手段と接続し、さらにバイパス通路７の他端部を、前記カソードオフガスの通路と合流させて前記第１の加湿器の後に接続したものである。
【００３４】
このようにバイパス通路７を、前記カソードオフガス中のミストを分配するミスト量分配手段に通流可能に接続させることにより、燃料ガス用加湿器２へ通流させるカソードオフガスの流量を低減できる。その結果、燃料電池１の高出力領域における燃料ガスの加湿量を低減できるようになる。従って燃料電池１の出力の大小に関係なく燃料電池１へ供給される燃料ガスの露点を平坦化することができ、かつ、バイパス通路７を通って空気用加湿器３へミスト含有量が多いカソードオフガスを直接供給できるようになるため燃料電池１へ供給する空気の露点が高くなる。
【００３５】
次に、燃料ガス用加湿器２の手前に設けられ、前記カソードオフガス中のミストを分配するミスト量分配手段の実施形態について図面を参照して説明する。
最初に図５を参照して、第３実施形態の燃料電池の加湿システムで使用される第１実施形態のミスト量分配手段について説明する。
図５（ａ）は、カソードオフガスの通路と燃料ガス用加湿器２とバイパス通路７との接続関係を示す図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
【００３６】
第１実施形態のミスト量分配手段は、カソードオフガスの通路であって燃料ガス用加湿器２の手前に設けられ、カソードオフガス中のミスト量を分配する配管部材である。配管部材は、図５（ｂ）に示すように３種類あり、燃料電池１の出力に合わせてこれらの配管部材の中から適宜選択されて使用される。この断面形状は、燃料電池１が低出力から高出力になるに従ってカソードオフガス中のミスト発生量が増大し、発生したミストが一番流速の速いカソードオフガスの通路の中心部を通過する割合が大きくなるという特性に基づいて考えられた形状である。
【００３７】
すなわち、図５（ｂ）の形状▲１▼は、高出力用の断面形状を示したものである。バイパス通路７に迂回するカソードオフガスの流量を多くして、カソードオフガスの通路の中心部を通過する割合が大きくなるミストをなるべく燃料ガス用加湿器２側へ行かないよう低減するため、上向きに円弧状の板を仕切り壁ＣＷ１として配管内に設けたものである。
このような仕切り壁ＣＷ１を設けることにより、カソードオフガスの通路の中心を通過するミストは、仕切り壁ＣＷ１に衝突してバイパス通路７側に回収され、
燃料ガス用加湿器２へは、ミスト含有量の少ないカソードオフガスが通流されることになる。
また、図５（ｂ）の形状▲２▼は、低出力用の断面形状を示したものである。バイパス通路７に迂回するカソードオフガス量を少なくして、燃料ガス用加湿器２になるべくミスト量を多く供給できるようにするため、下向きに円弧状の板を仕切り壁ＣＷ２として配管内に設けたものである。
このような仕切り壁ＣＷ２を設けることにより、カソードオフガスの通路の中心側を通過する大部分のミストは、燃料ガス用加湿器２に供給され、バイパス通路７側には、ミスト含有量が少ないカソードオフガスが通流される。
また、図５（ｂ）の形状▲３▼は、中出力用の断面形状を示したものである。形状▲１▼と形状▲２▼の中間の機能を示す形状をしている。すなわち、直線状の板を仕切壁ＣＷ３として配管の中心よりも下方に設けたものである。
このような仕切り壁ＣＷ３を設けることにより、カソードオフガスの通路を通過するミストは、燃料ガス用加湿器２及びバイパス通路７にそれぞれ略半分づつ供給される。
尚、バイパス通路７の傾斜は、上流側から下流側に向かって上り勾配とならないように、すなわち水平または下り勾配となるように設定される（本実施形態では下り勾配に設定）。このようにすることによりバイパス通路７内の何れかの場所に液溜まりを発生させないようにすることができる。従って凝縮水によってバイパス通路７を閉塞することがない。
【００３８】
このように第１実施形態のミスト量分配手段を、バイパス通路の上流側に設けたことにより、燃料電池１の出力が最大のときであっても、ミスト含有量が多いカソードオフガスを燃料ガス用加湿器２の周りで迂回させることができるので、燃料ガス用加湿器２へ通流させるカソードオフガスの流量（ミスト量）を低減できる。その結果、燃料電池１の高出力領域における燃料ガスの加湿量を低減できるようになる。従って燃料電池１の出力の大小に関係なく燃料電池１へ供給される燃料ガスの露点を平坦化することができ、かつ、バイパス通路７を通って空気用加湿器３へミスト含有量が多いカソードオフガスを直接供給できるようになるため燃料電池１へ供給する空気の露点が高くなる。
【００３９】
次に、第２実施形態のミスト量分配手段について図６を参照して説明する。
第２実施形態のミスト量分配手段は、図６に示すように、燃料ガス用加湿器２の上流側では、カソードオフガスの通路をＴ字に分岐して９０度エルボの配管を燃料ガス用加湿器２に接続し、燃料ガス用加湿器２の下流側は、燃料ガス用加湿器２とカソードオフガスの通路間を９０度エルボの配管を接続してＴ字に合流させるようにしたものである。
バイパス通路７′は、カソードオフガスの通路の中心とバイパス通路７′の中心とが一直線上になるように接続されている。バイパス通路７′は、上流側が、カソードオフガスの通路とは漸次縮小する配管により接続され、下流側が、カソードオフガスの通路とは漸次拡大する配管により接続されている。すなわちバイパス通路７′の配管径はカソードオフガスの通路の径よりも細い径の配管で形成されている。尚、配管は円形でも長方形でも良い。
このようにすることにより圧損を少なくしながらバイパス通路７′を通流するガス流速を高めて通過させることができるのでガス流れによる液体の運搬能力向上により、凝縮水による液溜まりの発生を抑えることができる。
尚、バイパス通路７′の傾斜は、上流側から下流側に向かって例えば下り勾配となるように設けられる。このようにすることによりバイパス通路７′内に液溜まりを発生させないようにすることができる。従って凝縮水によってバイパス通路７′を閉塞することがない。
【００４０】
このように構成することにより、燃料電池１が低出力から高出力になるに従ってミスト発生量が増大し、ミストが一番流速の速いカソードオフガスの通路の中心部を通過する割合が大きくなるが、バイパス通路７′がカソードオフガスの通路と一直線上に接続されているため、ミスト含有量が多いカソードオフガスはバイパス通路７′を通過してしまうため燃料ガス用加湿器２へ通流させるカソードオフガスの流量（ミスト量）を低減できる。その結果、燃料電池１の高出力領域における燃料ガスの加湿量を低減できるようになる。従って燃料電池１の出力の大小に関係なく燃料電池１へ供給される燃料ガスの露点を平坦化することができ、かつ、バイパス通路７を通って空気用加湿器３へミスト含有量が多いカソードオフガスを直接供給できるようになるため燃料電池１へ供給する空気の露点が高くなる。
尚、図６に示す加熱器８によりバイパス通路７′を加熱するようにすれば、さらに高温高湿なカソードオフガスを空気用加湿器３に供給できる。
【００４１】
次に、第３実施形態のミスト量分配手段について図７を参照して説明する。但し、図７は、中空のパイプ１１の機能を理解しやすくするため模式図で示してある。すなわち、実際上ガス分配器２ａ，２ｂの内部及び加湿モジュール１０には、カソードオフガスの通路とは別に燃料ガスの通路も形成されているがここでは省略する。
第３実施形態のミスト量分配手段は、図７に示すように、燃料ガス用加湿器２のガス分配器２ａ，２ｂの水平方向に適宜間隔を設けて固定された複数の加湿モジュール１０（本実施形態では５本）のうち、1本以上の加湿モジュール１０（本実施形態では1本）を加湿モジュール１０と同じ大きさの中空のパイプ１１に置き換えたものである。
このようにダミーの中空のパイプ１１を設けることにより、加湿モジュール１０に通流できるカソードオフガスの流量が、燃料ガス用加湿器２内の各通路の圧損割合により分配されるので、下流側の空気用加湿器３に、加湿モジュール１０を通過しないミスト含有量の多いカソードオフガスを直接供給できる。その結果、燃料電池１の出力の大小に関係なく燃料電池１へ供給される燃料ガスの露点を平坦化することができ、かつ、中空のパイプ１１を通って空気用加湿器３へミスト含有量が多いカソードオフガスを直接供給できるようになるため燃料電池１へ供給する空気の露点が高くなる。
【００４２】
第４実施形態のミスト量分配手段について図８を参照して説明する。
第４実施形態のミスト量分配手段は、燃料ガス用加湿器２の上流側に設けた折れ板型のミストエリミネータ９である。折れ板９ａの断面形状は山形であり、上流側に開口部を向けて複数個配設されている。
カソードオフガス中のミストを、折れ板９ａに衝突させて燃料ガス用加湿器２へ供給するカソードオフガス中のミスト量を調整するものである。
燃料ガス用加湿器２へ供給するカソードオフガス中のミスト量は、折れ板９ａの形状や取り付ける数、配置等によって適宜調整することができる。
カソードオフガスの通路と燃料ガス用加湿器２とは一直線上に接続されている。
一方、バイパス通路７″は、一端部が、燃料ガス用加湿器２の上流側でＴ字に分岐された配管に接続され、他端部が、燃料ガス用加湿器２の下流側でカソードオフガスの通路と接続されＴ字に合流されている。
その結果、下流側の空気用加湿器３にも高湿度のカソードオフガスを供給できるようになるので、燃料電池１の出力の大小に関係なく燃料電池１へ供給される燃料ガスの露点を平坦化することができ、かつ、バイパス通路７″を通って空気用加湿器３へミスト含有量が多いカソードオフガスを直接供給できるようになるので燃料電池１へ供給する空気の露点が高くなる。
【００４３】
第５実施形態のミスト量分配手段について図９を参照して説明する。尚、第４実施形態のミスト量分配手段と同じ部材については同じ符号を付して説明する。第５実施形態のミスト量分配手段は、燃料ガス用加湿器２の上流側に設けた絞り機構、例えばオリフィス１０ａの下流側に複数の衝突板１０ｂを設けたミストエリミネータ１０である。
ミストエリミネータ１０は、カソードオフガス中のミストの流速をオリフィス１０ａを設けて強制的に上昇させ、その下流側に設けた衝突板１０ｂにミストを衝突させて燃料ガス用加湿器２に導入するミスト量を調整するためのものである。
カソードオフガスの通路と燃料ガス用加湿器２とは一直線上に接続されている。
バイパス通路７″は、一端部が、燃料ガス用加湿器２の上流側でＴ字に分岐された配管に接続され、他端部が、燃料ガス用加湿器２の下流側でカソードオフガスの通路と接続されＴ字に合流されている。
その結果、下流側の空気用加湿器３にも高湿度のカソードオフガスを供給できるようになるので、燃料電池１の出力の大小に関係なく燃料電池１へ供給される燃料ガスの露点を平坦化することができ、かつ、バイパス通路７″を通って空気用加湿器３へミスト含有量が多いカソードオフガスを直接供給できるようになるので燃料電池１へ供給する空気の露点が高くなる。
【００４４】
最後に、第３実施形態の燃料電池の加湿システムを実際に燃料電池に適用した場合の燃料ガスの露点及び空気の露点の実測データを図１０に示す。
この図からも判るように、バイパス通路を設けたことにより燃料電池１の出力が大きくなっても燃料ガスの露点及び空気の露点が燃料電池の目標露点範囲に入ることがわかる。尚、露点の目標値はあくまで一例である。
【００４５】
以上、各実施形態で説明したように、燃料電池から排出されるカソードオフガスの通路に設けられた燃料ガス用加湿器の外部または内部をバイパスさせるバイパス通路（第３実施形態のミスト量分配手段の中空パイプをバイパス通路とみなす）を設けるようにしたことにより、燃料電池の出力が大きくなっても、燃料電池へ供給する燃料ガスの加湿量と燃料電池へ供給する空気の加湿量とのバランスを維持・調整することができる燃料電池の加湿システムを提供できる。
【００４６】
尚、本発明に係る燃料電池の加湿システムはこれに限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲で適宜変更して実施可能である。
例えばミスト量分配手段としてカソードオフガスの通路にウレタンフォーム等の濾材を充填したフィルタ型のミストエリミネータも使用できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の構成と作用からなる本発明によれば、以下の効果を奏する。
１．請求項１に記載の発明によれば、カソードオフガスの通路に第１の加湿器をバイパスさせるバイパス通路を設けたことにより、燃料電池の出力が大きくなって第１の加湿器に通流するカソードオフガス量が増えても、バイパス通路の上流側の分岐点から第１の加湿器を通ってバイパス通路の下流側の合流点に至る通路の圧損とバイパス通路の圧損との圧損割合によりカソードオフガスの流量が調整されるので、第１の加湿器へ通流させるカソードオフガスの量を低減できる。その結果、第１の加湿器における燃料ガスの加湿量を低減できるようになる。
２．請求項２に記載の発明によれば、バイパス通路を通流するカソードオフガスの流量を調整するバイパス流量調整手段をバイパス通路に設け、燃料電池の出力に応じて弁開度を変更することにより、燃料電池の出力の大小に関係無く第１の加湿器に供給するカソードオフガス量を調整できるようになるので第１の加湿器における燃料ガスの加湿量を好適に低減できるようになる。
３．請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２の燃料電池の加湿システムにおいて、バイパス通路の一端部を、カソードオフガスの通路で分岐しつつ第１の加湿器の手前に設けられて前記カソードオフガス中のミストを分配するミスト量分配手段に接続し、前記バイパス通路の他端部を、前記カソードオフガスの通路と合流させるために前記第１の加湿器の後に接続したことにより、燃料電池の出力が大きいときにミスト含有量が多いカソードオフガスを、第１の加湿器に分配せずバイパスさせることができるので、第１の加湿器の下流側に設けられた第２の加湿器に高湿度のカソードオフガスを供給できる。
４．請求項４に記載の発明によれば、バイパス通路を、水平または下り勾配に、すなわち上流側から下流側に上り勾配とならないように形成したことにより、低出力領域で流速が遅い場合でもバイパス通路に凝縮水が溜まらないようにすることができるので、凝縮水によりバイパス通路を閉塞させることが無い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態の燃料電池の加湿システムの全体構成図である。
【図２】（ａ）カソードオフガスの流量に対するバイパス通路及び燃料ガス用加湿器それぞれの圧損特性を示す図である。
（ｂ）バイパス通路を設けたときの燃料電池の出力に対するバイパス通路及び燃料ガス用加湿器へそれぞれ流すことができるカソードオフガスの分配率を示す図である。
【図３】本発明に係る第２実施形態の燃料電池の加湿システムの全体構成図である。
【図４】バイパス通路に設けた流量調整弁の弁開度に対する流量特性を示す図である。
【図５】第１実施形態のミスト量分配手段を示す図である。
（ａ）燃料ガス用加湿器周りのバイパス通路との接続関係を示す図である。
（ｂ）図５（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
【図６】第２実施形態のミスト量分配手段を示す図である。
【図７】第３実施形態のミスト量分配手段を示す図である。
【図８】第４実施形態のミスト量分配手段を示す図である。
【図９】第５実施形態のミスト量分配手段を示す図である。
【図１０】第３実施形態の燃料電池の加湿システムを実際に燃料電池に適用した場合の燃料ガスの露点及び空気の露点の実測データを示す図である。
【図１１】従来の燃料電池の加湿システムの全体構成図である。
【図１２】従来の燃料電池の加湿システムを燃料電池に適用した場合の燃料ガスの露点及び空気の露点を示す図である。
【符号の説明】
１                        燃料電池
１ａ                      アノード極
１ｃ                      カソード極
２                        燃料ガス用加湿器（第１の加湿器）
３                        空気用加湿器（第２の加湿器）
４                        エゼクタ
５                        Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）
６                        レギュレータ
７                        バイパス通路
７ａ                      流量調整弁（流量調整手段）
【図１】
0003871251.tif 000002
【図２】
0003871251.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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