JP4603920B2 - 燃料電池用加湿装置及びこれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に使用される燃料電池用加湿装置及びこの燃料電池用加湿装置を備えた燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池に使用される燃料電池用加湿装置として、水蒸気交換膜を介して、燃料電池から排出されるオフガスと、燃料電池に供給される供給ガス（反応ガス）との間の水分交換を行っているものがある。

このような燃料電池用加湿装置としては、例えば、水蒸気透過膜と、この水蒸気透過膜により画成された加湿ガス室及び被加湿ガス室を備え、燃料電池から排出される反応後のオフガスを加湿ガス、燃料電池に供給する反応ガス（供給ガス）を被加湿ガスとして反応ガスを加湿する反応ガス加湿装置が紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。

また、中空糸膜モジュールを複数備えたアノード加湿器と、中空糸膜モジュールを複数備えたカソード加湿器からなる燃料電池用加湿装置（加湿器）も紹介されている。この燃料電池用加湿装置は、中空糸膜モジュールの両端を保持する一対のヘッドと、当該ヘッド各々を連結する連結部材と、前記ヘッドが有する供給ガス（反応ガス）の出口及び供給ガスの入口を温めるようにした温水ライザーとを備えて構成されている。（例えば、特許文献２参照）。
特開平６−１３２０３８号公報 特開２００４−１６５０６２号公報

ここで、燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池では、その出力性能が、供給ガスの加湿状態に大きく依存している。しかしながら、前述した従来の燃料電池用加湿装置は、その運転条件や、置かれている環境条件等によって、加湿特性が影響され易い。また、燃料電池の負荷変動に起因して加湿量が変動し易い。

具体的には、従来の燃料電池用加湿装置の構造では、例えば、加湿セルあるいは燃料電池用加湿装置が置かれている環境温度変化の他、燃料電池用加湿装置内で行われる供給ガスとオフガスとの水交換効率の低下に起因して燃料電池用加湿装置内に発生する水凝縮によるガス流通状態の変化等が起こり易く、性能の安定性を維持することが困難である。したがって、動作環境や、燃料電池の出力レベル等、内外因に影響され難く、安定した加湿能力を発揮することができる燃料電池用加湿装置の提供が望まれている。

また、前述したバイパスバルブの開閉によって、燃料電池用加湿装置に対し供給ガスあるいはオフガスをバイパスさせる方法は、バイパスバルブの開閉動作頻度が高い場合、当該バイパスバルブの使用寿命を向上させる必要がある。さらにまた、バイパスバルブの開閉動作に関わる電力消費が増加し、システムの効率を低下させる虞もある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、加湿量及び熱交換量を適切に調整することが可能であると共に、周囲の環境温度変化によって加湿特性が影響されることを防止することが可能であり、信頼性、安定性、制御性が向上した燃料電池用加湿装置、及びこの燃料電池用加湿装置を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、燃料電池に供給される供給ガスと、燃料電池から排出されるオフガスとを導入し、水交換膜を介して加湿を行う燃料電池用加湿装置であって、前記水交換膜と、当該水交換膜の一方の面に配設され前記供給ガスが流通する供給ガス流路と、前記水交換膜の他方の面に配設され前記オフガスが流通するオフガス流路と、を有する加湿セルと、前記加湿セルと独立に形成され、前記供給ガス流路及びオフガス流路のいずれか一方に連通して前記供給ガスまたはオフガスを流通させるガス流通路を有すると共に、当該加湿セルに隣接して配設されるガス流通部と、を備えてなる燃料電池用加湿装置を提供するものである。

この構成を備えた燃料電池用加湿装置は、供給ガス及びオフガスのいずれか一方のみがガス流通部を流通（通過）するため、ガス流通部では、オフガスと供給ガスとの水交換及び熱交換が行われない。したがって、例えば、ガス流通部にオフガスが流通する場合、燃料電池内での温度にほぼ等しい温度のオフガスが、ガス流通部内に導入されることになる。このため、燃料電池用加湿装置を保温することができると共に、燃料電池用加湿装置からの放熱、あるいは周囲環境からの受熱を防止することができる。

また、ガス流通部にオフガスが流通する場合、一定のガス利用率下であれば、ガス流通路を通過した（バイパスされた）オフガスの分だけ、加湿セル内を流通するオフガス量が少なくなる。したがって、加湿セル内では、オフガス量に対し、供給ガス量が相対的に増加することになり、オフガスに対する供給ガスの相対比率を高くすることができる。したがって、燃料電池用加湿装置の水交換効率比（水交換膜を介して供給ガスを加湿した水［mol／sec］対オフガス中の水［mol／sec］）を高くする、すなわち、供給ガスを加湿した水：オフガス中の水を、１：１に近づけることができる。このため、加湿セル内で、供給ガスとオフガスとの間の水交換を効率よく行うことができる。したがって、加湿セル内での水交換が十分に行えない際に生じる凝縮水の発生を防止でき、燃料電池用加湿装置の運転安定性を向上することができる。

一方、ガス流通部に供給ガスが流通する場合、流通ガスを流通させるためのポンプやコンプレッサ等の圧縮過程で、ある程度高温となった供給ガスが、ガス流通部内を流通することになる。したがって、この場合も、燃料電池用加湿装置を保温することができると共に、燃料電池用加湿装置からの放熱、あるいは周囲環境からの受熱を防止することができる。

前記ガス流通部は、ガス流通セルから構成することができる。また、このガス流通セルは、前記加湿セルの供給ガス流路及びオフガス流路の少なくとも一方と並列に配設することができる。そしてまた、前記ガス流通セルは、前記加湿セルの一方の端部に配設してもよく、両端部に配設してもよい。前記ガス流通セルを両端部に配設すれば、加湿セルの端部からの放熱をより効果的に防止することができる。

また、本発明にかかる燃料電池用加湿装置は、前記加湿セルを複数枚並列に配設してなり、前記ガス流通セルを当該加湿セルの間に配設してもよい。このようにすることで、前記利点に加え、燃料電池用加湿装置の保温性をさらに向上することができ、また、加湿セル内での水交換をさらに効率よく行うことができる。

また、本発明は、燃料電池と、当該燃料電池に供給ガスを供給するガス供給路と、当該燃料電池から排出されたオフガスが通過するガス排出路と、前述した燃料電池用加湿装置を備えてなる燃料電池システムを提供するものである。

この構成を備えた燃料電池システムは、燃料電池用加湿装置を保温することができると共に、燃料電池用加湿装置からの放熱、あるいは周囲環境からの受熱を防止することができる。また、加湿セル内で水交換を効率よく行うことができる。

また、本発明にかかる燃料電池システムでは、前記ガス排出路は、前記燃料電池と燃料電池用加湿装置との間で分岐されてなり、前記オフガスを当該分岐路に分岐流通させる分岐流通手段が配設されてなる構成とすることができる。この場合、例えば、前記分岐流通手段がバルブであり、当該バルブの開閉に応じて、前記オフガスを前記分岐路に流通させることもできる。

このように構成することで、余計なオフガスを分岐路から排出することができるため、燃料電池の負荷変化（例えば、ガス流量の変化等）に対応して、燃料電池用加湿装置に導入されるオフガスの量を変更でき、燃料電池用加湿装置における加湿量を制御することができる。この時、前記ガス流通部（ガス流通セル）により、バルブ閉時（オフガスが分岐路に流通しない時）のオフガス過剰分を吸収する（加湿セルを通過させずにバイパスさせる）ことができるため、バルブの作動頻度を低減することができる。したがって、バルブの使用寿命を向上させることができる。さらに、前記制御のロバスト性を向上することもできる。また、バルブ開時は、分岐路から排出されるオフガスの量とガス流通部を通過するオフガスの量の合計が、実質バイパス量となるため、分岐路から排出されるオフガス量、すなわち、バルブを通過するオフガス量を低減することができるため、大口径のバルブを使用する必要がなく、バルブの駆動電力を節約することができる。

本発明にかかる燃料電池用加湿装置は、ガス流通部においてオフガスと供給ガスとの水交換及び熱交換がないため、燃料電池用加湿装置を保温することができると共に、燃料電池用加湿装置からの放熱、あるいは周囲環境からの受熱を防止することができる。この結果、周囲の環境温度変化によって加湿特性が影響されることを防止することができる。また、加湿セル内で水交換を効率よく行うことができる。この結果、信頼性、安定性、制御性が向上した燃料電池用加湿装置を提供することができる。

また、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池用加湿装置を保温することができ且つ燃料電池用加湿装置からの放熱、あるいは周囲環境からの受熱を防止することができる。さらにまた、加湿セル内で水交換を効率よく行うことができる。この結果、信頼性、安定性、制御性が向上した燃料電池システムを提供することができる。

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池用加湿装置及びこの燃料電池用加湿装置を備えた燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１にかかる燃料電池用加湿装置の断面図、図２は、図１に示す燃料電池用加湿装置の加湿セルの一部を示す断面図、図３は、図１に示す燃料電池用加湿装置の加湿セルの一部及びガス流通セルを示す断面図、図４は、図３に示すガス流通セルの内面を示す平面図、図５は、図１に示す燃料電池用加湿装置を備えた燃料電池システムの一部を模式的に示す図、図６は、図１に示す燃料電池用加湿装置における供給ガス及びオフガスの流れを模式的に示す図である。

本実施の形態にかかる燃料電池用加湿装置１は、図５に示すように、燃料電池システムに組み込まれ、図示しない供給ガス供給源に接続され且つ燃料電池１００に供給ガス（酸化剤ガス及び／または燃料ガス）を供給するガス供給路５０と、燃料電池１００から排出されたオフガスを排出するガス排出路６０に接続されている。

この燃料電池用加湿装置１は、図１〜図４に示すように、複数の加湿セル１１が並設されてなる加湿セル群１０と、加湿セル群１０の加湿セル並設方向両端部に配設されたガス流通セル２０を備えて構成されている。

加湿セル１１は、特に図２に示すように、燃料電池１００（図５参照）に供給される供給ガスが流通する供給ガス流路板１２と、供給ガス流路板１２に対向配置され且つ燃料電池１００から排出されるオフガスが流通するオフガス流路板１３と、供給ガス流路板１２及びオフガス流路板１３との間に介在する水交換膜１４を備えている。

供給ガス流路板１２の水交換膜１４に臨む面には、複数の隔壁部１５が互いに間隔をおいて平行に配設されており、これらの隔壁部１５によって、複数の供給ガス流路１６（多数の平行溝）が形成されている。また、オフガス流路板１３の水交換膜１４に臨む面には、複数の隔壁部１７が互いに間隔をおいて平行に配設されており、これらの隔壁部１７によって、複数の供給ガス流路１８（多数の平行溝）が形成されている。これらの供給ガス流路板１２及びオフガス流路板１３は、例えば、金属、カーボン、プラスチック、樹脂、ゴム等から好適に構成することができる。

水交換膜１４は、供給ガスとオフガスとの間の水分交換を行うものであり、例えば、イオン交換樹脂膜、多孔質膜等から好適に構成することができる。

ガス流通セル２０は、特に図３に示すように、ガス流路板２１からなり、このガス流路板２１の加湿セル１１に臨む面には、複数の隔壁部２２が互いに間隔をおいて平行に配設されており、これらの隔壁部２２によって、複数のガス流路２３が形成されている。さらにガス流通セル２０には、図４に示すように、複数のガス流路２３に連通したガス導入口２４と、ガス導入口２４から複数のガス流路２３を経たガスが排出されるガス排出口２５が形成されている。

ガス流通セル２０のガス導入口２４にはガス供給路５０またはガス排出路６０のいずれか一方のみが接続される。したがって、複数のガス流路２３には、供給ガスまたはオフガスのいずれか一方のみが流通することになる。なお、実施例１では、ガス導入口２４にガス排出路６０を接続し（図６参照）、複数のガス流路２３には、オフガスのみが流通するようにした。

より具体的には、図６に示すように、ガス流通セル２０のガス導入口２４及び各々の加湿セル１１のオフガス導入口（図示せず）からはオフガスが導入される。一方、各々の加湿セル１１の供給ガス導入口（図示せず）からは供給ガスが導入される。ここで、実施例１にかかるガス流通セル２０は、前述したように、オフガスのみが導入され、供給ガスは導入されない。つまり、供給ガスは、ガス流通セル２０を流通することなく各々の加湿セル１１に導入される。一方、各々の加湿セル１１には、オフガス及び供給ガスが導入され、水交換膜１４を介して供給ガスとオフガスとの間の水分交換が行われる。

ガス流通セル２０に導入されたオフガスは、複数のガス流路２３を流通し、ガス排出口２５から外部に排出される。したがって、ガス流通セル２０内では、オフガスと供給ガスとの間で熱交換及び水交換が行われることはない。したがって、燃料電池１００内における温度にほぼ等しい温度のオフガスが、ガス流通セル２０内を流通することになるため、燃料電池用加湿装置１を保温することができる。また、燃料電池用加湿装置１の端部からの放熱、あるいは周囲環境からの受熱を防止することができる。

さらにまた、燃料電池用加湿装置１では、ガス流通セル２０のガス流通路２３を通過した（バイパスされた）オフガスの分だけ、加湿セル１１内に供給されるオフガス量が少なくなる。したがって、加湿セル１１内における供給ガス量が相対的に増加することになり、オフガスに対する供給ガスの相対比率が高くなる。したがって、燃料電池用加湿装置１において、水交換膜１４を介して供給ガスの加湿に使用される水［mol／sec］対オフガス中の水［mol／sec］を１：１に近づけることができる。このため、加湿セル１１内での水交換を効率よく行うことができる。この結果、加湿セル１１内に凝縮水が発生することを防止でき、燃料電池用加湿装置１の運転安定性を向上することができる。

また、実施例１にかかる燃料電池用加湿装置１のように、加湿セル群１０の両端部にガス流通セル２０を各々配設した構成のものは、オフガス全体量に占める、ガス流通セル２０を流通するオフガス量が、各加湿セル１１間の配流率の偏在によるオフガス流量の増減によって変化するため、負荷変動に伴うオフガス流量の変化に自律的に応答することもできる。

なお、本発明にかかる燃料電池用加湿装置１は、酸化剤ガス系に配設して酸化剤ガスを加湿してもよく、燃料ガス系に配設して燃料ガスを加湿してもよい。また、酸化剤ガス系及び燃料ガス系の両方に配設して、酸化剤ガス及び燃料ガスの両者を加湿してもよい。

また、実施例１では、ガス流通セル２０のガス導入口２４にガス排出路６０を接続し、複数のガス流路２３にオフガスのみが流通する構成とした場合について説明したが、これに限らず、ガス導入口２４にガス供給路５０を接続し、複数のガス流路２３に供給ガスのみが流通する構成としてもよい。

そしてまた、実施例１では、ガス流通セル２０を加湿セル群１０の両端部に一列ずつ配設した場合について説明したが、これに限らず、ガス流通セル２０は、所望により複数枚を並列して配設してもよい。また、ガス流通セル２０の配設位置も特に限定されるものではない。

例えば、図７に示すように、ガス流通セル２０を加湿セル群１０の間に配設してもよい。図７では、ガス流通セル２０を加湿セル群１０の中央にガス流通セル２０を配設しているが、これに限らず、ガス流通セル２０は、例えば、加湿セル１１と交互に配設してもよく、二つおき、三つおき等、一定の枚数の加湿セル１１毎に配設してもよい。なお、ガス流通セル２０を加湿セル群１０の間に配設する場合、加湿セル群１０の両端部にガス流通セル２０を必ずしも配設しなくてもよい。このように、ガス流通セル２０を加湿セル群１０の間に配設することで、燃料電池用加湿装置１の保温性をさらに向上することができる。また、加湿セル１１内での水交換をさらに効率よく行うことができる。

さらにまた、実施例１では、加湿セル群１０の加湿セル並設方向両端部にガス流通セル２０を配設した場合について説明したが、これに限らず、ガス流通セル２０は、例えば、加湿セル並設方向に対し直交する方向の端部に設けてもよい。また、加湿セル１１の供給ガス導入口、供給ガス排出口とは独立して、供給ガスまたはオフガスを流通させる流通口を設ける等してもよい。なお、加湿セル１１の供給ガス導入口、供給ガス排出口とは独立して設けられた前記流通口は、加湿セル１１を積層した場合に、ガス流通マニホールドとなる。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、実施例２では、実施例１で説明した部材と同様の部材については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図８は、実施例２にかかる燃料電池システムの一部を示す概略図である。なお、実施例２では、実施例１で説明した燃料電池用加湿装置１を酸化剤ガス系に配設して酸化剤ガス（空気）を加湿する場合について説明する。

図８に示すように実施例２にかかる燃料電池システムの、実施例１に係る燃料電池システムと異なる主な点は、燃料電池１００と燃料電池用加湿装置１との間であるＡ点（分岐点Ａ）で、ガス排出路６０を分岐し、この分岐された分岐路７０にバルブ７１を設けた点である。

この燃料電池システムでは、ガス供給路５０の燃料電池用加湿装置１よりも上流側に温度センサ７２が配設されており、ここを通過する供給空気（供給ガス）の温度Ｔ_I1が測定される。また、燃料電池用加湿装置１には温度センサ７３が配設されており、燃料電池用加湿装置１の表面温度Ｔ_h1が測定される。さらに、ガス供給路５０の燃料電池用加湿装置１の下流側には温度センサ７４が配設されており、燃料電池用加湿装置１から吐出された供給空気の温度Ｔ_I2が測定される。

一方、ガス排出路６０の燃料電池１００よりも下流側であって、分岐点Ａよりも上流側には温度センサ７５が配設されており、燃料電池１００から排出されたオフ空気（オフガス）の温度Ｔ_E1が測定される。また、ガス排出路６０の燃料電池用加湿装置１よりも下流側には温度センサ７６が配設されており、燃料電池用加湿装置１から吐出された供給空気の温度Ｔ_E2が測定される。

また、燃料電池１００には、冷媒温度を測定する温度センサ７７が配設されており、冷媒の温度Ｔ_Cが測定される。

そしてまた、この燃料電池システムは、制御部（ＥＣＵ）８０を備えており、この制御部８０は、各温度センサ７２〜７７で測定された温度を受信し、これらの温度に基づいて、バルブ７１の開閉を制御するものである。

この構成を備えた燃料電池システムでは、空気供給源９０から供給された供給空気（供給ガス）が、ガス供給路５０から燃料電池用加湿装置１に導入されて加湿された後、燃料電池１００に供給される。また、燃料電池１００には、燃料ガス系（図示せず）から燃料ガスが供給される。これらのガスが供給された燃料電池１００では電気反応が起こり、高温高湿のオフ空気が、ガス排出路６０に排出される。また、図示しない燃料ガス系のガス排出路には、未反応の水素が排出される。

ガス排出路６０に排出された高温高湿のオフ空気は、燃料電池用加湿装置１に導入される。そして、ここで水交換膜１４を介して、オフ空気から供給空気に水分及び熱を移動させる水交換及び熱交換を行った後、オフ空気は、燃料電池用加湿装置１からガス排出路６０に排出される。この水交換及び熱交換では、供給空気に対しての熱交換量が、水交換量の増加に伴って大きくなる。すなわち、燃料電池用加湿装置１から吐出された供給空気の温度Ｔ_I2と、供給空気に対する加湿量Ｗとの間には、図９に示すような相関関係があることが判っている。

図９から、供給空気量Ｑ₁に応じて、加湿量Ｗと温度Ｔ_I2との関係が変化することも判る。なお、供給空気が燃料電池用加湿装置１に導入される際の温度Ｔ_I1、燃料電池用加湿装置１の表面温度Ｔ_h1、燃料電池１００の冷媒温度Ｔ_Cが、所定の条件で一定に保持された際に、燃料電池用加湿装置１から吐出された供給空気の温度Ｔ_I2が供給空気に対する加湿量Ｗの指標になる。すなわち、

となる。

同様の理由から、オフ空気が燃料電池用加湿装置１を通過した後の温度Ｔ_E2も供給空気に対する加湿量Ｗの制御対象量になる。すなわち、

となる。

供給空気に対する加湿量Ｗ、その制御対象量としての温度Ｔ_I2、または温度Ｔ_E2の制御は、分岐路７０に配設したバルブ７１の開閉制御によって行われる。これは、分岐路７０を流通するオフ空気の量（バイパスされる量）が増加するにしたがって、燃料電池用加湿装置１の各々の加湿セル１１（加湿セル群１０）に導入されて供給空気に水分及び熱を与えるオフ空気の正味量が減少し、供給空気に対する加湿量Ｗが、この影響を受けて単調的に減少するからである。また、このオフ空気の正味量の減少に伴い、オフ空気と供給空気との熱交換量も単調に減少する。この結果、燃料電池用加湿装置１を流通した後の供給空気の温度Ｔ_I2、または燃料電池用加湿装置１を流通した後のオフ空気の温度Ｔ_E2が、燃料電池用加湿装置１の加湿セル群１０を流通するオフ空気の正味量の減少に伴って下がる。同様の理由から、バルブ７１を通過するオフ空気の流用（バイパス量）を減少させると、燃料電池用加湿装置１を流通した後の供給空気の温度Ｔ_I2、または燃料電池用加湿装置１を流通した後のオフ空気の温度Ｔ_E2が上がる。

なお、バルブ７１は、連続弁であってもＯＮ／ＯＦＦ開閉弁であってもよい。例えば、バルブ７１が連続弁である場合は、供給空気を加湿するために必要な要求加湿量が要求する温度Ｔ_I2、または温度Ｔ_E2が制御目標値Ｔ_IWに達するようにバルブ７１（連続弁）の開度を所定のレベルに合わせる。これによって、分岐路７０にバイパスさせるべきオフ空気量が得られ、供給空気の要求加湿量を要求通りに確保することができる。

一方、バルブ７１がＯＮ／ＯＦＦ開閉弁である場合は、供給空気を加湿するために必要な要求加湿量が要求する温度Ｔ_I2、または温度Ｔ_E2が、制御目標値あるいは制御目標範囲に入るようにバルブ７１の開閉を制御する。例えば、温度Ｔ_I2を、この制御に用いる場合、図９に示すように、温度Ｔ_I2が、例えば、６０℃≦Ｔ_I2≦６２℃の範囲では、供給空気の加湿量Ｗが０．１８〜０．２２のモル比に相当することが判る。したがって、０．１８〜０．２２のモル比に相当する加湿量Ｗを供給空気に与えられるように、温度Ｔ_I2が６２℃になった際にバルブ７１を開き、温度Ｔ_I2が６０℃未満になった際にバルブ７１を閉じる制御を行うことになる。

次に、温度Ｔ_I2の値を用いて、バルブ７１が連側弁である場合のバルブ７１の開度を制御する場合について、図１０に示すフローチャートを参照しながら、さらに具体的に説明する。

先ず、制御部（ＥＣＵ）８０に、燃料電池用加湿装置１における供給空気に対する要求加湿量Ｗが入力される（ステップＳ１０１）。制御部（ＥＣＵ）８０に、さらに各温度センサ７２、７３及び７７で測定された値Ｔ_I1、Ｔ_h1、Ｔ_Cと、供給空気量Ｑ₁が入力される（ステップＳ１０２）と、制御部（ＥＣＵ）８０では、前述した式１にこれらの値を入力し、供給空気の燃料電池用加湿装置１を流通した後の温度Ｔ_I2の制御目標値Ｔ_IWを決定する（ステップＳ１０３）。

次に、温度センサ７４によって供給空気の燃料電池用加湿装置１を流通した後の温度Ｔ_I2を測定し、この値（実測値）を制御部（ＥＣＵ）８０に入力する（ステップＳ１０４）。

次いで、制御部（ＥＣＵ）８０では、制御目標値Ｔ_IWと、温度Ｔ_I2とを比較し（ステップＳ１０５）、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWよりも小さい（低い）場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）は、バルブ７１の開度が小さく（狭く）なるようにバルブ７１を制御する（ステップＳ１０６）。次に、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWと同じ値となったか否かを判断し（ステップＳ１０７）、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWと同じ値となった場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）は、バルブ７１の開度を保持する（ステップＳ１０８）一方、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWと同じ値でない場合は、ステップＳ１０５に戻る（ステップＳ１０７：ＮＯ）。

また、ステップＳ１０５で、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWよりも大きい（高い）場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）は、バルブ７１の開度が大きく（広く）なるようにバルブ７１を制御する（ステップＳ１０９）。次に、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWと同じ値となったか否かを判断し（ステップＳ１０７）、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWと同じ値となった場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）は、バルブ７１の開度を保持する（ステップＳ１０８）。温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWと同じ値でない場合は、ステップＳ１０５に戻る（ステップＳ１０７：ＮＯ）。

なお、バルブ７１がＯＮ／ＯＦＦ開閉弁である場合は、図１０に示すステップＳ１０５において、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWの上限以下且つ下限以上であるか、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWの上限を超えたかを判断し、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWの上限以下且つ下限以上の場合は、バルブ７１を閉じ、温度Ｔ_I2が、制御目標値Ｔ_IWの上限を超えた場合は、バルブ７１を開く制御を行えばよい。

また、実施例２にかかる燃料電システムでは、燃料電池用加湿装置１と、分岐路７０に配設したバルブ７１とによって、各々の加湿セル１１（加湿セル群１０）に導入されるオフ空気の量を制御している。ここで、燃料電池用加湿装置１のガス流通セル２０は、いわゆる常時開放状態にあるバイパス流路のようなものである。したがって、図１１に示すように、バルブ７１の閉状態（ＯＦＦ状態）を最大オフ空気流量（フル負荷状態）に合わせて設定して、低オフ空気流量域でバルブ７１を使用する作動モードを実行することができる。したがって、燃料電池用加湿装置１の運転安定性、水交換効率及び熱交換効率を向上させることができる。

一方、燃料電池用加湿装置１の代わりに、ガス流通セル２０が存在していない従来の燃料電池用加湿装置を使用した場合、供給空気に対する加湿量の制御は、バルブ７１の開閉によってのみ行われることになる。この場合は、図１２に示すように、燃料電池１００への空気供給量、あるいは負荷レベルに応じた加湿要求量の幅が大きくなり、この加湿要求量の全域に応答するために、分岐路７０を流通するオフ空気の流量範囲が、数ＮＬ／ｍｉｎ〜数十ＮＬ／ｍｉｎまで及ぶことになる。したがって、大きな口径を有するバルブが必要となり、バルブの駆動電力が大きくなると共に、オフ空気の流量が少ない場合の応答性や制御性が低下する虞がある。また、オフ空気の流動変動に伴う圧力変動も大きくなり、空気ブロア等の補機類に悪影響を及ぼす虞もある。

なお、実施例２では、式１に基づいて、供給空気の燃料電池用加湿装置１を流通した後の温度Ｔ_I2の制御目標値Ｔ_IWを決定した場合について説明したが、これに限らず、制御目標値Ｔ_IWに所定の幅を持たせた制御目標範囲を決定し、温度Ｔ_I2（実測値）が、この制御目標範囲内にあるか否かを判断してもよい。

また、実施例２では、前述した式２に基づいて、オフ空気の燃料電池用加湿装置１を流通した後の温度Ｔ_E2の制御目標値Ｔ_EWあるいは制御目標範囲を決定し、温度Ｔ_E2（実測値）が、制御目標値Ｔ_EWあるいは制御目標範囲内にあるか否かを判断してもよい。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池用加湿装置１及びバルブ７１は、酸化剤ガス系に配設してもよく、燃料ガス系に配設してもよい。また、酸化剤ガス系及び燃料ガス系の両方に配設してもよい。

また、実施例２では、分岐路７０にバルブ７１を設けた場合について説明したが、これに限らず、バルブ７１は、分岐点Ａよりも下流のガス排出路６０に配設してもよい。そしてまた、分岐点Ａに、三方弁を配設することもできる。

本発明の実施例１にかかる燃料電池用加湿装置の断面図である。 図１に示す燃料電池用加湿装置の加湿セルの一部を示す断面図である。 図１に示す燃料電池用加湿装置の加湿セルの一部及びガス流通セルを示す断面図である。 図３に示すガス流通セルの内面を示す平面図である。 図１に示す燃料電池用加湿装置を備えた燃料電池システムの一部を模式的に示す図である。 図１に示す燃料電池用加湿装置における供給ガス及びオフガスの流れを模式的に示す図である。 本発明の他の実施例にかかる燃料電池用加湿装置の断面図である。 本発明の実施例２にかかる燃料電池システムの一部を示す概略図である。 本発明の実施例２にかかる燃料電池システムにおける供給空気加湿量と供給空気温度との関係を示す図である。 本発明の実施例２にかかる燃料電池システムのバルブ制御を説明するフローチャートである。 本発明の実施例２にかかる燃料電池システムのバルブ状態と、加湿セルを通過しないオフ空気流量（実質バイパス流量）との関係を示す図である。 従来の燃料電池システムのバルブ状態と、加湿セルを通過しないオフ空気流量（実質バイパス流量）との関係を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池用加湿装置、１０… 加湿セル群、１１…加湿セル、１２…供給ガス流路板、１３…オフガス流路板、１４…水交換膜、２０…ガス流通セル、５０…ガス供給路、６０…ガス排出路、７０…分岐路、７１…バルブ、８０…制御部、１００…燃料電池

Claims (8)

1. 燃料電池に供給される供給ガスと、燃料電池から排出されるオフガスとを導入し、水交換膜を介して加湿を行う燃料電池用加湿装置であって、
   前記水交換膜と、当該水交換膜の一方の面に配設され前記供給ガスが流通する供給ガス流路と、前記水交換膜の他方の面に配設され前記オフガスが流通するオフガス流路と、を有する加湿セルと、
   前記加湿セルと独立に形成され、前記供給ガス流路及びオフガス流路のいずれか一方に連通して前記供給ガスまたはオフガスを前記加湿セルをバイパスさせて流通させるガス流通路を有すると共に、当該加湿セルに隣接して配設されるガス流通部と、
   を備えてなる燃料電池用加湿装置。
2. 前記ガス流通部が、ガス流通セルである請求項１記載の燃料電池用加湿装置。
3. 前記ガス流通セルは、前記加湿セルの供給ガス流路及びオフガス流路の少なくとも一方と並列に配設されてなる請求項２記載の燃料電池用加湿装置。
4. 前記ガス流通セルは、前記加湿セルの少なくとも一方の端部に配設されてなる請求項２または請求項３記載の燃料電池用加湿装置。
5. 前記加湿セルを複数枚並列に配設してなり、前記ガス流通セルを当該加湿セルの間に配設してなる請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用加湿装置。
6. 燃料電池と、当該燃料電池に供給ガスを供給するガス供給路と、当該燃料電池から排出されたオフガスが通過するガス排出路と、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池用加湿装置を備えてなる燃料電池システム。
7. 前記ガス排出路は、前記燃料電池と燃料電池用加湿装置との間で分岐されてなり、前記オフガスを当該分岐路に分岐流通させる分岐流通手段が配設されてなる請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記分岐流通手段がバルブであり、当該バルブの開閉に応じて、前記オフガスを前記分岐路に流通させる請求項７記載の燃料電池システム。

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