JP2001216987A - 燃料電池用加湿システム - Google Patents
燃料電池用加湿システムInfo
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- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【課題】 加湿装置の凍結防止及び目詰まり防止を図
る。 【解決手段】 水透過型の加湿装置３を備えた燃料電池
用加湿システムにおいて、加湿装置３へ通じるガス流路
を切り替える流路切替機構を設けた。この流路切替機構
は、スーパーチャージャ２を出た乾燥エアＡdを加湿装
置３内の排気ガス流路に流通させるべく、第１の三方弁
４，第２の三方弁５，流量調整弁６，掃気用配管９とか
ら構成した。これにより、加湿装置３内の排気ガス流路
に乾燥エアＡdガスを流し、凍結の原因となる水蒸気を
掃気し得るようになり、凍結の未然防止が可能となる。
る。 【解決手段】 水透過型の加湿装置３を備えた燃料電池
用加湿システムにおいて、加湿装置３へ通じるガス流路
を切り替える流路切替機構を設けた。この流路切替機構
は、スーパーチャージャ２を出た乾燥エアＡdを加湿装
置３内の排気ガス流路に流通させるべく、第１の三方弁
４，第２の三方弁５，流量調整弁６，掃気用配管９とか
ら構成した。これにより、加湿装置３内の排気ガス流路
に乾燥エアＡdガスを流し、凍結の原因となる水蒸気を
掃気し得るようになり、凍結の未然防止が可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水透過型の加湿装
置を備えた燃料電池用加湿システムに係わり、特に、加
湿装置の凍結防止及び目詰まり防止に有効な技術に関す
る。
置を備えた燃料電池用加湿システムに係わり、特に、加
湿装置の凍結防止及び目詰まり防止に有効な技術に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】例えば、固体高分子膜を電解質膜として
用いた燃料電池は、単セルを複数積層させて構成したス
タックを備えてなる。この単セルは、イオン伝導性を有
する固体高分子膜と、その両面に密着するように支持さ
れた燃料極（アノード電極）及び空気極（カソード電
極）とを備え、燃料極に接する面側に凹溝として形成さ
れた燃料ガス通路に水素を供給すると共に、空気極に接
する面側にも同様に凹溝として形成された酸化剤通路に
空気を供給すると、各単セルの電極間で電気化学反応に
基づく発電が行われる。
用いた燃料電池は、単セルを複数積層させて構成したス
タックを備えてなる。この単セルは、イオン伝導性を有
する固体高分子膜と、その両面に密着するように支持さ
れた燃料極（アノード電極）及び空気極（カソード電
極）とを備え、燃料極に接する面側に凹溝として形成さ
れた燃料ガス通路に水素を供給すると共に、空気極に接
する面側にも同様に凹溝として形成された酸化剤通路に
空気を供給すると、各単セルの電極間で電気化学反応に
基づく発電が行われる。
【０００３】その際の発電効率を高く維持するには、固
体高分子膜を飽和含水状態に維持し、プロトン（水素イ
オン）導電性電解質としての機能を確保する必要があ
る。ところが、発電時においては、電気化学反応により
生成された水が系外に持ち出される等して、固体高分子
膜の乾燥が進行することがある。よって、良好なイオン
伝導性を維持するためには、固体高分子膜に水分を補給
する必要がある。
体高分子膜を飽和含水状態に維持し、プロトン（水素イ
オン）導電性電解質としての機能を確保する必要があ
る。ところが、発電時においては、電気化学反応により
生成された水が系外に持ち出される等して、固体高分子
膜の乾燥が進行することがある。よって、良好なイオン
伝導性を維持するためには、固体高分子膜に水分を補給
する必要がある。
【０００４】このため、従来より、空気極側に供給する
空気、及び燃料極側に供給する水素を予め水透過型の加
湿装置に通して加湿しておくことにより、固体高分子膜
への水分補給を可能にした燃料電池用加湿システムの開
発が行われている。この種の加湿装置は、膜厚方向の水
分透過を許容する中空糸膜を備えて構成されており（特
開平７−７１７９５号，特開平８−２７３６８７号）、
例えば、空気極側の加湿は、次のように行われる。
空気、及び燃料極側に供給する水素を予め水透過型の加
湿装置に通して加湿しておくことにより、固体高分子膜
への水分補給を可能にした燃料電池用加湿システムの開
発が行われている。この種の加湿装置は、膜厚方向の水
分透過を許容する中空糸膜を備えて構成されており（特
開平７−７１７９５号，特開平８−２７３６８７号）、
例えば、空気極側の加湿は、次のように行われる。
【０００５】即ち、中空糸膜の集合体である中空糸膜束
を収容したジャケット内に、乾燥エアをスーパーチャー
ジャ等の加給装置を用いて流通させると共に、各中空糸
膜の内空部に、空気極側からの排気ガスである湿潤空気
オフガスを流通させると、この湿潤空気オフガス中に含
まれる水分が中空糸膜の膜穴を透過し、中空糸膜の外周
側に水蒸気となって拡散することにより、各中空糸膜の
隙間を流通する乾燥エアが加湿される。
を収容したジャケット内に、乾燥エアをスーパーチャー
ジャ等の加給装置を用いて流通させると共に、各中空糸
膜の内空部に、空気極側からの排気ガスである湿潤空気
オフガスを流通させると、この湿潤空気オフガス中に含
まれる水分が中空糸膜の膜穴を透過し、中空糸膜の外周
側に水蒸気となって拡散することにより、各中空糸膜の
隙間を流通する乾燥エアが加湿される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】水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は、燃料電池内
で酸素と水素の酸化還元反応により水が生成され、この
生成水を加湿装置内の中空糸膜を介して湿潤空気オフガ
スから乾燥ガスへと回収し、再度、燃料電池の加湿に利
用するものであるから、厳寒時や寒冷地では、加湿装置
内の水分凍結が避けられない。
備えた燃料電池用加湿システムにおいては、燃料電池内
で酸素と水素の酸化還元反応により水が生成され、この
生成水を加湿装置内の中空糸膜を介して湿潤空気オフガ
スから乾燥ガスへと回収し、再度、燃料電池の加湿に利
用するものであるから、厳寒時や寒冷地では、加湿装置
内の水分凍結が避けられない。
【０００７】即ち、中空糸膜の膜穴径は、４ｎｍと非常
に微細であり、膜表面張力が大きいことから、膜穴で凝
縮した水分は過冷却現象により相転移（凝固：水→氷）
を起こさないが、中空糸膜の内空部径は０．３７ｍｍと
比較的大きいため、過冷却現象が起きず、内空部に存在
する水分は凍結してしまう。このように、中空糸膜内で
水分が凍結した場合には、充分な性能を維持する事が困
難となる。
に微細であり、膜表面張力が大きいことから、膜穴で凝
縮した水分は過冷却現象により相転移（凝固：水→氷）
を起こさないが、中空糸膜の内空部径は０．３７ｍｍと
比較的大きいため、過冷却現象が起きず、内空部に存在
する水分は凍結してしまう。このように、中空糸膜内で
水分が凍結した場合には、充分な性能を維持する事が困
難となる。
【０００８】また、燃料電池からの湿潤空気オフガス中
に、中空糸膜の内空部又は膜穴の内径よりも大きな埃塵
等が混入していると、この混入物が内空部又は膜穴の入
口を塞いで、中空糸膜入口圧の上昇や水回収量（率）の
減少を招き、機能低下を引き起こすことも考えられる。
スーパーチャージャ等の加給装置によって加湿装置に供
給される乾燥ガスのガス流路についても同様に、凍結・
目詰まりを起こす可能性がある。
に、中空糸膜の内空部又は膜穴の内径よりも大きな埃塵
等が混入していると、この混入物が内空部又は膜穴の入
口を塞いで、中空糸膜入口圧の上昇や水回収量（率）の
減少を招き、機能低下を引き起こすことも考えられる。
スーパーチャージャ等の加給装置によって加湿装置に供
給される乾燥ガスのガス流路についても同様に、凍結・
目詰まりを起こす可能性がある。
【０００９】以上のように、加湿装置内において中空糸
膜等に凍結や目詰まりが生じると、燃料電池加湿に必要
十分量の水を湿潤空気オフガスから回収し、燃料電池に
再供給する、という燃料電池用加湿システム本来の機能
を充分に発揮する事が困難となる。
膜等に凍結や目詰まりが生じると、燃料電池加湿に必要
十分量の水を湿潤空気オフガスから回収し、燃料電池に
再供給する、という燃料電池用加湿システム本来の機能
を充分に発揮する事が困難となる。
【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、加湿装置の凍
結防止及び目詰まり防止を図ることにある。
たものであり、その目的とするところは、加湿装置の凍
結防止及び目詰まり防止を図ることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は以下の構成を採用した。即ち、乾燥ガス
（実施の形態では、乾燥エアＡd）及び燃料電池（１）
からの排気ガス（実施の形態では、湿潤空気オフガスＯ
Aw）を水透過型の加湿装置（３）に導入し、前記排気ガ
ス中の水分を前記乾燥ガスに回収させてなる湿潤ガス
（実施の形態では、高湿潤エアＡw）を前記燃料電池へ
供給する燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿装
置へ通じるガス流路（実施の形態では、空気配管７，空
気オフガス配管８）を切り替える流路切替機構（第１の
実施の形態では、第１の三方弁４，第２の三方弁５，流
量調整弁６，掃気用配管９，制御装置により構成され
る。また、第２の実施の形態では、第１の逆洗配管３
１，第２の逆洗配管３２，第１の排気配管３３，第２の
排気配管３４，圧力センサ３５，第１の遮断弁４１，第
２の遮断弁４２，第３の遮断弁４３，第４の遮断弁４
４，第５の遮断弁４５，第６の遮断弁４６，第７の遮断
弁４７，制御装置により構成される。）を備えたことを
特徴としている。
に、本発明は以下の構成を採用した。即ち、乾燥ガス
（実施の形態では、乾燥エアＡd）及び燃料電池（１）
からの排気ガス（実施の形態では、湿潤空気オフガスＯ
Aw）を水透過型の加湿装置（３）に導入し、前記排気ガ
ス中の水分を前記乾燥ガスに回収させてなる湿潤ガス
（実施の形態では、高湿潤エアＡw）を前記燃料電池へ
供給する燃料電池用加湿システムにおいて、前記加湿装
置へ通じるガス流路（実施の形態では、空気配管７，空
気オフガス配管８）を切り替える流路切替機構（第１の
実施の形態では、第１の三方弁４，第２の三方弁５，流
量調整弁６，掃気用配管９，制御装置により構成され
る。また、第２の実施の形態では、第１の逆洗配管３
１，第２の逆洗配管３２，第１の排気配管３３，第２の
排気配管３４，圧力センサ３５，第１の遮断弁４１，第
２の遮断弁４２，第３の遮断弁４３，第４の遮断弁４
４，第５の遮断弁４５，第６の遮断弁４６，第７の遮断
弁４７，制御装置により構成される。）を備えたことを
特徴としている。
【００１２】この場合において、流路切替機構は、加湿
装置内の排気ガス流路（実施の形態では、湿潤空気オフ
ガス流路）に乾燥ガスを流通させる構成や、加湿装置内
の排気ガス流方向を可逆とする構成の採用が可能であ
る。
装置内の排気ガス流路（実施の形態では、湿潤空気オフ
ガス流路）に乾燥ガスを流通させる構成や、加湿装置内
の排気ガス流方向を可逆とする構成の採用が可能であ
る。
【００１３】前者の流路切替機構では、水分が凍結する
前に、予め加湿装置内の排気ガス流路に乾燥ガスを流す
ことにより、凍結の原因となる水蒸気を掃気し得るの
で、凍結の未然防止が可能となる。また、後者の流路切
替機構では、排気ガス中に含まれる埃塵等の混入物によ
り、加湿装置内の排気ガス流路が目詰まりを起こして
も、排気ガスを逆方向に流し得るので、逆洗による目詰
まり除去が可能となる。
前に、予め加湿装置内の排気ガス流路に乾燥ガスを流す
ことにより、凍結の原因となる水蒸気を掃気し得るの
で、凍結の未然防止が可能となる。また、後者の流路切
替機構では、排気ガス中に含まれる埃塵等の混入物によ
り、加湿装置内の排気ガス流路が目詰まりを起こして
も、排気ガスを逆方向に流し得るので、逆洗による目詰
まり除去が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の一
実施の形態について説明する。但し、本実施の形態にお
ける燃料電池及び水透過膜としての中空糸膜の構成は、
上記従来技術の欄で説明した通りであるため、それらの
説明は省略する。
実施の形態について説明する。但し、本実施の形態にお
ける燃料電池及び水透過膜としての中空糸膜の構成は、
上記従来技術の欄で説明した通りであるため、それらの
説明は省略する。
【００１５】［第１の実施の形態］図１は、第１の実施
の形態による燃料電池用加湿システムのシステム構成図
であって、通常運転時のガス流れを示す図、図２は、同
燃料電池用加湿システムのシステム構成図であって、掃
気運転時のガス流れを示す図である。また、これらの図
中、符号１は固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に
「燃料電池」と略記する。）、２はスーパーチャージ
ャ、３は加湿装置、４は第１の三方弁、５は第２の三方
弁、６は流量調整弁、７は空気配管、８は空気オフガス
配管、９は掃気用配管を示しており、こららを含むシス
テム構成要素は、図示せぬ制御装置により制御される。
の形態による燃料電池用加湿システムのシステム構成図
であって、通常運転時のガス流れを示す図、図２は、同
燃料電池用加湿システムのシステム構成図であって、掃
気運転時のガス流れを示す図である。また、これらの図
中、符号１は固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に
「燃料電池」と略記する。）、２はスーパーチャージ
ャ、３は加湿装置、４は第１の三方弁、５は第２の三方
弁、６は流量調整弁、７は空気配管、８は空気オフガス
配管、９は掃気用配管を示しており、こららを含むシス
テム構成要素は、図示せぬ制御装置により制御される。
【００１６】まず、図１を用いて、本実施の形態に係る
燃料電池用加湿システムの全体構成、及び通常運転時の
動作例について説明する。燃料電池１の空気極（カソー
ド電極）には、酸化剤として吸気口１１から吸入した外
気（以下、「乾燥エアＡd」と呼称する。）を酸化剤通
路入口１２へ供給するための空気配管７と、酸化剤通路
出口１３から排出されたオフガス（以下、「湿潤空気オ
フガスＯAw」と呼称する。）を排気口１４から排気する
ための空気オフガス配管８が接続されている。
燃料電池用加湿システムの全体構成、及び通常運転時の
動作例について説明する。燃料電池１の空気極（カソー
ド電極）には、酸化剤として吸気口１１から吸入した外
気（以下、「乾燥エアＡd」と呼称する。）を酸化剤通
路入口１２へ供給するための空気配管７と、酸化剤通路
出口１３から排出されたオフガス（以下、「湿潤空気オ
フガスＯAw」と呼称する。）を排気口１４から排気する
ための空気オフガス配管８が接続されている。
【００１７】空気配管７には、乾燥エアＡdの流方向上
流から下流、即ち、吸気口１１から燃料電池１へと向か
い、スーパーチャージャ２，加湿装置３，第１の三方弁
４がこの順に設けられている。空気オフガス配管８に
は、湿潤空気オフガスＯAwの流方向上流から下流、即
ち、燃料電池１から排気口１４へと向かい、第２の三方
弁５，加湿装置３，圧力調整弁１６がこの順に設けられ
ている。
流から下流、即ち、吸気口１１から燃料電池１へと向か
い、スーパーチャージャ２，加湿装置３，第１の三方弁
４がこの順に設けられている。空気オフガス配管８に
は、湿潤空気オフガスＯAwの流方向上流から下流、即
ち、燃料電池１から排気口１４へと向かい、第２の三方
弁５，加湿装置３，圧力調整弁１６がこの順に設けられ
ている。
【００１８】掃気用配管９は、スーパーチャージャ２と
加湿装置３との間から空気配管７より分岐し、加湿装置
３，第１の三方弁４，燃料電池１をバイパスして第２の
三方弁５に接続されている。この掃気用配管９には、流
量調整弁６が設けられている。また、空気配管７に設け
られた第１の三方弁４には、排気口１７へと通じる排気
用配管１８が接続されている。
加湿装置３との間から空気配管７より分岐し、加湿装置
３，第１の三方弁４，燃料電池１をバイパスして第２の
三方弁５に接続されている。この掃気用配管９には、流
量調整弁６が設けられている。また、空気配管７に設け
られた第１の三方弁４には、排気口１７へと通じる排気
用配管１８が接続されている。
【００１９】通常運転時は、流量調整弁６が全閉とされ
ており、吸気口１１から吸入された外気、即ち、乾燥エ
アＡdは、空気配管７と空気オフガス配管８の双方に跨
る加湿装置４において、燃料電池１から排出された湿潤
空気オフガスＯAw中の水分を回収して高湿潤エアＡwと
なり、燃料電池１へ供給される。
ており、吸気口１１から吸入された外気、即ち、乾燥エ
アＡdは、空気配管７と空気オフガス配管８の双方に跨
る加湿装置４において、燃料電池１から排出された湿潤
空気オフガスＯAw中の水分を回収して高湿潤エアＡwと
なり、燃料電池１へ供給される。
【００２０】この高湿潤エアＡwは、高圧水素タンク
（図示略）から燃料電池１に供給された水素と共に発電
に供される他、燃料電池１内の固体高分子膜を飽和含水
状態に保持するための水分補給に供される。他方、乾燥
エアＡdの加湿に供し除湿された湿潤空気オフガスＯAw
は、乾燥空気オフガスＯAdとなって排気口１４から排気
される。
（図示略）から燃料電池１に供給された水素と共に発電
に供される他、燃料電池１内の固体高分子膜を飽和含水
状態に保持するための水分補給に供される。他方、乾燥
エアＡdの加湿に供し除湿された湿潤空気オフガスＯAw
は、乾燥空気オフガスＯAdとなって排気口１４から排気
される。
【００２１】次に、図２を用いて、本実施の形態に係る
燃料電池用加湿システムの掃気運転時の動作例について
説明する。この掃気運転は、燃料電池１の運転停止時で
あって、温度センサ（図示略）により検出された外気温
が摂氏０℃以下になった時に行われる。
燃料電池用加湿システムの掃気運転時の動作例について
説明する。この掃気運転は、燃料電池１の運転停止時で
あって、温度センサ（図示略）により検出された外気温
が摂氏０℃以下になった時に行われる。
【００２２】掃気運転に先立ち、流量調整弁１４は、
「閉」から「開」に、また、第１の三方弁４は、加湿装
置３の湿潤エア流出口２１から燃料電池１の湿潤エア流
入口２２への流路を遮断し、且つ前記湿潤エア流出口２
１から排気口１７への流路を開通させるように、さら
に、第２の三方弁５は、燃料電池１の湿潤空気オフガス
流出口２３から加湿装置３の湿潤空気オフガス流入口２
４への流路を遮断し、且つ掃気用配管９から前記湿潤空
気オフガス流入口２４への流路を開通させるように、開
閉制御される。
「閉」から「開」に、また、第１の三方弁４は、加湿装
置３の湿潤エア流出口２１から燃料電池１の湿潤エア流
入口２２への流路を遮断し、且つ前記湿潤エア流出口２
１から排気口１７への流路を開通させるように、さら
に、第２の三方弁５は、燃料電池１の湿潤空気オフガス
流出口２３から加湿装置３の湿潤空気オフガス流入口２
４への流路を遮断し、且つ掃気用配管９から前記湿潤空
気オフガス流入口２４への流路を開通させるように、開
閉制御される。
【００２３】この状態から、スーパーチャージャ２をモ
ータ駆動させると、吸気口１１から空気配管７内に乾燥
エアＡdが取り込まれる。スーパーチャージャ２を出た
乾燥エアＡdは、空気配管７をそのまま通って加湿装置
３へ流入する乾燥エアＡd1と、掃気用配管９へ流入し第
２の三方弁５を通って加湿装置３へ流入する乾燥エアＡ
d2とに分配される。
ータ駆動させると、吸気口１１から空気配管７内に乾燥
エアＡdが取り込まれる。スーパーチャージャ２を出た
乾燥エアＡdは、空気配管７をそのまま通って加湿装置
３へ流入する乾燥エアＡd1と、掃気用配管９へ流入し第
２の三方弁５を通って加湿装置３へ流入する乾燥エアＡ
d2とに分配される。
【００２４】乾燥エアＡd1は、加湿装置３内の乾燥エア
流路を流通して加湿装置３から流出した後、第１の三方
弁４及び排気配管１８を通って排気口１７から排気され
る。乾燥エアＡd2は、加湿装置３内の湿潤空気オフガス
流路（排気ガス流路）を流通して加湿装置３から流出し
た後、圧力調整弁１６を通って排気口１４から排気され
る。
流路を流通して加湿装置３から流出した後、第１の三方
弁４及び排気配管１８を通って排気口１７から排気され
る。乾燥エアＡd2は、加湿装置３内の湿潤空気オフガス
流路（排気ガス流路）を流通して加湿装置３から流出し
た後、圧力調整弁１６を通って排気口１４から排気され
る。
【００２５】このように、本実施の形態に係る燃料電池
用加湿システムによれば、検出した外気温によって加湿
装置３の凍結が予想された場合に、スーパーチャージャ
２からの乾燥エアＡdを、凍結前に予め加湿装置３内の
乾燥エア流路及び湿潤空気オフガス流路に通すようにし
たので、凍結原因となるこれら乾燥エア流路及び湿潤空
気オフガス流路内の残留水分が掃気され、加湿装置３の
凍結を未然に防止することができる。
用加湿システムによれば、検出した外気温によって加湿
装置３の凍結が予想された場合に、スーパーチャージャ
２からの乾燥エアＡdを、凍結前に予め加湿装置３内の
乾燥エア流路及び湿潤空気オフガス流路に通すようにし
たので、凍結原因となるこれら乾燥エア流路及び湿潤空
気オフガス流路内の残留水分が掃気され、加湿装置３の
凍結を未然に防止することができる。
【００２６】［第２の実施の形態］図３は、第２の実施
の形態による燃料電池用加湿システムのシステム構成図
であって、通常運転時のガス流れを示す図、図４は、同
燃料電池用加湿システムのシステム構成図であって、逆
洗運転時のガス流れを示す図である。これらの図中、符
号３１は第１の逆洗用配管、３２は第２の逆洗用配管、
３３は第１の排気配管、３４は第２の排気配管、３５は
圧力センサを示しており、その他、図１及び図２と同一
の構成要素については同一の符号を付している。
の形態による燃料電池用加湿システムのシステム構成図
であって、通常運転時のガス流れを示す図、図４は、同
燃料電池用加湿システムのシステム構成図であって、逆
洗運転時のガス流れを示す図である。これらの図中、符
号３１は第１の逆洗用配管、３２は第２の逆洗用配管、
３３は第１の排気配管、３４は第２の排気配管、３５は
圧力センサを示しており、その他、図１及び図２と同一
の構成要素については同一の符号を付している。
【００２７】まず、図３を用いて、本実施の形態に係る
燃料電池用加湿システムの全体構成、及び通常運転時の
動作例について説明する。燃料電池１の空気極には、酸
化剤として吸気口１１から吸入した外気、即ち、乾燥エ
アＡdを酸化剤通路入口１２へ供給するための空気配管
７と、酸化剤通路出口１３から排出されたオフガス、即
ち、湿潤空気オフガスＯAwを排気口１４から排気するた
めの空気オフガス配管８が接続されている。
燃料電池用加湿システムの全体構成、及び通常運転時の
動作例について説明する。燃料電池１の空気極には、酸
化剤として吸気口１１から吸入した外気、即ち、乾燥エ
アＡdを酸化剤通路入口１２へ供給するための空気配管
７と、酸化剤通路出口１３から排出されたオフガス、即
ち、湿潤空気オフガスＯAwを排気口１４から排気するた
めの空気オフガス配管８が接続されている。
【００２８】空気配管７には、乾燥エアＡdの流方向上
流から下流、即ち、吸気口１１から燃料電池１へと向か
い、スーパーチャージャ２，第１の遮断弁４１，加湿装
置３がこの順に設けられている。空気オフガス配管８に
は、湿潤空気オフガスＯAwの流方向上流から下流、即
ち、燃料電池１から排気口１４へと向かい、第２の遮断
弁４２，圧力センサ３５，加湿装置３，第３の遮断弁４
３，圧力調整弁１６がこの順に設けられている。
流から下流、即ち、吸気口１１から燃料電池１へと向か
い、スーパーチャージャ２，第１の遮断弁４１，加湿装
置３がこの順に設けられている。空気オフガス配管８に
は、湿潤空気オフガスＯAwの流方向上流から下流、即
ち、燃料電池１から排気口１４へと向かい、第２の遮断
弁４２，圧力センサ３５，加湿装置３，第３の遮断弁４
３，圧力調整弁１６がこの順に設けられている。
【００２９】第１の逆洗配管３１は、空気配管７におい
て第１の遮断弁４１及び加湿装置３をバイパスするよう
に、一端がスーパーチャージャ２と第１の遮断弁４１と
の間に接続され、他端が加湿装置３と燃料電池１との間
に接続されており、この第１の逆洗配管３１には、第４
の遮断弁４４が設けられている。第２の逆洗配管３２
は、空気オフガス配管８において第２の逆支弁４２，圧
力センサ３５，加湿装置３をバイパスするように、一端
が燃料電池１と第２の遮断弁４２との間に接続され、他
端が加湿装置３と第３の遮断弁４３との間に接続されて
おり、この第２の逆洗配管３２には、第５の遮断弁４５
が設けられている。
て第１の遮断弁４１及び加湿装置３をバイパスするよう
に、一端がスーパーチャージャ２と第１の遮断弁４１と
の間に接続され、他端が加湿装置３と燃料電池１との間
に接続されており、この第１の逆洗配管３１には、第４
の遮断弁４４が設けられている。第２の逆洗配管３２
は、空気オフガス配管８において第２の逆支弁４２，圧
力センサ３５，加湿装置３をバイパスするように、一端
が燃料電池１と第２の遮断弁４２との間に接続され、他
端が加湿装置３と第３の遮断弁４３との間に接続されて
おり、この第２の逆洗配管３２には、第５の遮断弁４５
が設けられている。
【００３０】第１の排気配管３３は、一端が空気配管７
における加湿装置３と第１の遮断弁４１との間に接続さ
れ、他端は排気口５１へと通じており、この第１の排気
配管３３には、第６の遮断弁４６が設けられている。第
２の排気配管３４は、空気オフガス配管８において圧力
センサ３５，加湿装置３，第３の遮断弁４３をバイパス
するように、一端が第２の遮断弁４２と圧力センサ３５
との間に接続され、他端が第３の遮断弁４３と圧力調整
弁１６との間に接続されており、この第２の排気配管３
４には、第７の遮断弁４７が設けられている。
における加湿装置３と第１の遮断弁４１との間に接続さ
れ、他端は排気口５１へと通じており、この第１の排気
配管３３には、第６の遮断弁４６が設けられている。第
２の排気配管３４は、空気オフガス配管８において圧力
センサ３５，加湿装置３，第３の遮断弁４３をバイパス
するように、一端が第２の遮断弁４２と圧力センサ３５
との間に接続され、他端が第３の遮断弁４３と圧力調整
弁１６との間に接続されており、この第２の排気配管３
４には、第７の遮断弁４７が設けられている。
【００３１】通常運転時は、第１，第２，第３の遮断弁
４１，４２，４３が「開」とされ、かつ第４，第５，第
６，第７の遮断弁４４，４５，４６，４７が「閉」とさ
れており、スーパーチャージャ２により吸気口１１から
吸入された外気、即ち、乾燥エアＡdは、空気配管７と
空気オフガス配管８の双方に跨る加湿装置４において、
燃料電池１から排出された湿潤空気オフガスＯAw中の水
分を回収して高湿潤エアＡwとなり、燃料電池１へ供給
される。
４１，４２，４３が「開」とされ、かつ第４，第５，第
６，第７の遮断弁４４，４５，４６，４７が「閉」とさ
れており、スーパーチャージャ２により吸気口１１から
吸入された外気、即ち、乾燥エアＡdは、空気配管７と
空気オフガス配管８の双方に跨る加湿装置４において、
燃料電池１から排出された湿潤空気オフガスＯAw中の水
分を回収して高湿潤エアＡwとなり、燃料電池１へ供給
される。
【００３２】この高湿潤エアＡwは、高圧水素タンク
（図示略）から燃料電池１に供給された水素と共に発電
に供される他、燃料電池１内の固体高分子膜を飽和含水
状態に保持するための水分補給に供される。
（図示略）から燃料電池１に供給された水素と共に発電
に供される他、燃料電池１内の固体高分子膜を飽和含水
状態に保持するための水分補給に供される。
【００３３】次に、図４を用いて、本実施の形態に係る
燃料電池用加湿システムの逆洗運転時の動作例について
説明する。この逆洗運転は、燃料電池１の運転停止時だ
けでなく、車両走行中にも行われる。例えば、燃料電池
１が電動車両やハイブリッド車両に搭載された場合に
は、車両停車時、及び、車両走行中であって、圧力セン
サ３５で検出した中空糸膜入口圧力が各出力における設
定圧力値に対し＋５ｋＰａを超えた時に行われる。
燃料電池用加湿システムの逆洗運転時の動作例について
説明する。この逆洗運転は、燃料電池１の運転停止時だ
けでなく、車両走行中にも行われる。例えば、燃料電池
１が電動車両やハイブリッド車両に搭載された場合に
は、車両停車時、及び、車両走行中であって、圧力セン
サ３５で検出した中空糸膜入口圧力が各出力における設
定圧力値に対し＋５ｋＰａを超えた時に行われる。
【００３４】以下、車両走行中（図示せぬバッテリーに
よるＥＶ走行中）に行われる逆洗運転を例にとって説明
する。逆洗運転に先立ち、第１，第２，第３の遮断弁４
１，４２，４３は「開」から「閉」となるように、ま
た、第４，第５，第６，第７の遮断弁４４，４５，４
６，４７は「閉」から「開」となるように、開閉制御さ
れる。
よるＥＶ走行中）に行われる逆洗運転を例にとって説明
する。逆洗運転に先立ち、第１，第２，第３の遮断弁４
１，４２，４３は「開」から「閉」となるように、ま
た、第４，第５，第６，第７の遮断弁４４，４５，４
６，４７は「閉」から「開」となるように、開閉制御さ
れる。
【００３５】この状態から、スーパーチャージャ２によ
り吸気口１１から空気配管７内に取り込まれた乾燥エア
Ａdは、第１の逆洗配管３１に流入し、第４の遮断弁４
４を通過した後、加湿装置３へ向かう乾燥エアＡd1と、
燃料電池１へ向かう乾燥エアＡd2とに分配される。乾燥
エアＡd1は、加湿装置３に流入して乾燥エア流路を逆流
し、加湿装置３から流出した後は、第１の排気配管３３
に流入し、第６の遮断弁４６を通過して排気口５１から
排気される。
り吸気口１１から空気配管７内に取り込まれた乾燥エア
Ａdは、第１の逆洗配管３１に流入し、第４の遮断弁４
４を通過した後、加湿装置３へ向かう乾燥エアＡd1と、
燃料電池１へ向かう乾燥エアＡd2とに分配される。乾燥
エアＡd1は、加湿装置３に流入して乾燥エア流路を逆流
し、加湿装置３から流出した後は、第１の排気配管３３
に流入し、第６の遮断弁４６を通過して排気口５１から
排気される。
【００３６】他方、乾燥エアＡd2は、燃料電池１を通過
して空気オフガス配管８から第２の逆洗配管３２に流入
し、第５の遮断弁４５を通過した後、再び空気オフガス
配管８に復帰し、加湿装置３に流入する。その後、乾燥
エアＡd2は、加湿装置３内の湿潤空気オフガス流路を逆
流し、加湿装置３から流出した後は、圧力センサ３５を
通過して第２の排気配管３４に流入し、更に、第７の遮
断弁４７を通過した後、再び空気オフガス配管８に復帰
し、圧力調整弁１６を通過して排気口１４から排気され
る。
して空気オフガス配管８から第２の逆洗配管３２に流入
し、第５の遮断弁４５を通過した後、再び空気オフガス
配管８に復帰し、加湿装置３に流入する。その後、乾燥
エアＡd2は、加湿装置３内の湿潤空気オフガス流路を逆
流し、加湿装置３から流出した後は、圧力センサ３５を
通過して第２の排気配管３４に流入し、更に、第７の遮
断弁４７を通過した後、再び空気オフガス配管８に復帰
し、圧力調整弁１６を通過して排気口１４から排気され
る。
【００３７】このように、本実施の形態に係る燃料電池
用加湿システムによれば、車両走行中に、圧力センサ３
５で検出した中空糸膜入口圧力が所定値を超えた場合に
は、スーパーチャージャ２からの乾燥エアＡdを、加湿
装置３内の乾燥エア流路及び湿潤空気オフガス流路にお
いて逆流させ得るようにしたので、逆洗による中空糸膜
の目詰まり解消が可能となる。
用加湿システムによれば、車両走行中に、圧力センサ３
５で検出した中空糸膜入口圧力が所定値を超えた場合に
は、スーパーチャージャ２からの乾燥エアＡdを、加湿
装置３内の乾燥エア流路及び湿潤空気オフガス流路にお
いて逆流させ得るようにしたので、逆洗による中空糸膜
の目詰まり解消が可能となる。
【００３８】なお、本実施の形態では、加湿装置３内の
湿潤空気オフガス流路だけでなく、乾燥エア流路につい
ても乾燥エアＡd1を逆流させているが、乾燥エア流路に
ついては、通常運転時と同じ方向に乾燥エアＡd1を流し
ても構わない。その理由は、燃料電池１から排出される
湿潤空気オフガスＯAwに比して、スーパーチャージャ２
を出た乾燥エアＡdは、その上流側で埃塵等の不純物が
除去されて目詰まりを起こし難くなっており、逆洗の必
要性に乏しいからである。
湿潤空気オフガス流路だけでなく、乾燥エア流路につい
ても乾燥エアＡd1を逆流させているが、乾燥エア流路に
ついては、通常運転時と同じ方向に乾燥エアＡd1を流し
ても構わない。その理由は、燃料電池１から排出される
湿潤空気オフガスＯAwに比して、スーパーチャージャ２
を出た乾燥エアＡdは、その上流側で埃塵等の不純物が
除去されて目詰まりを起こし難くなっており、逆洗の必
要性に乏しいからである。
【００３９】また、本実施の形態による逆洗機構は、加
湿装置３の凍結による目詰まりに対しても有効であるこ
とは、もとよりである。
湿装置３の凍結による目詰まりに対しても有効であるこ
とは、もとよりである。
【００４０】［第３の実施の形態］ところで、水透過型
の加湿装置３を備えた燃料電池用加湿システムにおい
て、加湿加湿装置３内の乾燥エア流路及び湿潤空気オフ
ガス流路の目詰まりを予防するには、空気配管７及び空
気オフガス配管８の加湿装置入口側にフィルタを設けて
おくと効果的である。
の加湿装置３を備えた燃料電池用加湿システムにおい
て、加湿加湿装置３内の乾燥エア流路及び湿潤空気オフ
ガス流路の目詰まりを予防するには、空気配管７及び空
気オフガス配管８の加湿装置入口側にフィルタを設けて
おくと効果的である。
【００４１】図５は、第２の実施の形態に係る燃料電池
用加湿システムにフィルタを追加してなる第３の実施の
形態に係る燃料電池用加湿システムのシステム構成図で
あり、同図中、符号６１ａ，６１ｂはフィルタ、６２は
活性炭やゼオライト等の吸着剤又は白金系触媒により構
成される未反応物質除去手段を示しており、その他、第
２の実施の形態に係る燃料電池用加湿システムと同一の
構成要素については、同一の符号を付している。
用加湿システムにフィルタを追加してなる第３の実施の
形態に係る燃料電池用加湿システムのシステム構成図で
あり、同図中、符号６１ａ，６１ｂはフィルタ、６２は
活性炭やゼオライト等の吸着剤又は白金系触媒により構
成される未反応物質除去手段を示しており、その他、第
２の実施の形態に係る燃料電池用加湿システムと同一の
構成要素については、同一の符号を付している。
【００４２】このように、空気オフガス配管８におい
て、燃料電池１と加湿装置３との間にフィルタ６１ａを
設置した場合には、燃料電池１を出た湿潤空気オフガス
ＯAw中に含まれるセル破損物質や配管錆等をフィルタ６
１ａにて捕集し得るので、これら混入物の加湿装置３へ
の流入を防止することが可能となり、目詰まりの未然防
止を図ることができる。
て、燃料電池１と加湿装置３との間にフィルタ６１ａを
設置した場合には、燃料電池１を出た湿潤空気オフガス
ＯAw中に含まれるセル破損物質や配管錆等をフィルタ６
１ａにて捕集し得るので、これら混入物の加湿装置３へ
の流入を防止することが可能となり、目詰まりの未然防
止を図ることができる。
【００４３】また、空気配管７において、スーパーチャ
ージャ２と加湿装置３との間にフィルタ６１ｂを設置し
た場合には、スーパーチャージャ２に設けられたフィル
タと相俟って、乾燥エアＡd中に含まれる埃塵等の混入
物の加湿装置３への流入をより確実に防止することが可
能となり、更に効果的に目詰まりの未然防止を図ること
ができる。
ージャ２と加湿装置３との間にフィルタ６１ｂを設置し
た場合には、スーパーチャージャ２に設けられたフィル
タと相俟って、乾燥エアＡd中に含まれる埃塵等の混入
物の加湿装置３への流入をより確実に防止することが可
能となり、更に効果的に目詰まりの未然防止を図ること
ができる。
【００４４】但し、運転時間の経過に伴い、フィルタ６
１ａ，６１ｂが目詰まりを起こすことがあるため、定期
的に又は圧力センサ３５で検出したフィルタ入口圧力に
応じて、フィルタ６１ａ，６１ｂを逆洗する必要が生じ
る。かかる場合には、上述した第２の実施の形態におけ
る逆洗運転と同様の操作を行うことにより、フィルタ６
１ａ，６１ｂの目詰まりを解消することができる。
１ａ，６１ｂが目詰まりを起こすことがあるため、定期
的に又は圧力センサ３５で検出したフィルタ入口圧力に
応じて、フィルタ６１ａ，６１ｂを逆洗する必要が生じ
る。かかる場合には、上述した第２の実施の形態におけ
る逆洗運転と同様の操作を行うことにより、フィルタ６
１ａ，６１ｂの目詰まりを解消することができる。
【００４５】更に、本実施の形態においては、活性炭や
ゼオライト等の吸着剤又は白金系触媒により構成される
未反応物質除去手段６２を、フィルタ６１ａと加湿装置
３との間に設置したことにより、湿潤空気オフガスＯAw
中の未反応物質を吸着除去又は燃焼除去して加湿装置３
への流入を防止することが可能となっている。従って、
燃料電池１からの未反応物質が加湿装置３内で中空糸膜
を透過し、この未反応物質を含む湿潤空気オフガスＯAw
が燃料電池１の加湿に利用されて燃料電池１の性能劣化
を招く、といった不具合も未然に防止することができ
る。
ゼオライト等の吸着剤又は白金系触媒により構成される
未反応物質除去手段６２を、フィルタ６１ａと加湿装置
３との間に設置したことにより、湿潤空気オフガスＯAw
中の未反応物質を吸着除去又は燃焼除去して加湿装置３
への流入を防止することが可能となっている。従って、
燃料電池１からの未反応物質が加湿装置３内で中空糸膜
を透過し、この未反応物質を含む湿潤空気オフガスＯAw
が燃料電池１の加湿に利用されて燃料電池１の性能劣化
を招く、といった不具合も未然に防止することができ
る。
【００４６】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の請求項１によれば、加湿装置内の流路を切り替える事
で、目詰まりを防止できる。また、請求項２によれば、
水分が凍結する前に、予め加湿装置内の排気ガス流路に
乾燥ガスを流すことにより、凍結の原因となる水蒸気を
掃気し得るので、凍結の未然防止が可能となる。また、
請求項３によれば、排気ガス中に含まれる埃塵等の混入
物により、加湿装置内の排気ガス流路が目詰まりを起こ
しても、排気ガスを逆方向に流し得るので、逆洗による
目詰まり除去が可能となる。
の請求項１によれば、加湿装置内の流路を切り替える事
で、目詰まりを防止できる。また、請求項２によれば、
水分が凍結する前に、予め加湿装置内の排気ガス流路に
乾燥ガスを流すことにより、凍結の原因となる水蒸気を
掃気し得るので、凍結の未然防止が可能となる。また、
請求項３によれば、排気ガス中に含まれる埃塵等の混入
物により、加湿装置内の排気ガス流路が目詰まりを起こ
しても、排気ガスを逆方向に流し得るので、逆洗による
目詰まり除去が可能となる。
【図１】 本発明の第１の実施の形態による燃料電池用
加湿システムのシステム構成図であって、通常運転時の
ガス流れを示す図である。
加湿システムのシステム構成図であって、通常運転時の
ガス流れを示す図である。
【図２】 同燃料電池用加湿システムのシステム構成図
であって、掃気運転時のガス流れを示す図である。
であって、掃気運転時のガス流れを示す図である。
【図３】 本発明の第２の実施の形態による燃料電池用
加湿システムのシステム構成図であって、通常運転時の
ガス流れを示す図である。
加湿システムのシステム構成図であって、通常運転時の
ガス流れを示す図である。
【図４】 同燃料電池用加湿システムのシステム構成図
であって、逆洗運転時のガス流れを示す図である。
であって、逆洗運転時のガス流れを示す図である。
【図５】 本発明の第３の実施の形態による燃料電池用
加湿システムのシステム構成図である。
加湿システムのシステム構成図である。
１ 燃料電池 ３ 加湿装置 ４ 第１の三方弁 ５ 第２の三方弁 ６ 流量調整弁 ７ 空気配管 ８ 空気オフガス配管 ９ 掃気用配管 ３１ 第１の逆洗配管 ３２ 第２の逆洗配管 ３３ 第１の排気配管 ３４ 第２の排気配管 ３５ 圧力センサ ４１ 第１の遮断弁 ４２ 第２の遮断弁 ４３ 第３の遮断弁 ４４ 第４の遮断弁 ４５ 第５の遮断弁 ４６ 第６の遮断弁 ４７ 第７の遮断弁 Ａd 乾燥エア（乾燥ガス） Ａw 高湿潤エア（湿潤ガス） ＯAw 湿潤空気オフガス（排気ガス）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島貫 寛士 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 草野 佳夫 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3D035 AA03 BA01 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 BA13 KK03 MM03 MM04
Claims (3)
- 【請求項１】 乾燥ガス及び燃料電池からの排気ガスを
水透過型の加湿装置に導入し、前記排気ガス中の水分を
前記乾燥ガスに回収させてなる湿潤ガスを前記燃料電池
へ供給する燃料電池用加湿システムにおいて、 前記加湿装置へ通じるガス流路を切り替える流路切替機
構を備えたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。 - 【請求項２】 前記流路切替機構は、前記加湿装置内の
排気ガス流路に、前記乾燥ガスを流通させることを特徴
とする請求項１記載の燃料電池用加湿システム。 - 【請求項３】 前記流路切替機構は、前記加湿装置内の
排気ガス流方向を可逆にすることを特徴とする請求項１
記載の燃料電池用加湿システム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000023226A JP2001216987A (ja) | 2000-01-31 | 2000-01-31 | 燃料電池用加湿システム |
| US09/774,374 US6808832B2 (en) | 2000-01-31 | 2001-01-30 | Fuel cell humidifying system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000023226A JP2001216987A (ja) | 2000-01-31 | 2000-01-31 | 燃料電池用加湿システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001216987A true JP2001216987A (ja) | 2001-08-10 |
Family
ID=18549419
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000023226A Withdrawn JP2001216987A (ja) | 2000-01-31 | 2000-01-31 | 燃料電池用加湿システム |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6808832B2 (ja) |
| JP (1) | JP2001216987A (ja) |
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