JP2001216989A - 燃料電池用加湿システム - Google Patents

燃料電池用加湿システム

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JP2001216989A JP2000026682A JP2000026682A JP2001216989A JP 2001216989 A JP2001216989 A JP 2001216989A JP 2000026682 A JP2000026682 A JP 2000026682A JP 2000026682 A JP2000026682 A JP 2000026682A JP 2001216989 A JP2001216989 A JP 2001216989A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 作動停止した燃料電池を再始動する場合に速
やかに最適な露点状態で運転を行なうことができる燃料
電池用加湿システムを提供する。 【解決手段】 乾燥空気を反応後に排出されるオフガス
内の水分により加湿する水分透過型の加湿装置６を備え
た燃料電池用加湿システムにおいて、乾燥空気を燃料電
池１に供給する乾燥空気供給路３と燃料電池１から排出
されるオフガスのオフガス排出路５とが設けられ、乾燥
空気供給路３とオフガス排出路５との間に加湿装置６が
介在され、乾燥空気供給路３とオフガス排出路５とで閉
ループが形成可能に構成され、燃料電池１の停止時に前
記閉ループを形成した状態とし、燃料電池１の再起動時
に、前記閉ループを形成した状態でスーパーチャージャ
ー１７により空気を循環させて燃料電池１内の露点を調
製した後、閉ループを解除すると共に燃料電池１を通常
運転とする制御装置２７を設けたことを特徴とする。

Description

【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加湿システムに係るものであり、特
に、再始動時において最適な条件で運転を行なうことが
できる燃料電池用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、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、前記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がある。ところ
で、燃料電池内では反応により水が生ずる関係で、反応
後に排出されるオフガスには多くの水分が含まれてい
る。したがって、例えば、特開平６−１３２０３８号公
報に示されているように、反応後に排出されるオフガス
を加湿ガスとして用い、反応に使用される反応ガスを加
湿する加湿装置を備えた燃料電池用加湿システムが提案
されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の燃料電池用加湿システムにおいては、オフガスを有効
利用する点で優れているが、燃料電池を作動停止して系
内の雰囲気温度が低下すると、燃料電池内を含む配管経
路内の含有水分が結露を起こしてしまう。そしてこの状
態で燃料電池を再起動すると結露している分だけ燃料電
池内の湿度が低下しているため、燃料電池の通常運転の
ための必要露点が得られず発電効率が低下してしまうと
いう問題がある。そこで、この発明は、作動停止した燃
料電池を再始動する場合に最適な状態で運転を行なうこ
とができる燃料電池用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、反応に使用される乾燥
空気を、反応後に排出されるオフガス内の水分により加
湿する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、前記乾燥空気を加給装置（例えば、実施形態におけ
るスーパーチャージャー１７）を介して燃料電池（例え
ば、実施形態における燃料電池１）に供給する供給ライ
ン（例えば、実施形態における乾燥空気供給路３）と燃
料電池から排出されるオフガスの排出ライン（例えば、
実施形態におけるオフガス排出路５）とが設けられ、こ
れら供給ラインと排出ラインとの間に前記加湿装置が介
在され、前記供給ラインと排出ラインとで閉ループが形
成可能に構成され、燃料電池の停止時に前記閉ループを
形成した状態とし、燃料電池の再起動時に、前記閉ルー
プを形成した状態で加給装置により空気を循環させて燃
料電池内の露点を調製した後、閉ループを解除すると共
に燃料電池を通常運転とする制御装置（例えば、実施形
態における制御装置２７）を設けたことを特徴とする。
【０００５】このように構成することで、燃料電池の停
止時において供給ラインと排出ラインとで閉ループを形
成して系内の水分を保持するため、系内の温度低下によ
り結露が生じ露点が下がった場合でも、水分の外部流出
を防止し、燃料電池の再起動時に前記閉ループを形成し
た状態で加給装置を作動させると、加給装置による断熱
圧縮作用により空気を加熱すると共に、攪拌作用により
水分を攪拌して露点を調整し、露点を調製した後、閉ル
ープを解除すれば燃料電池を通常運転することが可能と
なる。
【０００６】請求項２に記載した発明は、上記加湿装置
に加熱装置（例えば、実施形態におけるヒーター２１）
が設けられていることを特徴とする。このように構成す
ることで、燃料電池内の露点を調整する場合に、系内の
ガス温度を加熱装置により調整することが可能となる。
請求項３に記載した発明は、上記燃料電池が固体高分子
膜を備えたものであって、上記固体高分子膜に導電率計
（例えば、実施形態における導電率計２０）が取り付け
られていることを特徴とする。このように構成すること
で、固体高分子膜の導電率で固体高分子膜の湿潤度を推
定することが可能となる。
【０００７】
【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。
【０００８】燃料電池１のガス入口２には、反応に使用
される乾燥空気の乾燥空気供給路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。上記乾燥空気供給路３とオフガス排出路５
とにまたがって、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。
【０００９】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にはその側壁に空気入口１０と
空気出口１１が各々形成され、この空気入口１０と空気
出口１１とはケーシング７内の各中空糸膜Ｔの間の隙間
に連通している。
【００１０】そして、上記ケーシング７の各端部には、
前記空気入口１０と空気出口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
空気ポート１３とオフガスポート１４とが、各々前記ケ
ーシング７の空気入口１０、空気出口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
の空気ポート１３とオフガスポート１４とが前記乾燥空
気供給路３とオフガス排出路５とに各々接続さている。
尚、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。また、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。
【００１１】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Ｔ内に湿潤したオフガス
が供給されると、中空糸膜Ｔに形成された毛管内におい
て水分が凝縮し（ケルビンの毛管凝縮式に基づく）、水
分は分離透過される。この透過した水分は、前記空気ポ
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の多端側の空気
ポート１４から出る空気は加湿された状態となる。
【００１２】図１において、前記乾燥空気供給路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１
８により系内の圧力が調整される。
【００１３】ここで、乾燥空気供給路３には、加湿装置
６と燃料電池１のガス入口２との間に、燃料電池１内に
供給される乾燥空気の温度を測定する温度計１９が設け
られている。また、前記加湿装置６にはヒーター２１が
設けられ、ヒーター２１はスイッチ２２によりＯＮ、Ｏ
ＦＦされる。そして、燃料電池１内の任意の固体高分子
膜Ｋには、導電率計２０が設けられ、この導電率計２０
により固体高分子膜Ｋの湿潤状態を検出するようになっ
ている。この湿潤状態を検出するには、例えば、特開平
７−２８２８３２号公報に示されているように、白金線
を用い、アノード側とカソード側との電圧、固体高分子
膜Ｋとアノードおよびカソードのインピーダンスから導
電率を求める手法を採用することができる。
【００１４】一方、前記スーパーチャージャー１７の下
流側の乾燥空気供給路３には熱交換器２３が設けられ、
スーパーチャージャー１７の上流側には水インジェクタ
２４が設けられている。そして、前記乾燥空気供給路３
の水インジェクタ２４の上流側とオフガス排出路５の圧
力調製弁１８の下流側には入口三方弁２５ａ、出口三方
弁２５ｂが各々設けられ、これら三方弁２５ａ，２５ｂ
間は連通配管２６で接続されている。
【００１５】よって、入口三方弁２５ａと出口三方弁２
５ｂとを、乾燥空気供給路３とオフガス排出路５とを連
通路２６で連通するように切り替えれば、乾燥空気供給
路３の入口とオフガス排出路５の出口とが閉塞され、乾
燥空気供給路３とオフガス排出路５と連通路２６とで閉
ループが形成される。一方、乾燥空気供給路３の入口と
オフガス排出路５出口とを開放する方向に各三方弁２５
ａ，２５ｂを切り替えれば、前記閉ループは解除され
る。そして、前記燃料電池１、導電率計２０、温度計１
９、加熱装置２１のスイッチ２２、スーパーチャージャ
ー１７のモータ１６、圧力調製弁１８、入口三方弁２５
ａ、出口三方弁２５ｂが制御装置２７を介して接続され
ている。
【００１６】次に、図３に示すタイムチャートに基づい
て作用について説明する。先ず、燃料電池１を通常運転
である負荷運転する場合には入口三方弁２５ａ、出口三
方弁２５ｂにより乾燥空気供給路３の入口とオフガス排
出路５の出口を共に開いてスーパーチャージャー１７を
起動させる。このとき、ヒーター２１のスイッチ２２は
ＯＦＦとなっている。そして、燃料電池１の停止信号が
出力されると燃料電池１は無負荷運転となり、入口三方
弁２５ａ、出口三方弁２５ｂを閉ループモード側に切り
替え、スーパーチャージャー１７を停止する。このとき
ヒーター２１はＯＦＦとなっている。これにより乾燥空
気供給路３とオフガス排出路５とが連通配管２６で接続
され、乾燥空気供給路３とオフガス排出路５と連通配管
２６とで、加湿装置６、及びスーパーチャージャー１７
等を含む閉ループが形成される。
【００１７】したがって、系内の水分は当該系内に保持
される。ここで、各三方弁２５ａ，２５ｂの切替タイミ
ングは燃料電池１の停止信号に基づいて制御装置２７に
より行なわれ、その後燃料電池１は停止する。このよう
に、系内の水分を保持するのは、燃料電池１の停止後、
燃料電池１の固体高分子膜Ｋ内の水分は時間の経過とと
もに下流側に移動し、系を開放したままにすると燃料電
池１の発電に十分な水分が確保できないからである。そ
のため、燃料電池１の停止時にはカソード側の加湿経路
を遮断するために前記閉ループを形成している。
【００１８】次に、燃料電池１を再起動するために、制
御装置２７により燃料電池１の起動信号が出力される
と、前記閉ループを維持した状態で、制御装置２７を介
してモータ１６によりスーパーチャージャー１７を運転
し、スイッチ２２によりヒーター２１をＯＮ作動し、加
湿装置６内、乾燥空気供給路３、及び、オフガス排出路
５内に貯留している水をスーパーチャージャー１７に吸
引させて攪拌してミスト状にする。すると、スーパーチ
ャージャー１７による断熱圧縮作用と、加湿装置６に設
けられたヒーター２１により加湿装置６を加熱すること
により、系内のガス温度は上昇する。したがって、速や
かに必要な露点を確保することができる。必要な露点が
確保されたら、燃料電池１は無負荷運転状態とする。こ
こで、燃料電池１の無負荷運転状態とは、燃料電池自体
から発生し得る安定的な最小電力供給が可能となる様に
アノード側及びカソード側に所定の水素及び空気を供給
した状態において、燃料電池自体からの電力が発生して
いない状態を意味する。また、負荷運転状態とは燃料電
池自体から電力を発生し得る状態を意味する。
【００１９】上記閉ループ内で行なわれている水分循環
は燃料電池１が発電可能となるべく固体高分子膜Ｋが湿
潤するまで（図３においてＦＣ湿潤完了）行なわれる。
このように固体高分子膜Ｋが湿潤したか否かを判定する
には、固体子分子膜Ｋの導電率がしきい値をこえたか否
かで推定する。ここで、この導電率は燃料電池１の入口
ガス温度及び相対湿度（つまり露点）と関係している。
すなわち、図４に示すように、ある一定の相対湿度に対
して、ガス温度に応じた導電率のしきい値が求められ
る。例えば、ガス温度、つまり温度計１９で測定された
燃料電池１の入口ガス温度が８０℃の場合には、固体高
分子膜Ｋの導電率のしきい値は０．１７（Ｓ／ｃｍ
２）、入口ガス温度が３０℃の場合には、導電率しきい
値０．１４（Ｓ／ｃｍ２）となる。つまりこれらの各し
きい値がガス温度に応じて細かく設定されている。
【００２０】そして、図５に示すようにしきい値とガス
温度のグラフから、温度計１９で測定された現在のガス
温度に対して、導電率計２０により検出された固体高分
子膜Ｋの導電率がしきい値より高くなった場合に、固体
高分子膜Ｋが十分に湿潤していると判定する。
【００２１】次に、前述したように固体高分子膜Ｋが運
転を再開するに十分な湿潤状態になった（導電率がしき
い値を超えた）と判定されると、前記閉ループを解除す
べく制御装置２７を介して各三方弁２５ａ，２５ｂを閉
作動させて連通路２６と乾燥空気供給路３とオフガス排
出路５との連通を解除し、燃料電池１を負荷運転する。
尚、この負荷運転に移行する場合には、スーパーチャー
ジャー１７は起動したままで、ヒーター２１はＯＦＦと
する。
【００２２】尚、系内のガス温度を調整するためにスー
パーチャージャー１７のモータ１６により回転数を変化
させたり、あるいは前記ヒーター２１をＯＮ，ＯＦＦ制
御したり、ヒーター２１に対する印加電圧を変化させる
ことができる。つまり、スーパーチャージャー１７の回
転数を上げたり、ヒーター２１のＯＮ時間を延ばし、あ
るいは印加電圧を上げることで温度を上昇させることが
できる。また、系内の水分は燃料電池１の停止時におい
ては前記閉ループ内に確保されるため基本的に外部から
の供給は必要ないが、系内の露点を調整するために、万
一必要がある場合は、水インジェクタ２４から水分を供
給して露点を上げたり、前記各三方弁２５ａ，２５ｂを
乾燥空気供給路３の入口とオフガス排出路５の出口が解
放されるように通常モード側に一時的に切り替えて、余
剰水分を排出することで露点を下げることも可能であ
る。
【００２３】したがって、上記実施形態によれば、通常
は燃料電池１を停止した後に系内の温度が低下すると、
燃料電池１を含む乾燥空気供給路３及びオフガス排出路
５内の水が結露を起こし、そのままの状態で再度燃料電
池１を起動すると系内が乾燥していて発電効率を十分に
得られないが、燃料電池１の起動時から負荷運転に至ま
での間に、系内の水分を確保して固体高分子膜Ｋが乾燥
するのを防止できるため、速やかに負荷運転に移行する
ことができる。
【００２４】つまり、燃料電池１の停止後に燃料電池１
を含む系内を各三方弁２５ａ，２５ｂを閉ループモード
側に切り替えることでが閉ループを形成するため、系内
の水分を有効利用し停止直前の必要水分を確保すること
ができる。また、系内に水分を確保した状態で、スーパ
ーチャージャー１７を有効利用して系内の空気温度を速
やかに調製することができるため、新たに大掛かりな加
熱装置が必要ない点で有利である。また、スーパーチャ
ージャー１７の断熱圧縮に加えて、ヒーター２１を用い
ることができるため、確実かつ速やかに所望のガス温度
を得ることができる。また、固体高分子膜Ｋの湿潤状態
を該固体高分子膜Ｋの導電率により推定しているため、
単純にガスの露点で湿潤状態を判定する場合に比較し
て、燃料電池１の発電能力をより正確に反映することが
できる。
【００２５】したがって、燃料電池１を停止してから通
常運転に移行するまでの時間を最小限に短縮することが
できるため、燃料電池車に搭載した場合に、バッテリに
よる走行時間（ＥＶ走行時間）が少なくてすみ、バッテ
リに対する負荷が少なくてすむ。即ち、燃料電池自動車
は車両がスタートしてから、燃料電池１による通常運転
が開始されるまでの間に、燃料電池のアイドル時間が必
要となり、この間は通常バッテリ走行を行なうが、この
バッテリ走行を行なっている時間が長いと、バッテリの
残容量が減少してしまいエネルギーマネージメント上不
利となってしまう。
【００２６】その結果、この実施形態によれば、速やか
に燃料電池１による通常運転（負荷運転）に移行するこ
とができるため、バッテリによる走行時間が大幅に短縮
され、バッテリ残容量の減少を最小限に食い止めること
ができる。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
加湿システムにも利用できる。また、導電率計を設ける
替わりに乾燥空気供給路の燃料電池１の入口に露点計を
設けて、露点を検出するようにしても良い。
【００２７】
【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載した発明によれば、燃料電池を停止した状態で系内の
温度低下により結露が生じて露点が下がった場合でも、
燃料電池の再起動時に前記閉ループを形成した状態で加
給装置を作動させ、系内の露点を調整し、露点を調整し
た後前記閉ループを解除して燃料電池を通常運転するこ
とが可能となるため、燃料電池停止時における系内の水
分を有効利用して、速やかに燃料電池を通常運転に移行
することができる効果がある。したがって、燃料電池自
動車に搭載した場合に、通常の燃料電池走行に移行する
までの時間を大幅に短縮することができるため、バッテ
リにより走行する時間を短縮でき、エネルギーマネージ
メント上有利となるという効果がある。
【００２８】請求項２に記載した発明によれば、燃料電
池内の露点を調整する場合に、系内のガス温度を加熱装
置により調整することが可能となるため、速やかにガス
温度を上げ露点を調整することができる効果がある。請
求項３に記載した発明によれば、固体高分子膜の導電率
で固体高分子膜の湿潤度を推定することが可能となるた
め、単純にガスの露点で湿潤状態を判定する場合に比較
して、燃料電池の発電能力を正確に反映することができ
る効果がある。
【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】 この発明の第１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実施形態のタイムチャート図
である。
【図４】 固体高分子膜の導電率と相対湿度の関係を示
すグラフ図である。
【図５】 固体高分子膜の導電率のしきい値とガス温度
の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池 ３ 乾燥空気供給路（供給ライン） ５ オフガス排出路（排出ライン） ６ 加湿装置 １７ スーパーチャージャー（加給装置） ２０ 導電率計 ２１ ヒーター（加熱装置） ２７ 制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 鈴木 幹浩 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） 5H026 AA06 5H027 AA06 BC19 KK31 KK51 MM01

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 反応に使用される乾燥空気を、反応後に
    排出されるオフガス内の水分により加湿する水分透過型
    の加湿装置を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、
    前記乾燥空気を加給装置を介して燃料電池に供給する供
    給ラインと燃料電池から排出されるオフガスの排出ライ
    ンとが設けられ、これら供給ラインと排出ラインとの間
    に前記加湿装置が介在され、前記供給ラインと排出ライ
    ンとで閉ループが形成可能に構成され、燃料電池の停止
    時に前記閉ループを形成した状態とし、燃料電池の再起
    動時に前記閉ループを形成した状態で加給装置により空
    気を循環させて燃料電池内の露点を調製した後、閉ルー
    プを解除すると共に燃料電池を通常運転とする制御装置
    を設けたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
  2. 【請求項２】 上記加湿装置にヒーターが設けられてい
    ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用加湿シ
    ステム。
  3. 【請求項３】 上記燃料電池が固体高分子膜を備えたも
    のであって、上記固体高分子膜に導電率計が取り付けら
    れていることを特徴とする請求項１または請求項２に記
    載の燃料電池用加湿システム。
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