JP2001351659A - 燃料電池用ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の効率を低下することなく加湿効率
を向上することのできる燃料電池用ガス供給装置を提供
することを主たる課題とする。 【解決手段】 燃料電池１に供給する供給空気Ａを燃料
電池１にて利用後に排出する排出空気Ａｅに含まれる水
分で加湿する加湿器（水透過膜型加湿器）２３を備えた
燃料電池用ガス供給装置２に、加湿器２３を通流した後
の排出空気Ａｅを利用して回転するタービン２６ａを加
湿器２３の下流に備え、タービン２６ａと連動連結した
コンプレッサ２６ｂを加湿器２３の上流に備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水透過膜型加湿器
を備えた燃料電池用ガス供給装置に関し、殊に、水透過
膜型加湿器を通流した後の排出ガスが保有するエネルギ
を利用して水透過膜型加湿器の加湿効率の向上を達成す
る燃料電池用ガス供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車の動力源などとして、
クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池（固体高分子
型燃料電池）が注目されている。この燃料電池は、燃料
電池に供給する供給ガスを加湿すると、電解質膜の乾燥
が防止されてプロトンの移動が容易になり、燃料電池を
良好な状態で安定的に運転することができる。この燃料
電池に供給する供給ガスを加湿する燃料電池用加湿装置
として、水透過膜型加湿器を備えたものが知られてい
る。例えば、特開平８−２７３６８７号公報には、水透
過膜型加湿器として中空糸膜を利用した燃料電池の供給
ガス加湿装置が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、水透過膜型
加湿器の加湿効率を向上して良好な状態で燃料電池にガ
スを供給するには、燃料電池から排出された排出ガスの
温度及び圧力を高めることが考えられるが、排出ガスの
温度及び圧力を高める際に、新たな電力や動力を消費し
たのでは、燃料電池の効率が低下してしまう。そこで、
本発明は、燃料電池の効率を低下することなく加湿効率
を向上することのできる燃料電池用ガス供給装置を提供
することを主たる課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決した本発
明は、燃料電池に供給する供給ガスを前記燃料電池にて
利用後に排出する排出ガスに含まれる水分で加湿する水
透過膜型加湿器を備えた燃料電池用ガス供給装置であっ
て、前記水透過膜型加湿器を通流した後の前記排出ガス
を利用して回転するタービンを前記水透過膜型加湿器の
下流に備え、前記タービンと連動連結したコンプレッサ
を前記水透過膜型加湿器の上流に備える構成とした。こ
の構成によれば、水透過膜型加湿器を通流した後の排出
ガスのエネルギをタービンで回収して、これと連動連結
したコンプレッサで水透過膜型加湿器の上流側の燃料電
池からの排出ガス（あるいは水透過膜型加湿器への供給
ガス）を圧縮する。このため、新たな電力や動力を消費
することなく排出ガスの温度及び圧力を高めることがで
きる。このように、水透過膜型加湿器に供給する排出ガ
スの温度及び圧力を高めることで、水透過膜型加湿器の
加湿効率を向上することができる。なお、後述する発明
の実施の形態でのターボチャージャは、加湿器の下流に
設けられたタービンと加湿器の上流に設けられたコンプ
レッサで構成される。

【０００５】また、請求項２に記載の燃料電池用ガス供
給装置は、前記タービンの前後を連通し、前記水透過膜
型加湿器へ供給されるガスの状態に応じて開閉される連
通路を備える構成とした。この構成では、連通路が開か
れるとタービンを通流する排出ガスがバイパスされ、タ
ービンで回収される排出ガスのエネルギが少なくなる。
このため、コンプレッサでの排出ガスの圧縮幅が少なく
なり温度上昇幅も少なくなる。一方、連通路が閉じられ
ると排出ガスがバイパスされないので、タービンで回収
される排出ガスのエネルギが多くなる。このため、コン
プレッサでの排出ガスの圧縮幅が大きくなり温度上昇幅
も大きくなる。この連通路の開閉は、水透過膜型加湿器
に供給されるガス（排出ガス・供給ガス）の温度・圧力
・湿度などの状態に応じて行われる。例えば、水透過膜
型加湿器に供給される排出ガスの温度が高くなると連通
路が開かれる。一方、水透過膜型加湿器に供給される排
出ガスの温度が低くなると連通路が閉じられる。ちなみ
に、排出ガスの温度や圧力を調節することにより供給ガ
スの湿度調整を行うことができる。この連通路は、発明
の実施の形態では、ウェストゲートに相当する。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の燃料
電池用ガス供給装置を、図面を参照して詳細に説明す
る。ちなみに、本実施形態の燃料電池用ガス供給装置
は、燃料電池から排出される排出空気を空気圧縮機で吸
引して燃料電池を負圧で運転する。このため、温度一定
の下では、圧力が下がると水蒸発速度が大きくなること
から、燃料電池内が乾燥しやすいという傾向を有する。
したがって、本実施形態の燃料電池用ガス供給装置は、
燃料電池から排出されて水透過膜型加湿器（以下「加湿
器」という）に向かう排出空気を、空気圧縮機で圧縮す
ることに加えて、ターボチャージャにより加湿器を通流
した後の排出空気のエネルギを利用して更に圧縮して加
湿器に供給する。これにより、本実施形態の燃料電池用
ガス供給装置は、加湿器の加湿効率の向上と空気圧縮機
の動力（消費電力）の削減を達成する。

【０００７】〔第１実施形態〕先ず、第１実施形態の燃
料電池用ガス供給装置を説明する。第１実施形態で参照
する図面において、図１は燃料電池用ガス供給装置を含
む燃料電池システムの全体構成図であり、図２は燃料電
池の構成を模式化した説明図である。

【０００８】図１に示す燃料電池システムＦＣＳは、燃
料電池１、空気供給装置２、水素供給装置３、及び制御
装置４などから構成される燃料電池１を中核とした発電
システムである。なお、燃料電池用ガス供給装置ＧＳ
（ＧＳ１）は、空気供給装置２及び制御装置４から構成
される。

【０００９】先ず、図２に示すように、燃料電池１は、
電解質膜１ｃを挟んでカソード極側（酸素極側）とアノ
ード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの側に白
金系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電極１ｂ
及びアノード電極１ｄを形成している。電解質膜１ｃと
しては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパー
フロロカーボンスルホン酸膜が使われる。この電解質膜
１ｃは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽
和含水することにより常温で２０Ω-プロトン以下の低
い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能す
る。なお、カソード電極１ｂに含まれる触媒は酸素から
酸素イオンを生成する触媒であり、アノード電極１ｄに
含まれる触媒は水素からプロトンを生成する触媒であ
る。

【００１０】また、カソード電極１ｂの外側にはカソー
ド電極１ｂに酸化剤ガスとしての供給空気Ａを通流する
カソード極側ガス通路１ａが設けられ、アノード電極１
ｄの外側にはアノード電極１ｄに燃料ガスとしての供給
水素Ｈを通流するアノード極側ガス通路１ｅが設けられ
ている。カソード極側ガス通路１ａの入口及び出口は空
気供給装置２に接続され、アノード極側ガス通路１ｅの
入口及び出口は水素供給装置３に接続されている。な
お、この図２における燃料電池１は、その構成を模式化
して１枚の単セルとして表現してあるが、実際の燃料電
池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構
成される。また、燃料電池１は、発電の際に電気化学反
応により発熱するため、燃料電池１を冷却する図示しな
い冷却装置を有する。

【００１１】この燃料電池１は、カソード極側ガス通路
１ａに供給空気Ａが通流され、アノード極側ガス通路１
ｅに供給水素Ｈが供給されると、アノード電極１ｄで水
素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成し
たプロトンは、電解質膜１ｃ中を移動してカソード電極
１ｂに到達する。そして、カソード電極１ｂに到達した
プロトンは、触媒の存在下、供給空気Ａの酸素から生成
した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成し
た水及び未使用の酸素を含む供給空気Ａは、排出空気Ａ
ｅとして燃料電池１のカソード極側の出口から排出され
る（排出空気Ａｅは多量の水分を含む）。また、アノー
ド電極１ｄでは水素がイオン化する際に電子ｅ^-が生成
するが、この生成した電子ｅ^-は、モータなどの外部負
荷Ｍを経由してカソード電極１ｂに達する。

【００１２】次に、図１に示すように、空気供給装置２
は、エアクリーナ２１、加湿器２３、空気圧縮機２４、
ターボチャージャ２６（タービン２６ａ・コンプレッサ
２６ｂ）、ウェストゲート２７、流量センサＱ、温度セ
ンサＴ１，Ｔ２，Ｔ３、湿度センサＨ、圧力センサＰな
どから構成される。なお、供給空気Ａが通流するライン
を供給空気ラインと呼び、排出空気Ａｅが通流するライ
ンを排出空気ラインと呼ぶ。

【００１３】エアクリーナ２１は、図示しないフィルタ
などから構成され、燃料電池１のカソード極側に供給さ
れる空気（供給空気Ａ）をろ過して、供給空気Ａに含ま
れるゴミをなどを取り除く。

【００１４】加湿器２３は、図示しない中空糸膜を使用
した水透過膜型加湿器を使用する。中空糸膜は、中空通
路を有する直径１〜２ｍｍ、長さ数十ｃｍの中空繊維で
ある。この加湿器２３は、中空糸膜を数千本束ねてそれ
ぞれ中空容器に収容した２本の中空糸膜モジュール、こ
の２本の中空糸膜モジュールを並列に接続する配管、供
給空気Ａの流量や湿度に応じて２本の中空糸膜モジュー
ルを切り替えて使用するための電磁弁や電磁弁コントロ
ーラなどの切替手段などから構成される（以上図示
外）。なお、電磁弁コントローラは、後述する制御装置
４に含まれるものとする。

【００１５】各中空糸膜モジュールにおける中空糸膜の
充填率は、中空容器の断面積に対して４０〜６０％であ
る。この中空糸膜モジュールは、中空糸膜の中空通路の
一端から排出空気Ａｅが通流して他端から抜き出される
ようになっている（排出空気ラインの一部を構成）。ま
た、中空糸膜モジュールは、中空糸膜同士の隙間に供給
空気Ａが通流して抜き出されるようになっている（供給
空気ラインの一部を構成）。つまり、中空糸膜モジュー
ルは、中空糸膜により供給空気Ａと排出空気Ａｅが混合
しないようになっている。その一方、中空糸膜は、その
内表面から外表面に達する口径数ｎｍ（ナノメートル）
の微細な毛管を多数有し、毛管中では、蒸気圧が低下し
て容易に水分の凝縮が起こるようになっている。そし
て、凝縮した水分は、毛管現象により吸い出されて中空
糸膜を透過する。したがって、中空通路に燃料電池１で
生成した水分を多量に含んだ排出空気Ａｅを通流する
と、水分が中空通路の内表面で凝縮し、毛管現象により
吸い出され、中空糸膜の外表面に到達し、この水分によ
り中空糸膜同士の隙間を通流する相対的に乾燥した供給
空気Ａが加湿される。ちなみに、中空通路側に供給空気
Ａを通流し、中空糸膜同士の隙間に排出空気Ａｅを通流
する構成でもよい。

【００１６】加湿器２３は、切替手段により、供給空気
Ａの流量が少ないときは、中空糸膜モジュールを１本の
み使用するように切替駆動され、供給空気Ａの流量が多
いときは、中空糸膜モジュールを２本とも使用するよう
に切替駆動される。このように、切替駆動するのは、中
空糸膜モジュールは、供給空気Ａ及び排出空気Ａｅの流
量が少なすぎても多すぎても加湿効率が低下するという
加湿特性を有するからである。中空糸膜モジュールを切
り替えるタイミングなどは、後述する流量センサＱから
の検出信号により決定される。

【００１７】なお、第１実施形態の加湿器２３は、排出
空気Ａｅの有する熱を供給空気Ａに伝達する熱交換器の
役割を有する。ちなみに、燃料電池１は、８０〜９０℃
程度の温度で運転される。このため、供給空気Ａは、６
０〜７５℃になるようにこの加湿器２３で温度制御され
て燃料電池１に導入される。供給空気Ａの温度制御の詳
細は後述する。

【００１８】空気圧縮機２４は、図示しないスーパーチ
ャージャ（容積型の圧縮機）及びこれを駆動するモータ
などから構成され、燃料電池１で酸化剤ガスとして使用
された後の供給空気Ａ、つまり燃料電池１のカソード極
側から排出される排出空気Ａｅを吸引し、圧縮して後段
のターボチャージャ２６のコンプレッサ２６ｂに送出す
る。この空気圧縮機２４は、供給空気Ａを吸引すること
により、燃料電池１を負圧（大気圧以下の圧力）で運転
する役割を有する。また、空気圧縮機２４は、排出空気
Ａｅを断熱圧縮することにより排出空気Ａｅの温度を高
め、排出空気Ａｅを、供給空気Ａを加熱するための熱源
とする役割などを有する。

【００１９】ターボチャージャ２６は、排出空気Ａｅの
有するエネルギにより回転するタービン２６ａ及びこの
タービン２６ａに連動連結されたコンプレッサ２６ｂか
ら構成され、加湿器２３を通流した後の排出空気Ａｅが
保有するエネルギをタービン２６ａで回収し、加湿器２
３に向かう排出空気Ａｅをコンプレッサ２６ｂで加圧
（加熱）する。第１実施形態では、コンプレッサ２６ｂ
は、排出空気ラインにおける加湿器２３の上流側（空気
圧縮機２４と加湿器２３の間）に備えられる。後述する
ように、このターボチャージャ２６により、加湿効率の
大幅な向上及び空気圧縮機２４の動力（電力）の大幅な
削減が図られる。

【００２０】ウェストゲート２７は、図示しないバタフ
ライ弁及びこれを駆動するステッピングモータなどから
構成され、タービン２６ａに向かう排出空気Ａｅの流量
をウェストゲート２７の開度を変化させることによりバ
イパス制御する。ちなみに、ウェストゲート２７により
タービン２６ａをバイパスする排出空気Ａｅの量を増や
すと、コンプレッサ２６ｂの吐出圧が低くなり（低過給
圧）、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅が減少
する。一方、バイパスする排出空気Ａｅの量を減らす
と、コンプレッサ２６ｂの吐出圧が高くなり（高過給
圧）、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅が増加
する。なお、このウェストゲート２７は、加湿器２３に
向かう排出空気Ａｅの温度及び圧力が限界温度（例えば
２００℃）及び限界圧力（例えば１ＭＰａ）を超えない
ようにする役割を有する。限界温度及び圧力は、中空糸
膜の材質及び形状などにより異なる。

【００２１】流量計Ｑは、差圧流量計などから構成さ
れ、エアクリーナ２１を通流した後（排出空Ａｅの合流
後）の供給空気Ａの流量を検出し、検出信号を制御装置
４に送信する。

【００２２】温度センサＴ１は、熱電対やサーミスタな
どから構成され、燃料電池１のカソード極側の入口にお
ける供給空気Ａの温度を検出し、検出信号を制御装置４
に送信する。

【００２３】温度センサＴ２は、温度センサＴ１と同様
に熱電対やサーミスタなどから構成され、空気圧縮機２
４の吐出側における排出空気Ａｅの温度を検出し、検出
信号を制御装置４に送信する。

【００２４】温度センサＴ３は、温度センサＴ１などと
同様に熱電対やサーミスタなどから構成され、コンプレ
ッサ２６ｂの吐出側における排出空気Ａｅの温度を検出
し、検出信号を制御装置４に送信する。

【００２５】湿度センサＨは、高分子膜系の湿度センサ
などから構成され、燃料電池１のカソード極側入口にお
ける供給空気Ａの湿度を検出し、検出信号を制御装置４
に送信する。

【００２６】圧力センサＰは、ブルドン管、ベローズ、
ダイヤフラムやストレインゲージなどから構成され、加
湿器２３の入り口における排出ガスの圧力を検出し、検
出信号を制御装置４に送信する。

【００２７】なお、ターボチャージャ２６には、図示し
ない回転数センサが備えられ、ターボチャージャ２６の
回転軸の回転数を検出し、検出信号を制御装置４に送信
する。

【００２８】続いて、水素供給装置３を説明する。図１
に示すように、水素供給装置３は、水素ガスボンベ３
１、レギュレータ３２、水素循環ポンプ３３、三方弁３
４などから構成される。

【００２９】水素ガスボンベ３１は、図示しない高圧水
素容器から構成され、燃料電池１のアノード極側に導入
される供給水素Ｈを貯蔵する。貯蔵する供給水素Ｈは純
水素であり、圧力は１５〜２０ＭＰａＧ（１５０〜２０
０kg/cm²Ｇ）である。なお、水素ガスボンベ３１は、水
素吸蔵合金を内蔵し１ＭＰａＧ（１０kg/cm²Ｇ）程度の
圧力で水素を貯蔵する水素吸蔵合金タイプである場合も
ある。

【００３０】レギュレータ３２は、図示しないダイヤフ
ラムや圧力調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵され
た供給水素Ｈを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使
用できるようにする圧力制御弁である。このレギュレー
タ３２は、ダイヤフラムに入力される基準圧を大気圧に
すると、水素ガスボンベ３１に貯蔵された供給水素Ｈの
圧力を大気圧近辺にまで減圧することができる。また、
ダイヤフラムに入力される基準圧を、負圧で運転してい
る空気供給装置３の負圧部分の圧力にすると、水素ガス
ボンベ３１に貯蔵された供給水素Ｈの圧力を当該負圧部
分の圧力近辺にまで減圧することができる。第１実施形
態では、水素供給装置３を大気圧以下の負圧で運転する
ため、レギュレータ３２には、空気供給装置２の空気圧
縮機２４の吸入側の圧力が基準圧として入力される。ち
なみに、水素供給装置３を大気圧以下の負圧で運転する
ことにより、通流する水素が外部に漏洩するのを防止す
ることができ、燃費が向上する。

【００３１】水素循環ポンプ３３は、図示しないエジェ
クタなどから構成され、燃料電池１のアノード極側に向
かう供給水素Ｈの流れを利用して、燃料電池１で燃料ガ
スとして使用された後の供給水素Ｈ、つまり燃料電池１
のアノード極側から排出され三方弁３４を通流する排出
水素Ｈｅを吸引し循環させる。なお、排出水素Ｈｅを循
環使用するのは、供給水素Ｈが、水素ガスボンベ３１に
貯蔵されている純水素だからである。

【００３２】三方弁３４は、図示しない流路切替器から
構成され、排出水素Ｈｅの流路を切り替えて、排出位
置、戻し位置にする。三方弁３４を排出位置にした場合
には、排出水素Ｈｅは水素供給装置３の系外に排出され
る。また、三方弁３４を戻し位置にした場合には、排出
水素Ｈｅは水素循環ポンプ３３に導かれる。

【００３３】次に、燃料電池用加湿装置ＧＳ１を構成す
る制御装置４は、図示しないＣＰＵ、メモリ、入出力イ
ンタフェイス、Ａ／Ｄ変換器、バスなどから構成され、
燃料電池システムＦＣＳを統括的に制御すると共に、燃
料電池１に供給する供給空気Ａの流量、温度、湿度を制
御する。制御装置４は、前記の通り各センサＱ，Ｔ１，
Ｔ２，Ｔ３，Ｈ，Ｐからの検出信号を受信する。また、
制御装置４は、加湿器２３、空気圧縮機２４、ウェスト
ゲート２７に対する制御信号を送信する。以下、供給空
気Ａの(1)流量制御、(2)温度制御、(3)湿度制御を説明
する。

【００３４】(1) 流量制御について、制御装置４は、図
示しないアクセルペダルなどの出力調整手段からの出力
要求信号に基づいて、必要とする供給空気Ａの目標流量
をマップなどにより設定する。そして、目標流量が増加
したときは、空気圧縮機２４の吐出量（モータの回転
数）を増加するように制御信号を生成し空気圧縮機２４
に送信する。一方、制御装置４は、目標流量が減少した
ときは、空気圧縮機２４の吐出量（モータの回転数）を
低減するように制御信号を生成し空気圧縮機２４に送信
する。この際、流量センサＱの検出信号と目標流量の偏
差がゼロになるようにフィードバック制御が行われる。

【００３５】(2) 温度制御について、制御装置４は、燃
料電池１のカソード極側入口に供給される供給空気Ａの
温度が６０〜７５℃の目標温度になるように、温度セン
サＴ１からの検出信号に基づいて、ウェストゲート２７
の開度をステッピングモータにより制御する。具体的に
は、制御装置４は、目標温度よりも供給空気Ａの温度が
上昇したとき（上昇しそうになったとき）は、ウェスト
ゲート２７の開度が増加するようにステッピングモータ
を駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、空
気圧縮機２４及びコンプレッサ２６ｂの吐出圧が低くな
り、排出空気Ａｅの温度が低下する。そして、加湿器２
３での熱交換量が減り、供給空気Ａの温度が低下する。
一方、制御装置４は、目標温度よりも供給空気Ａの温度
が低下したとき（低下しそうになったとき）は、ウェス
トゲート２７の開度が減少するようにステッピングモー
タを駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、
空気圧縮機２４及びコンプレッサ２６ｂの吐出圧が高く
なり排出空気Ａｅの温度が上昇する。そして、加湿器２
３での熱交換量が増し、供給空気Ａの温度が上昇する。
この際、温度センサＴ１の検出信号と目標温度の偏差が
ゼロになるようにフィードバック制御が行われる。な
お、空気圧縮機２４は、ウェストゲート２７の開度にか
かわらず、目標流量の供給空気Ａを燃料電池１に供給す
べく動作する。

【００３６】ちなみに、フェイルアンドセーフ機構とし
て、制御装置４は、温度センサＴ２の検出信号が所定値
以上（１５０℃以上）になると、空気圧縮機２４などを
保護すべく、ウェストゲート２７の開度を増加する制御
信号、及び／又は空気圧縮機２４の吐出量を低減する制
御信号を生成し送信する。すると、排出空気Ａｅのバイ
パス量（タービン２６ａをバイパスする排出空気Ａｅの
量）が増えるので、空気圧縮機２４の吐出側の温度（圧
力）が下がり、空気圧縮機２４などが保護される。

【００３７】また、フェイルアンドセーフ機構として、
制御装置４は、温度センサＴ３の検出信号が所定値以上
（例えば１８０℃以上）になると、コンプレッサ２６ｂ
や加湿器２３を保護すべく、ウェストゲート２７の開度
を増加する制御信号を生成し送信する。すると、排出空
気Ａｅのバイパス量が増えるので、コンプレッサ２６ｂ
の吐出側の温度（圧力）が下がり、加湿器２３などが保
護される。

【００３８】更に、フェイルアンドセーフ機構として、
制御装置４は、ターボチャージャ２６の図示しない回転
数センサの検出信号が所定値以上になると、ターボチャ
ージャ２６を保護すべく、ウェストゲート２７の開度を
増加する制御信号を生成し送信する。すると、排出空気
Ａｅのバイパス量が増えるので、ターボチャージャ２６
がオーバレブ（過回転）による破損などから保護され
る。

【００３９】なお、後述するように、温度と圧力は強い
正の相関関係がある。このため、圧力制御を行うと温度
制御が行われることになる。

【００４０】(3) 湿度制御について、制御装置４は、供
給空気Ａが目標湿度になるように、流量センサＱの検出
信号に基づいて、切替手段を制御する。具体的には、制
御装置４は、供給空気Ａの流量が少ないときは、中空糸
膜モジュールを１本のみを使用するように制御信号を生
成し送信する。これにより、供給空気Ａは流量が少ない
ときでも適度に加湿される。一方、供給空気Ａの流量が
多いときは、中空糸膜モジュールを２本とも使用するよ
うに制御信号を生成し送信する。これにより、供給空気
Ａは流量が多いときでも適度に加湿される。

【００４１】また、制御装置４は、湿度センサＨからの
検出信号に基づいて、ウェストゲート２７の開度を制御
して、供給空気Ａの湿度の調整を行う。具体的には、湿
度が低下した場合には、制御装置４は、ウェストゲート
２７の開度を減少する制御信号を生成し送信する。する
と、排出空気Ａｅのバイパス量が減るので、加湿器２３
に向かう排出空気Ａｅの温度（圧力）が上昇する。これ
により、加湿器２３での加湿効率がよくなり、供給空気
Ａの湿度が上昇する。一方、湿度が上昇した場合は、制
御装置４は、ウェストゲート２７の開度を増加する制御
信号を生成し送信する。すると、排出空気Ａｅのバイパ
ス量が増えるので、加湿器２３に向かう排出空気の温度
（圧力）が低下する。これにより、加湿器２３での加湿
効率が悪くなり、供給空気Ａの湿度が低下する。

【００４２】なお、制御装置４は、圧力センサＰからの
検出信号に基づいて、ウェストゲート２７の開度を制御
して、コンプレッサ２６ｂの吐出圧（加湿器２３の入り
口における排出ガスＡｅの圧力）を調節する。制御装置
４は、コンプレッサ２６ｂの吐出圧を高くする場合は、
ウェストゲート２７の開度を減少するようにステッピン
グモータを駆動する制御信号を生成し送信する。一方、
コンプレッサ２６ｂの吐出圧を低くする場合は、ウェス
トゲート２７の開度を増加するようにステッピングモー
タを駆動する制御信号を生成し送信する。

【００４３】次に、前記説明した第１実施形態の燃料電
池用ガス供給装置ＧＳ１の動作の一例を説明する（適宜
図１〜図５を参照）。図３は排出空気ラインの各測定点
における定常状態での排出空気の、（ａ）は温度をター
ボチャージャの有無で比較したグラフであり、（ｂ）は
圧力をターボチャージャの有無で比較したグラフであ
る。図４は加湿効率を示すグラフであり、（ａ）は加湿
器入口における排出空気の温度と加湿効率の関係を示
し、（ｂ）は加湿器入口における排出空気の圧力と加湿
効率を示す。図５は、燃料電池の出力と空気圧縮機の消
費電力をターボチャージャの有無で比較した図である。

【００４４】制御装置４は、ドライバのアクセルペダル
の踏み込みに応じて生成される出力要求信号に基づいて
供給空気Ａの目標流量を設定し、空気圧縮機２４を駆動
する。これにより、外気がエアクリーナ２１、加湿器２
３、燃料電池１（カソード極側ガス通路１ａ）を通流し
て、空気圧縮機２４に吸入される（供給空気ライン）。
供給空気Ａは、エアクリーナ２１でゴミなどが取り除か
れ、加湿器２３で排出空気Ａｅにより加湿及び加温され
る。なお、燃料電池１が発電を行うとカソード電極１ｂ
で水が生成するが、生成した水は排出空気Ａｅと共に燃
料電池１から排出される。

【００４５】空気圧縮機２４は、吸入した排出空気Ａｅ
を圧縮して吐出する。この際、断熱圧縮により、排出空
気Ａｅは温度が上昇する。次に、ターボチャージャ２６
に達した排出空気Ａｅは、加湿器２３を通流した排出空
気Ａｅにより回転するタービン２６ａに連動連結された
コンプレッサ２６ｂで更に圧縮され温度が上昇する。そ
して、加湿器２３で供給空気Ａを加湿及び加温する。

【００４６】加湿器２３を通流した排出空気Ａｅは、保
有するエネルギによりタービン２６ａを回転して温度及
び圧力が低下する。なお、ウェストゲート２７は、ター
ビン２６ａをバイパスする排出空気Ａｅの量を増減さ
せ、加湿器２３の入口における排出空気Ａｅの温度及び
圧力を制御する。

【００４７】燃料電池１の出力増加や供給空気Ａの温度
制御などは、前記の通り空気圧縮機２４の回転数やウェ
ストゲート２７の開度を制御することにより行う。

【００４８】ここで、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すよ
うに、ターボチャージャ２６の有無で、加湿器２３の入
口（コンプレッサ２６ｂの吐出側）及び加湿器２３の出
口（タービン２６ａの吸入側）における排出空気Ａｅの
温度及び圧力が大きく異なるのが解る（実線はターボチ
ャージャ有、破線はターボチャージャ無）。この加湿器
２３の入口における排出空気Ａｅの温度及び圧力の差は
加湿器２３の加湿効率に影響し、図４の（ａ）及び
（ｂ）から解るように、排出空気Ａｅの温度が高いほ
ど、また排出空気Ａｅの圧力が高いほど加湿効率が向上
する。つまり、ターボチャージャ２６を有する方が、加
湿器２３における加湿効率が高くなる。

【００４９】また、図３の（ａ）及び（ｂ）から解るよ
うに、加湿器２３の出口（タービン２６ａの吸入側）に
おけるターボチャージャ有の排出空気Ａｅの高い温度及
び圧力は、タービン２６ａにより充分に回収され、コン
プレッサ２６ｂの動力源として使用されている。ちなみ
に、図５に示すように、ターボチャージャ２６を備える
ことにより、空気圧縮機２４の消費電力が大幅に削減さ
れる。

【００５０】このように、ターボチャージャ２６を備え
ることで、加湿器２３における加湿効率の向上及び空気
圧縮機の動力（消費電力）削減を達成することができ
る。

【００５１】〔第２実施形態〕次に、第２実施形態の燃
料電池用ガス供給装置を説明する。なお、第１実施形態
と同一性のある要素・部材などについては、同一の符号
を付してその説明を省略する。ここで、図６は、第２実
施形態の燃料電池用ガス供給装置を含む燃料電池システ
ムの全体構成図である。

【００５２】図６に示すように、第２実施形態の燃料電
池用ガス供給装置ＧＳ２は、第１の実施形態の構成に加
えて、補助加湿器２３’及び気水分離器２８を備える。

【００５３】補助加湿器２３’は、図示しないベンチュ
リ、水貯蔵タンク、ベンチュリと水貯蔵タンクを接続す
るサイフォン管などから構成され（一種のキャブレ
タ）、水貯蔵タンクに貯蔵された加湿用の水をベンチュ
リ効果で吸い上げて噴霧し、供給空気Ａを加湿する。加
湿された供給空気Ａは、燃料電池１のカソード極側に供
給される。なお、サイフォン管には、ステッピングモー
タにより駆動して該サイフォン管を通流する水の流量を
制御するニードルが挿入されている（サイフォン管とニ
ードルでニードル弁を構成している）。補助加湿器２
３’は、燃料電池システムＦＣＳの出力変動などの過渡
期に、加湿器２３における加湿量が不足して供給空気Ａ
の湿度が低下するのを防止する役割を有する。

【００５４】このため、制御装置４は次の湿度制御を行
う。制御装置４は、湿度センサＨの検出信号から、供給
空気Ａの湿度が目標湿度よりも低下したとき（低下しそ
うになったとき）は、ニードル弁の開度が増加するよう
にステッピングモータを駆動する制御信号を生成し送信
する。これにより、ニードル弁を通流する水の量が増加
し、供給空気Ａの湿度が上昇する。一方、供給空気Ａの
湿度が目標湿度よりも上昇したとき（上昇しそうになっ
たとき）は、ニードル弁の開度が減少するようにステッ
ピングモータを駆動する制御信号を生成し送信する。こ
れにより、ニードル弁を通流する水の量が減少し、供給
空気Ａの湿度が低下する。この際、湿度センサＨの検出
信号と目標湿度の偏差がゼロになるようにフィードバッ
ク制御が行われる。

【００５５】気水分離器２８は、タービン２６ａから吐
出されて多量の水分を含む排出空気Ａｅから水を分離・
回収する。回収した水は、図示しない配管により補助加
湿器２３’に送られ、加湿用の水として使用される。な
お、ここでの気水分離器２８は、冷却水を通流させ、排
出空気Ａｅから水分を強制的に凝縮させて分離させるも
のである。

【００５６】この第２実施形態の燃料電池用ガス供給装
置ＧＳ２は、補助加湿器２３’及び気水分離器２８の部
分だけが第１実施形態と異なり、他の部分は同じである
ので、第１実施形態と同様、ターボチャージャ２６によ
り加湿器２３における加湿効率及び空気圧縮機２４にお
ける動力（電力）を削減することができる。

【００５７】なお、本発明は、前記した発明の実施の形
態に限定されることなく、広く変形実施することができ
る。例えば、水素供給装置は、水素タンクから燃料電池
に水素を供給する構成としたが、メタノールなどの液体
原燃料を改質器により改質して水素リッチな燃料ガスを
製造し、これを燃料電池に供給する構成としてもよい。
また、排出水素を循環使用する・しないにかかわらず、
本発明を水素供給装置側に適用してもよい。また、加湿
器は、中空糸膜を利用したものに限らず、水透過性のフ
ィルムを巻き取った形状や折り畳んだ形状のものでもよ
い。また、空気圧縮機及び／又はターボチャージャのコ
ンプレッサを、供給空気ラインに設けてもよい。また、
補助加湿器は、２流体ノズルなどを使用したものでも、
超音波を利用したものでもよい。また、空気圧縮機は、
スーパーチャージャのようにタービンを回転させるもの
ではなく、レシプロ式のものでもよい。更に、第２実施
形態では、気水分離器で回収した水を燃料電池の上流側
に供給して、供給空気を加湿するようにしたが、排出空
気ラインにおける加湿器の上流にインジェクタを設け
て、気水分離器で回収した水の全部又は一部を供給する
ようにしてもよい。このようにすることで、加湿器２３
には、燃料電池１が生成した以上の水が供給され、加湿
器２３における加湿量を増加することができるからであ
る。

【００５８】

【発明の効果】以上説明した本発明のうち請求項１に記
載の発明によれば、水透過膜型加湿器（加湿器）の下流
の排出ガス（排出空気）のエネルギを利用して水透過膜
型加湿器の上流の排出ガス（供給空気）を圧縮するの
で、排出ガスの温度が上昇し、加湿器における加湿効率
を高めることができる。この際、燃料電池の効率を低下
することがない。したがって、良好に加湿された供給ガ
スを、燃料電池の効率を低下することなく燃料電池に供
給することができる。また、請求項２に記載の発明によ
れば、排出ガスから回収するエネルギの調節を行うこと
ができる。また、排出ガスや供給ガスの状態に応じて、
適切な状態で供給ガスの加湿などを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態の燃料電池用ガス供給装置を
含む燃料電池システムの全体構成図である。

【図２】 図１の燃料電池の構成を模式化した説明図
である。

【図３】 排出空気ラインの各測定点における定常状
態での排出空気の、（ａ）は温度をターボチャージャの
有無で比較したグラフであり、（ｂ）は圧力をターボチ
ャージャの有無で比較したグラフである。

【図４】 加湿効率を示すグラフであり、（ａ）は加
湿器入口における排出空気の温度と加湿効率の関係を示
し、（ｂ）は加湿器入口における排出空気の圧力と加湿
効率を示す。

【図５】 燃料電池の出力と空気圧縮機の消費電力を
ターボチャージャの有無で比較した図である。

【図６】 第２実施形態の燃料電池用ガス供給装置を
含む燃料電池システムの全体構成図である。

【符号の説明】 ＧＳ（ＧＳ１，ＧＳ２） … 燃料電池用ガス供給装置 ＦＣＳ… 燃料電池システム Ａ … 供給空気（供給ガス） Ａｅ … 排出空気（排出ガス） １ … 燃料電池 ２ … 空気供給装置 ２１ … エアクリーナ ２３ … 加湿器 ２３’… 補助加湿器 ２４ … 空気圧縮機 ２６ … ターボチャージャ ２６ａ… タービン ２６ｂ… コンプレッサ ２７ … ウェストゲート（連通路） ２８ … 気水分離器 ３ … 水素供給装置 ４ … 制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 縫谷 芳雄 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 BC11

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池に供給する供給ガスを前記燃
   料電池にて利用後に排出する排出ガスに含まれる水分で
   加湿する水透過膜型加湿器を備えた燃料電池用ガス供給
   装置であって、 前記水透過膜型加湿器を通流した後の前記排出ガスを利
   用して回転するタービンを前記水透過膜型加湿器の下流
   に備え、前記タービンと連動連結したコンプレッサを前
   記水透過膜型加湿器の上流に備えたことを特徴とする燃
   料電池用ガス供給装置。
2. 【請求項２】 前記タービンの前後を連通し、前記水
   透過膜型加湿器へ供給されるガスの状態に応じて開閉さ
   れる連通路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の
   燃料電池用ガス供給装置。