JP2003031245A - 燃料電池の加湿システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 アノード極１ａに燃料ガス、カソード極
１ｃ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１と、前記
燃料電池１のカソード極１ｃ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（燃料ガス用加湿器２）と、
該第１の加湿器（燃料ガス用加湿器２）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（空気用加湿器３）
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（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。

Description

【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１０１
ｃ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１０
６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）１０
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、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１０
１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１０
１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１０
１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４を通過した後第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)１４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７
ａ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７
ａ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）の形状は、中出力用の断面
形状を示したものである。形状と形状の中間の機能
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
ソードガス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
ードオフガス流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押さえることができる。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１
０ａ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１０
ｂ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
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
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）

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年７月４日（２００２．７．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年８月６日（２００２．８．６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項３

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３７】すなわち、図５（ｂ）の形状は、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）の形状は、中出力用
の断面形状を示したものである。形状と形状の中間
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。

【手続補正１５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４１

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４２

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【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１
０ａ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１０
ｂ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。

【手続補正２０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４６

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正２１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４７

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正２２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

【手続補正２３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

【手続補正２４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

【手続補正２５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 CX05 HH03 HH05 HH06 5H027 AA06 BA10 BC11 BC19 MM02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。