JP2008027674A - 燃料電池用加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加湿装置の大型化を防止しつつ、燃料電池の低出力帯域から高出力帯域に渡って安定した加湿量を得るようにする。
【解決手段】加湿器１０の一方の端部に第１排出ガス導入管３３と第２排出ガス導入管３５を設け、加湿器１０の他方の端部に排出ガス流出管３６を設け、加湿器１０内の排出ガスの流路に、流路長の長い第１排出ガス流路Ａと流路長の短い第２排出ガス流路Ｂとを設定する。前記第１，第２各排出ガス流路Ａ，Ｂを切り替える流路切替弁５３と、制御部５９を備え、制御部５９が排出ガスの温度や圧力，水蒸気量に基づき流路切替弁５３を切替制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を容器内に収容し、燃料電池から排出されて中空糸膜の外側を流れる排出ガスにより、中空糸膜の内部を流れて燃料電池に供給される供給ガスを加湿する燃料電池用加湿装置に関する。

一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。

このような燃料電池においては、電解質のイオン伝導度を確保する機能が必要とされる。例えば、パーフルオロスルフォン酸高分子などの固体高分子電解質膜の多くは、電解質が湿潤した状態でイオン伝導度が確保される。このため、燃料電池に使用する反応ガスであるカソードガスやアノードガスは加湿した状態で利用する。

例えば、下記特許文献１には、中空糸膜を用いた加湿装置が記載されている。この加湿装置は、中空糸膜モジュールからなる水透過装置を複数設け、この複数の水透過装置を選択的に使い分けることで加湿量を制御し、燃料電池の低出力帯域から高出力帯域に渡って安定した露天の加湿気体を燃料電池に供給できるようにしている。
特開２００１−２０２９７５号公報

しかしながら、上記した従来の加湿装置では、複数の水透過装置を設けているため装置全体として大型化し、特に移動体である車両に搭載する燃料電池システムには適用が困難となる。また、運転領域によっては使用しない水透過装置が発生し、このような不使用状態の水透過装置は、無駄なスペースを占有していることになり、装置全体の小型化を阻害している。

また、低・中・高出力帯域それぞれで異なる水透過装置を使用する制御をしているが、運転条件によっては、同一出力帯域でも要求加湿量が異なる場合があり、このような場合には適切な加湿量が得られず、対応が困難となる。

そこで、本発明は、加湿装置の大型化を防止しつつ、燃料電池の低出力帯域から高出力帯域に渡って安定した加湿量を得るようにすることを目的としている。

本発明は、複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を容器内に収容し、燃料電池から排出されて前記中空糸膜の外側を流れる排出ガスにより、前記中空糸膜の内側を流れて前記燃料電池に供給される供給ガスを加湿する加湿器からなる燃料電池用加湿装置において、前記加湿器の容器内における前記排出ガスの流路長が互いに異なる第１排出ガス流路および第２排出ガス流路と、前記排出ガスが、前記第１排出ガス流路を主として流れる状態と、前記第２排出ガス流路を主として流れる状態とに、切り替える流路切替手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記排出ガスの状態に基づいて前記流路切替手段を調整する流路切替制御部を備えることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、加湿装置を複数設けることなく、互いに流路長の異なる第１排出ガス流路および第２排出ガス流路を、排出ガスの状態に基づき選択的に切り替えることで、排出ガスが外側を流れる中空糸膜の有効長を変化させて使用するようにしているので、加湿装置全体の大型化を防止しつつ、燃料電池の低出力帯域から高出力帯域に渡って安定した加湿量を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる加湿器１０を備える燃料電池用加湿装置１の構成図である。なお、ここでの燃料電池用加湿装置１は、車両に搭載するものとして説明する。

本実施形態における燃料電池用加湿装置１は、加湿器１０と、流路切替弁５３と、バイパス流路切替弁５７と、制御部５９とからおおむね構成される。

図１において、加湿器１０に接続する燃料電池３は、燃料である水素が供給されるアノードと、酸化剤ガスである酸素を含む空気が供給されるカソードとが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わせた発電セルを、多段積層したスタック構造を呈し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギへと変換する。

アノードでは、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と上記水素イオンおよび上記電子が反応して水が生成されて外部に排出される。

燃料電池３の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質を用いる。固体高分子体電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜など、イオン伝導性の高分子膜からなり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池３においては供給ガスである空気に水分を供給して加湿することが必要となる。

加湿器１０は、燃料電池３のカソードから排出された水蒸気を豊富に含む排出ガス（湿潤空気）と、空気導入部で加圧、昇温された供給ガス（乾燥空気）との間で水蒸気を交換するものであり、本実施形態で使用している加湿器１０は、水透過膜として中空糸膜を使用した水透過型加湿器である。

上記した水透過膜型の加湿器１０では湿潤空気を中空糸膜の束である水交換部を通過させることにより、中空糸膜の毛管作用によって湿潤気体中の水分が分離され、分離された水分が中空糸膜の毛管を透過して乾燥気体に送られ加湿される。水分の透過として、湿潤気体を中空糸膜の内側に流し、乾燥気体を中空糸膜の外側に流す場合と、その逆の場合どちらでも、水交換が行われる。

このような加湿器１０は、全体が円筒形状を呈しており、図２に断面図として示すように、円筒形のハウジング５の内部に中空糸膜モジュール７を収容している。中空糸膜モジュール７は、その長手方向両端（図２中で上下両端）が開口する円筒形の容器となるモジュールケース９内に、複数の中空糸膜からなる中空糸膜束１１を収容している。

中空糸膜束１１の上記長手方向両端部は、モジュールケース９の中心軸方向両端（図２中で上下両端）の開口部を閉塞するようにして設けてある固着部としての端板１３，１５によって固着してある。端板１３，１５は、溶融状態の樹脂からなる固着剤を固化した、いわゆるポッティング部で構成してあり、ポッティング部の内部を各中空糸膜がその長手方向（図２中で上下方向）に貫通し、端板１３，１５の各外側端面それぞれに、中空糸膜両端の各開口部が露出している。

すなわち、上記した中空糸膜の一方（図２中で下方）の端部における空気導入部となる開口部から乾燥した空気が流入し、この乾燥した空気が、中空糸膜内を流通することで、中空糸膜の外部に供給される湿潤状態の排出ガスにより加湿された後、中空糸膜の他方（図２中で上方）の端部における空気流出口となる開口部からモジュール外部へ流出した後、燃料電池３に供給される。

燃料電池３では、上記加湿後の空気の供給を、空気供給通路１７を通して受けるとともに、図示しない水素タンクなどの水素供給源から水素の供給を、水素供給通路１９を通して受けることで発電する。

ここで加湿器１０に供給する乾燥空気は、コンプレッサ２１により圧縮して中空糸膜の内部に水素供給通路２３を通して供給される。水素供給通路２３には、ここを流れる乾燥状態の供給ガスの流量および温度を検出する供給ガス検出部２５を設けている。すなわち、供給ガス検出部２５は、供給ガスの流量を検出する供給ガス流量測定装置および供給ガスの温度を検出する供給ガス温度センサを含んでいる。

燃料電池３での発電後の空気の排出ガスは、反応によって生成された水分を含んでいて、湿潤状態の加湿ガスであり、空気排出通路２７を通って前記した中空糸膜の外部に供給される。空気排出通路２７には、ここを流れる湿潤状態の排出ガスの温度，圧力，水分量（水蒸気量），相対湿度および体積流量を検出する排出ガス検出部２９を設けている。すなわち、排出ガス検出部２９は、排出ガスの温度を検出する温度センサ（排出ガス温度検出手段），同水蒸気量を検出する水蒸気量測定装置（排出ガス水蒸気量検出手段），同圧力を検出する圧力センサ（排出ガス圧力検出手段），同相対湿度を検出する湿度センサ（排出ガス相対湿度検出手段）および同体積流量を検出する体積流量測定装置（排出ガス体積流量検出手段）を含んでいる。

一方、燃料電池３での発電によって消費されずに残った水素は、水素排出通路３１を通って外部に排出され、図示しない水素循環装置によって再度燃料電池３に供給するよう循環させる。

図２に示すように、加湿器１０におけるモジュールケース９には、供給ガス出口側の端板１３近傍位置に、第１排出ガス流入口９ａを円周方向に沿って複数設けるとともに、第１排出ガス流入口９ａよりも端板１３から遠い位置の第１排出ガス流入口９ａ近傍位置に、第２排出ガス流入口９ｂを円周方向に沿って複数設けている。また、モジュールケース９の供給ガス入口側の端板１５近傍位置には、排出ガス流出口９ｃを円周方向に沿って複数設けている。

そして、円周方向一部位（図２中で左側部位）の第１排出ガス流入口９ａに対応する位置のハウジング５には、第１排出ガス導入管３３を接続し、同様にして第２排出ガス流入口９ｂに対応する位置のハウジング９には、第２排出ガス導入管３５を接続する。また、上記円周方向一部位に対向する側の他の部位（図２中で右側）の排出ガス流出口９ｃに対応する位置のハウジング５には、排出ガス流出管３６を接続する。

また、ハウジング５とモジュールケース９との間には、第１排出ガス導入管３３と第２排出ガス導入管３５との間の位置に環状のシール材３７を、第２排出ガス導入管３５のシール材３７と反対側近傍位置に環状のシール材３９を、排出ガス流出管３６の端板１５と反対側近傍位置に環状のシール材４１を、さらに端板１３，１５にそれぞれ対応する位置に環状の端部シール材４３，４５を、それぞれ嵌入している。

これにより、シール材３７と端部シール材４３との間に環状の第１排出ガス導入空間４７が、シール材３７とシール材３９との間に環状の第２排出ガス導入空間４９がそれぞれ形成され、シール材４１と端部シール材４５との間に環状の排出ガス流出空間５１が形成される。

すなわち、第１排出ガス導入管３３から第１排出ガス導入空間４７および第１排出ガス流入口９ａを経て、モジュールケース９内の中空糸膜の外部に、加湿ガスである空気の排出ガスが流入して流通し、また第２排出ガス導入管３５から第２排出ガス導入空間４９および第２排出ガス流入口９ｂを経て、モジュールケース９内の中空糸膜の外部に、加湿ガスである空気の排出ガスが流入して流通する。そして、これら排出ガスは、中空糸膜の内部を流れる被加湿ガスである供給ガスを加湿した後、排出ガス流出口９ｃおよび排出ガス流出空間５１を経て排出ガス流出管３６から外部へ流出する。

したがって、モジュールケース９内の中空糸膜モジュール７においては、図１に示すように、排出ガスの流路長が互いに異なる第１排出ガス流路Ａおよび第２排出ガス流路Ｂが存在することになり、ここでは、第１排出ガス流路Ａを、第１排出ガス流入口９ａから排出ガス流出口９ｃに向けて流れる流路として流路長が長いものとし、第２排出ガス流路Ｂを、第２排出ガス流入口９ｂから排出ガス流出口９ｃに向けて流れる流路として流路長が短いものとする。

なお、図１に破線および一点鎖線でそれぞれ示してある第１排出ガス流路Ａおよび第２排出ガス流路Ｂの経路は、この各経路に沿って排出ガスが流れるわけではなく、流路長を特定するために便宜上示したに過ぎず、実際には図２に示す第１排出ガス流入口９ａ，第２排出ガス流入口９ｂと排出ガス流出口９ｃとの間におけるモジュールケース９内の中空糸膜束１１のほぼ全域にわたって排出ガスが浸透して流れていく。

また、第１排出ガス導入管３３と第２排出ガス導入管３５は、その上流側で互いに接続して前記した空気排出通路２７に接続している。第１排出ガス導入管３３と第２排出ガス導入管３５との接続部には、排出ガスが、上記した第１排出ガス流路Ａを流れる状態と、第２排出ガス流路Ｂを流れる状態とに、排出ガスの温度や圧力などの状態に基づいて切り替える流路切替弁（流路切替手段）５３を設置する。

また、流路切替弁５３と排出ガス検出器２９との間の空気排出通路２７には、排出ガスが、モジュールケース９内の前記した第１排出ガス流路Ａおよび第２排出ガス流路Ｂを備える加湿器１０をバイパスするバイパス流路５５の一端を接続し、バイパス流路５５の他端を排出ガス流出管３６に接続する。

上記したバイパス流路５５と空気排出通路２７との接続部には、排出ガスが、前記した第１排出ガス流路Ａと第２排出ガス流路Ｂとの少なくも一方を流れる状態と、バイパス流路５５を流れる状態とに切り替えるバイパス流路切替弁（バイパス流路切替手段）５７を設置する。

制御部（制御手段）５９は、排出ガスの状態に基づいて流路切替弁５３の開度を調整する流路切替制御部５９ａと、バイパス流路切替弁５７の開度を調整するバイパス流路制御部５９ｂと、温度センサで検出される温度と所定温度とを比較する排出ガス温度比較部５９ｃと、水蒸気量測定装置で検出される水蒸気量と所定水蒸気量とを比較する排出ガス水蒸気量比較部５９ｄと、排出ガス圧力センサで検出される圧力と所定圧力とを比較する排出ガス圧力比較部５９ｅと、排出ガスの水蒸気量と温度から排出ガスの相対湿度を算出する相対湿度演算部５９ｆとを備えている。

制御部５９は、前記した供給ガス検出部２５および排出ガス検出部２９の検出信号を取り込み、これに基づき流路切替弁５３およびバイパス流路切替弁５７を切り替え制御する。

次に、上記した燃料電池システムの加湿装置１における排出ガス流路の切替制御について、制御部５９の制御動作を示す図３のフローチャートに基づき説明する。

まず、燃料電池システムの運転が開始されたか否かを判断し（ステップＳ１０１）、運転が開始されて排出ガスが空気排出通路２７を流れている場合は、排出ガス温度比較部５９ｃが、排出ガス検出部２９により検出した排出ガスの温度が、第１所定温度より低い第３所定温度以下か、または第１所定温度より高い第２所定温度以上かどうか判断する（ステップＳ１０２）。

ここで第１所定温度は６０℃、第２所定温度は１００℃、第３所定温度は１０℃とする。

排出ガスは、第３所定温度である１０℃以下であると、水蒸気分圧がほとんどないため加湿器１０として機能をなさず、したがってこの場合には、バイパス流切替路制御部５９ｂが、排出ガスがバイパス流路５５を流れるようにバイパス流路切替弁５７を切り替える（ステップＳ１０３）。加湿器１０が不必要なときに、排出ガスを加湿器１０に流さないことで、中空糸膜の膜疲労が低減し、膜寿命の向上につながる。

一方、排出ガスが第２所定温度である１００℃以上の場合には、排出ガスが湿潤状態（ＲＨ１００％）でも中空糸膜の膜性能劣化が発生する温度であり、１００℃以上となった場合には、中空糸膜の膜表面の組成変化や細孔径が大きくなるために、ガス自体が膜を透過するクロスリーク量の増大および性能低下の要因となる。したがって、この場合にも、バイパス流路制御部５９ｂが、排出ガスがバイパス流路５５を流れるようにバイパス流路切替弁５７を切り替えて（ステップＳ１０３）、中空糸膜を保護する。

また、排出ガス温度が１０℃を超え１００℃を下回る温度（ステップＳ１０２でＮＯ）では、排出ガスが乾燥状態（ＲＨ０％）でも中空糸膜の性能劣化が発生しない温度である。このような場合には、排出ガス温度比較部５９ｃが、排出ガスの温度が第１所定温度である６０℃以下か否かを判断する（ステップＳ１０４）。すなわち、ステップＳ１０４では、排出ガスの温度が１０℃を超えかつ６０℃以下か否かを判断する。

排出ガスの温度が６０℃以下では、中空糸膜に含まれる水分が乾燥しずらく、性能劣化を起こしにくい。排出ガス温度が６０℃以下の場合には、水蒸気分圧が低くなるため、排出ガスが流路長の長い第１排出ガス流路Ａを流れるように、流路切替制御部５９ａが、流路切替弁５３を切り替える（ステップＳ１０５）。これにより、中空糸膜全体を有効利用して加湿性能を高める。

なお、上記した第１，第２所定温度は、排出ガスと供給ガスのうち高い方の温度を用いてもよい。

排出ガス温度が、６０℃を超え１００℃未満の場合（ステップＳ１０４でＮＯ）には、制御部５９に含まれる排出ガス湿度比較部が、相対湿度演算部５９ｆにより算出した排出ガスの相対湿度が所定湿度である１００％であるか否かを判断する（ステップＳ１０６）。

中空糸膜に含まれる水分が乾燥しない条件は、６０℃を上回った場合は、排出ガスの相対湿度が閾値となる。ここでは排出ガスの相対湿度がＲＨ１００％未満の場合（ステップＳ１０６でＮＯ）には膜表面の乾燥要因となるため、バイパス流路制御部５９ｂが、排出ガスがバイパス流路５５に流れるようにバイパス流路切替弁５７を切り替えて（ステップＳ１０３）、中空糸膜の性能低下を防止する。

一方、相対湿度が１００％の場合（ステップＳ１０６でＹＥＳ）には、排出ガス中に含まれる水蒸気量を排出ガス検出部２９が検出し、排出ガス水蒸気量比較部５９ｃが、この検出水蒸気量（水分の絶対量）が、第１所定水蒸気量以下または第１所定水蒸気量より多い第２所定水蒸気量以上か否かを判断する（ステップＳ１０７）。

前記したステップＳ１０６までが主に加湿装置１の性能低下防止診断である。燃料電池３の出力性能を向上させるためには、加湿器１０が常に安定した加湿性能を維持する必要があり、上記までの診断は必要不可欠である。

前記ステップＳ１０７で、排出ガス中に含まれる水蒸気量が、第１所定水蒸気量以下または第１所定水蒸気量より大きい第２所定水蒸気量以上の場合（ステップＳ１０７でＹＥＳ）には、さらに、排出ガス水蒸気量比較部５９ｄが、排出ガスの水蒸気量が第２所定水蒸気量より多い第３所定水蒸気量以上か否かを判断する（ステップＳ１０８）。すなわち、ステップＳ１０７では、第１所定水蒸気量以下と、第１所定水蒸気量より多い第２所定水蒸気量以上との二つの条件のうち少なくとも一つの条件を満たすかどうかを判断している。

第１所定水蒸気量は、定常アイドル運転時に排出ガスに流れてくる（含まれる）最大の水分量として規定している。ここでステップＳ１０７からＳ１０８の判断で、水蒸気量が第１所定水蒸気量以下となった場合（ステップＳ１０８でＮＯ）には、アイドル運転時であり、排出ガスは水蒸気分圧がほとんどないため、流路切替制御部５９ａが、流路長の長い第１排出ガス流路Ａを流れるように、流路切替弁５３を切り替える（ステップＳ１０５）。これにより、中空糸膜全体を有効利用して加湿性能を高める。

また、ステップＳ１０７からＳ１０８の判断で、第２所定水蒸気量以上、第３所定水蒸気量未満となった場合（ステップＳ１０８でＮＯ）は、最も加湿量を必要とする登坂走行時などとなる。この場合にも、流路切替制御部５９ａが、排出ガスが流路長の長い第１排出ガス流路Ａを流れるように、流路切替弁５３を切り替える（ステップＳ１０５）。これにより、中空糸膜全体を有効利用して加湿性能を高める。

水蒸気量が、前記した第３所定水蒸気量以上の場合（ステップＳ１０８でＹＥＳ）は主に露点温度であり、第３所定水蒸気量以上になると、排出ガス中の水分が凝縮し、詰まりなどの原因となるため、バイパス流路制御部５９ｂが、排出ガスがバイパス流路５５を流れるようにバイパス流路切替弁５７を切り替える（ステップＳ１０３）。これにより、中空糸膜モジュール７内での凝縮水溜まりを防止するとともに、水蒸気量過多の排出ガスを加湿器１０に流さないことで、中空糸膜の膜疲労が低減し、膜寿命の向上につながる。

一方、排出ガスの水蒸気量が、第１所定水蒸気量より多く、第２所定水蒸気量より少ない主に中負荷運転条件（ステップＳ１０７でＮＯ）では、排出ガス圧力比較部５９ｅが、排出ガス検出部２９により検出した排出ガスの圧力が所定圧力以上か否かを判断し（ステップＳ１０９）、所定圧力以上であれば、ガス圧力が比較的高く、体積流量（ノルマル流量）が低下することから、排出ガスの加湿器１０内での滞留時間が長くなりすぎるので、加湿性能を抑えるために、流路切替制御部５９ａが、排出ガスが流路長の短い第２排出ガス流路Ｂを流れるように、流路切替弁５３を切り替える（ステップＳ１１０）。

また、排出ガスの圧力が所定圧力より低い場合（ステップＳ１０９でＮＯ）には、上記とは逆に、排出ガスは圧力が比較的低く加湿器１０内での滞留時間が短くなるので、加湿量を高めるために、流路切替制御部５９ａが、排出ガスが流路長の長い第１排出ガス流路Ａを流れるように、流路切替弁５３を切り替える（ステップＳ１０５）。

すなわち、上記した実施形態では、排出ガスの温度が、前記第１所定温度（６０℃）より高い第２所定温度（１００℃）以上と、第１所定温度より低い第３所定温度（１０℃）以下と、第１所定温度より高く第２所定温度より低く、かつ排出ガス中の水蒸気量が、第２所定水蒸気量より多い第３所定水蒸気量以上との三つの条件のうち少なくとも一つの条件を満たすときに、バイパス流路５５に切り替えている。

なお、上記した例では、流路切替弁５３を切り替えることで、排出ガスが第１排出ガス流路Ａと第２排出ガス流路Ｂとのいずれか一方にのみ流れるようにしているが、流路切替弁５３を開度調整可能な構成とし、開度調整することで、第１排出ガス流路Ａと第２排出ガス流路Ｂとの双方に、排出ガスを適宜流量調整しながら流すようにしてもよい。これにより、加湿装置１に対しより細かな排出ガス流量制御ができ、加湿器１０の加湿性能および燃料電池の出力性能をより一層高めることができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係わる加湿器１０Ａを備える燃料電池用加湿装置１Ａの構成図、図５は加湿器１０Ａの断面図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態における第２排出ガス導入管３５および流路切替弁５３を廃止した上で、排出ガス流出管３６の端板１５と反対側の排出ガス流出管３６近傍に、第２排出ガス流出管となる他の排出ガス流出管６１を設けるとともに、排出ガス流出管３６と他の排出ガス流出管６１との接続部に流路切替弁６３を設置する。

なお、以後第２の実施形態における説明では、排出ガス流出管３６を第１排出ガス流出管３６、排出ガス流出管６１を第２排出ガス流出管６１とする。

上記の構成に対応して、図５の断面図に示すように、第１の実施形態に対し前記図２における第２排出ガス流入口９ｂおよびシール材３９を廃止した上で、第２排出ガス流出管６１に対応する位置のモジュールケース９には、第２排出ガス流出口９ｄを円周方向に沿って複数設けるとともに、第２排出ガス流出管６１のシール材４１と反対側近傍位置のハウジング５とモジュールケース９との間には、環状のシール材６５を設けている。したがって、ここでは、シール材４１とシール材６５との間に環状の第２排出ガス流出空間６７が形成される。

なお、第２の実施形態では、排出ガス流出口９ｃを第１排出ガス流出口９ｃとし、シール材４１と端部シール材４５との間の環状の排出ガス流出空間５１を、第１排出ガス流出空間５１とする。

上記した第２の実施形態では、加湿器１０Ａの排出ガス入口側に一つの排出ガス導入管３３を設け、排出ガス出口側には、第１排出ガス流出管３６と第２排出ガス流出管６１を設けている。したがって、第２の実施形態の加湿器１０Ａでは、モジュールケース９内において、図４に示すように、排出ガスの流路長が互いに異なる第１排出ガス流路Ｃおよび第２排出ガス流路Ｄが存在することになり、ここでは、第１排出ガス流路Ｃが、排出ガス流入口９ａから第１排出ガス流出口９ｃに向けて流れる流路として流路長が長いものとし、第２排出ガス流路Ｄを、排出ガス流入口９ａから第２排出ガス流出口９ｄに向けて流れる流路として流路長が短いものとする。

なお、図１における第１排出ガス流路Ａおよび第２排出ガス流路Ｂと同様に、図４に破線および一点鎖線でそれぞれ示してある第１排出ガス流路Ｃおよび第２排出ガス流路Ｄの経路は、この各経路に沿って排出ガスが流れるわけではなく、流路長を特定するために便宜上示したに過ぎず、実際には図４に示す排出ガス流入口９ａと、第１排出ガス流出口９ｃ，第２排出ガス流出口９ｄとの間におけるモジュールケース９内の中空糸膜束のほぼ全域にわたって排出ガスが浸透して流れていく。

上記した第２の実施形態においては、第１の実施形態における流路切替弁５３に代えて流路切替弁６３を、前記図３のフローチャートによる制御動作と同様にして、排出ガスが第１排出ガス流路Ｃを流れる状態と、第２排出ガス流路Ｄを流れる状態とに切り替えるとともに、バイパス流路切替弁５７についても同様に切り替えることで、加湿器１０Ａの加湿性能および燃料電池３の出力性能を高めることができるなど、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係わる加湿装置の排出ガス流路の切替制御動作を示す、前記図３に対応するフローチャートである。第３の実施形態に係わる加湿装置は、第１の実施形態に関わる構成に対し、排出ガス検出部２９が、燃料電池３から排出される排出ガスの体積流量を検出する排出ガス体積流量測定装置をさらに備え、制御部５９が、排出ガス体積流量測定装置で検出される体積流量と所定体積流量とを比較する排出ガス体積流量比較部５９ｇをさらに備える。

この実施形態は、ステップＳ２０１からステップＳ２０８までが、第１の実施形態のＳ１０１からＳ１０８と同一である。ここでは、排出ガスの温度や圧力，水蒸気量に加え、圧力判断値を多段階とするとともに、排出ガスの体積流量および供給ガスの加湿器１０への入口ガス温度（供給ガス検出部２５で検出）をも考慮することで、中空糸膜における膜の特性を生かした制御を行って過渡応答にも対応し、より精度のよい加湿制御が可能となる。

中空糸膜における膜の特性としては、排出ガスの体積流量が多くなるほど膜での滞留時間が短くなるため、図７の実線ａ，ｂ，ｃ，ｄに示すように、体積流量の増加に伴って加湿量が少なくなって加湿性能が低下し、また、同一体積流量でも運転圧力が高いほうが（実線ａが最運転圧高で、実線ｄが運転圧低）、膜表面にて水分が凝縮しやすくなるため加湿量が多くなって加湿性能が向上する。

また、供給ガス温度が高いほど、膜表面に水分が凝縮（毛細管凝縮）しにくくなるため、加湿量が少なくなって加湿性能は低下する。

前述の第１の実施形態でも説明したように、ステップＳ２０７からＳ２０８の判断で、排出ガス中の水蒸気量が、第２所定水蒸気量以上、第３所定水蒸気量未満となった場合（ステップＳ２０８でＮＯ）は、主に登坂走行時の条件となるが、環境条件が乾熱条件下では、供給ガスの温度は高くなり、加湿器１０としての性能条件としては最も厳しくなる(排出ガス流量多かつ供給ガス温度高)。

そこで、ステップＳ２０８でＮＯとなった場合に、排出ガス温度比較部５９ｃが、供給ガス温度が所定温度以上か否かを判断し（ステップＳ２１４）、供給ガス温度が所定温度以上の場合（ステップＳ２１４でＹＥＳ）に、流路切替制御部５９ａが、排出ガスが流路長の長い第１排出ガス流路ＡまたはＣを流れるように、流路切替弁５３または６３を切り替える（ステップＳ２０５）。これにより、中空糸膜全体を有効利用して加湿性能を高める。

逆に、供給ガス温度が所定温度未満（ステップＳ２１４でＮＯ）の場合には、流路切替制御部５９ａが、加湿性能を抑えるために、排出ガスが流路長の短い第２排出ガス流路ＢまたはＤを流れるように、流路切替弁５３または６３を切り替える（ステップＳ２１０）。

また、ステップＳ２０７にて排出ガスに含まれる水分量が第１所定水蒸気量より多く、第２所定水蒸気量より少ない場合には（ステップＳ２０７でＮＯ）、排出ガス圧力比較部５９ｅが、排出ガスの圧力が所定圧力である第１所定圧力以上か否かを判断する（ステップＳ２１０）。この圧力基準値は前記図７に示す運転圧力線ｅをベースに判断している。

上記したステップＳ２１０では、アイドル運転条件から中負荷運転条件に以降する際の診断になり、排出ガス圧力が第１所定圧力より低い場合（ステップＳ２１０でＮＯ）には、排出ガスの膜内での滞留時間が短くなるため、流路切替制御部５９ａが、加湿量を増大させるべく排出ガスが流路長の長い第１排出ガス流路ＡまたはＣを流れるように、流路切替弁５３または６３を切り替える（ステップＳ２０５）。

逆に、排出ガス圧力が第１所定圧力以上の場合（ステップＳ２１０でＹＥＳ）には、排出ガス圧力比較部５９ｅが、排出ガスの圧力が図７に示す、第１所定圧力より高い他の所定圧力となる第２所定圧力以上か否かを判断する（ステップＳ２１１）。ここで、第２所定圧力未満の場合（ステップ２１１でＮＯ）、すなわち排出ガス圧力が第１所定圧力以上で第２所定圧力未満の場合には、ガス圧力が比較的高く、排出ガスの加湿器１０内での滞留時間が、第１所定圧力未満のときに比較して長くなりすぎるので、流路切替制御部５９ａが、加湿性能を抑えるために、排出ガスが流路長の短い第２排出ガス流路ＢまたはＤを流れるように、流路切替弁５３または６３を切り替える（ステップＳ２１０）。

また、前記ステップＳ２１１で、排出ガスの圧力が第２所定圧力以上と判断した場合には、排出ガス体積流量比較部５９ｇが、排出ガスの体積流量が所定流量以上か否かを判断する（ステップＳ２１３）。ここで、体積流量が所定流量未満（ステップＳ２１３でＮＯ）の場合には、排出ガスの中空糸膜における膜での滞留時間が長くなるため、流路切替制御部５９ａが、加湿性能を抑えるために、排出ガスが流路長の短い第２排出ガス流路ＢまたはＤを流れるように、流路切替弁５３または６３を切り替える（ステップＳ２１０）。

逆に、排出ガスの体積流量が所定流量以上の場合（ステップＳ２１３でＹＥＳ）には、前記したステップＳ２１４にて供給ガスの温度を考慮して、加湿器１０内の排出ガス流路長を選択する。すなわち、供給ガス温度が所定温度以上の場合（ステップＳ２１４でＹＥＳ）に、流路切替制御部５９ａが、排出ガスが流路長の長い第１排出ガス流路ＡまたはＣを流れるように、流路切替弁５３または６３を切り替えて（ステップＳ２０５）、中空糸膜全体を有効利用して加湿性能を高める一方、供給ガス温度が所定温度未満（ステップＳ２１４でＮＯ）の場合には、流路切替制御部５９ａが、加湿性能を抑えるために、排出ガスが流路長の短い第２排出ガス流路ＢまたはＤを流れるように、流路切替弁５３または６３を切り替える（ステップＳ２１０）。

上記したように、第３の実施形態においては、第２の実施形態に対し、排出ガスの圧力判断値を多段階とするとともに、排出ガスの体積流量および供給ガス温度を判断項目とすることで、燃料電池３の低出力帯域から高出力帯域の全運転領域にわたり的確な加湿量に制御可能となる。

加湿量が不充分であると、電解質膜の乾燥によりプロトン移動抵抗が大きくなり、抵抗分極が増大するため、燃料電池３の出力性能（発電効率）が悪くなる。逆に、加湿量過多の場合は、水詰まりにより酸化剤ガスの拡散が阻害され燃料電池３の出力性能が悪くなる。

本実施形態では、上記したように加湿量を運転条件（定常、過渡）に応じて制御可能となるため燃料電池３の出力性能を向上させることが可能となる。

この際、本実施形態における燃料電池用加湿装置１，１Ａは、加湿器１０，１０Ａを複数設けず、中空糸膜モジュール７内の排出ガス流路長を切り替えるようにしているので、燃料電池システム全体の小型化が可能であり、特に移動体である車両に搭載する燃料電池システムについても容易に適用可能である。

なお、前記した第１の実施形態では、第１排出ガス流路Ａに対応する第１排出ガス導入管３３や第１排出ガス流入口９ａからなる排出ガス導入部形状と、第２排出ガス流路Ｂに対応する第２排出ガス導入管３５や第２排出ガス流入口９ｂからなる排出ガス導入部形状とは、互いに同等としているが、これら排出ガスの導入部の流路内径を適宜変化させることで、排出ガス導入部のガス流速を制御するようにしても構わない。また、この排出ガス導入部の内径をテーパ−状に変化させる構成としてもよい。

本発明の第１の実施形態に係わる加湿装置を備える燃料電池システムの全体構成図である。 図１の加湿装置の断面図である。 図１の加湿装置を備えた燃料電池システムにおける制御部の制御動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係わる加湿装置を備える燃料電池システムの全体構成図である。 図４の加湿装置の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係わる、図３に対応するフローチャートである。 排出ガスの体積流量，運転圧力と加湿量との相関図である。

符号の説明

１，１０Ａ 燃料電池用加湿装置
Ａ，Ｃ 流路長の長い第１排出ガス流路
Ｂ，Ｄ 流路長の短い第２排出ガス流路
３ 燃料電池
９ モジュールケース（容器）
９ａ 第１排出ガス流入口，排出ガス流入口
９ｂ 第２排出ガス流入口
９ｃ 排出ガス流出口，第１排出ガス流出口
９ｄ 第２排出ガス流出口
１０，１０Ａ 加湿器
１１ 中空糸膜束
２９ 排出ガス検出部（温度センサ，水蒸気量測定装置,圧力センサ，相対湿度測定装置）
５３，６３ 流路切替弁
５５ バイパス流路
５７ バイパス流路切替弁
５９ 制御部

Claims (13)

1. 複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を容器内に収容し、燃料電池から排出されて前記中空糸膜の外側を流れる排出ガスにより、前記中空糸膜の内側を流れて前記燃料電池に供給される供給ガスを加湿する加湿器からなる燃料電池用加湿装置において、
   前記加湿器の容器内における前記排出ガスの流路長が互いに異なる第１排出ガス流路および第２排出ガス流路と、
   前記排出ガスが、前記第１排出ガス流路を主として流れる状態と、前記第２排出ガス流路を主として流れる状態とに、切り替える流路切替手段と、
   制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記排出ガスの状態に基づいて前記流路切替手段を調整する流路切替制御部を備えることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
2. 前記容器の一方の端部付近に、前記第１排出ガス流路および第２排出ガス流路にそれぞれ対応して前記排出ガスを前記容器内に流入させる第１排出ガス流入口および第２排出ガス流入口を設ける一方、前記容器の他方の端部付近に、前記第１排出ガス流路および第２排出ガス流路の下流側に連通して前記容器内の排出ガスを容器外部に流出させる排出ガス流出口を設け、前記第１排出ガス流入口と前記第２排出ガス流入口の、前記容器の一方の端部からの距離を互いに異ならせ、
   前記流路切替制御部は、前記第１排出ガス流入口に主として排出ガスが流入する状態と、前記第２排出ガス流入口に主として排出ガスが流入する状態とに、前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用加湿装置。
3. 前記容器の一方の端部付近に、前記第１排出ガス流路および第２排出ガス流路の上流側に連通して前記排出ガスを前記容器内に流入させる排出ガス流入口を設ける一方、前記容器の他方の端部付近に、前記第１排出ガス流路および第２排出ガス流路にそれぞれ対応して前記容器内の排出ガスを容器外部に流出させる第１排出ガス流出口および第２排出ガス流出口を設け、前記第１排出ガス流出口と前記第２排出ガス流出口の、前記容器の他方の端部からの距離を互いに異ならせ、
   前記流路切替制御部は、前記第１排出ガス流出口から主として排出ガスが流出する状態と、前記第２排出ガス流出口から主として排出ガスが流出する状態とに、前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用加湿装置。
4. 前記流路切替制御部が、排出ガスの状態に基づいて前記流路切替手段を調整することは、前記排出ガスの温度と、前記排出ガス中の水蒸気量と、前記排出ガスの圧力と、前記排出ガスの体積流量と、前記供給ガスの温度との少なくともいずれか一つの状態量に基づいて、前記排出ガスが、前記第１排出ガス流路を主として流れる状態と、前記第２排出ガス流路を主として流れる状態とに、前記流路切替手段を切り替えることであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池用加湿装置。
5. 前記燃料電池から排出される前記排出ガスの温度を検出する排出ガス温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記排出ガス温度検出手段で検出される温度と所定温度とを比較する排出ガス温度比較部を備え、
   前記排出ガス温度比較部が、前記温度が、前記中空糸膜に含まれる水分が乾燥しない第１所定温度以下と判定するときに、前記流路切替制御部は、前記第１，第２排出ガス流路のうち流路長の長い流路に排出ガスが主として流れる状態に、前記流路切替手段を切り替え、
   前記排出ガス温度比較部が、前記温度が前記第１所定温度より高いと判定するときに、前記流路切替制御部は、前記排出ガス中の水蒸気量に基づいて、前記排出ガスが、前記第１排出ガス流路を主として流れる状態と、前記第２排出ガス流路を主として流れる状態とに、前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用加湿装置。
6. 前記燃料電池から排出される排出ガス中の水蒸気量を検出する排出ガス水蒸気量検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記排出ガス水蒸気量検出手段で検出される水蒸気量と所定水蒸気量とを比較する排出ガス水蒸気量比較部を備え、
   前記排出ガス水蒸気量比較部が、前記水蒸気量が、定常アイドル運転時での前記排出ガス中に含まれる最大の水分量である第１所定水蒸気量以下または、第１所定水蒸気量より多く中負荷運転を超える運転域に対応する第２所定水蒸気量以上と判定するときに、前記流路切替制御部は、前記第１，第２排出ガス流路のうち流路長の長い流路に排出ガスが主として流れる状態に切り替え、
   前記排出ガス水蒸気量比較部が、前記水蒸気量が前記第１所定水蒸気量より多くかつ前記第２所定水蒸気量より少ないと判定するときに、前記流路切替制御部は、前記排出ガスの圧力に基づいて、前記排出ガスが、前記第１排出ガス流路を主として流れる状態と、前記第２排出ガス流路を主として流れる状態とに、前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用加湿装置。
7. 前記水蒸気量が、前記第２所定水蒸気量以上であるとき、
   前記排出ガス水蒸気量比較部が、前記水蒸気量が、前記第２所定水蒸気量以上でかつ、第２所定水蒸気量より多く露点温度となる第３所定水蒸気量より少ないと判定するときは、前記流路切替制御部は、前記第１，第２排出ガス流路のうち流路長の長い流路に排出ガスが主として流れる状態に、前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用加湿装置。
8. 前記燃料電池から排出される前記排出ガスの圧力を検出する排出ガス圧力検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記排出ガス圧力検出手段で検出される圧力と所定圧力とを比較する排出ガス圧力比較部を備え、
   前記水蒸気量が、前記第１所定水蒸気量より多くかつ前記第２所定水蒸気量より少ないとき、
   前記排出ガス圧力比較部が、前記圧力が、排出ガスの前記中空糸膜外側を流れる際の滞留時間が長くなる所定圧力以上と判定するときに、前記流路切替制御部は、前記第１，第２排出ガス流路のうち流路長の短い流路に排出ガスが主として流れる状態に、前記流路切替手段を切り替え、
   前記排出ガス圧力比較部が、前記圧力が前記所定圧力より低いと判定するときに、
   前記流路切替制御部は、前記第１，第２排出ガス流路のうち流路長の長い流路に排出ガスが主として流れる状態に、前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池用加湿装置。
9. 前記燃料電池から排出される排出ガスが前記容器内の第１排出ガス流路および第２排出ガス流路をバイパスするバイパス流路と、
   前記排出ガスが、前記第１排出ガス流路と前記第２排出ガス流路との少なくとも一方を流れる状態と、前記バイパス流路を流れる状態とに切り替えるバイパス流路切替手段とをそれぞれ備え、
   前記制御手段は、前記バイパス流路切替手段の流路を調整するバイパス流路制御部を備え、
   前記排出ガス温度比較部が、前記温度が、前記中空糸膜に含まれる水分が乾燥しない第１所定温度より高く、前記中空糸膜の膜性能劣化が発生する第２所定温度以上と判定するとき、または、
   前記排出ガス温度比較部が、前記排出ガスの温度が、前記第１所定温度より低く前記排出ガスの水蒸気分圧がない第３所定温度以下と判定するとき、または、
   前記排出ガス温度比較部が、前記排出ガスの温度が、前記第１所定温度より高く前記第２所定温度より低いと判定し、かつ前記排出ガス水蒸気量比較部が、前記水蒸気量が、前記第２所定水蒸気量より多く露点温度となる第３所定水蒸気量以上と判定するとき、
   前記バイパス流路制御部は、前記排出ガスが前記バイパス流路を流れる状態に、前記バイパス流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項４ないし８のいずれか１項に記載の燃料電池用加湿装置。
10. 前記制御手段は、前記排出ガスの水蒸気量と前記排出ガスの温度から前記排出ガスの相対湿度を算出する相対湿度演算部と、
    前記相対湿度演算部で算出される相対湿度と所定湿度とを比較する排出ガス湿度比較部とを備え、
    前記排出ガス湿度比較部が、前記相対湿度が、前記中空糸膜が乾燥しない所定湿度より低いと判定するときに、前記バイパス流路制御部は、前記排出ガスが前記バイパス流路を流れる状態に、前記バイパス流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池用加湿装置。
11. 前記燃料電池から排出される前記排出ガスの体積流量を検出する排出ガス体積流量検出手段を備え、
    前記排出ガス圧力比較部が、前記圧力が、前記所定圧力より高い他の所定圧力以上と判定するとき、
    前記流路切替制御部は、前記体積流量に基づいて、前記排出ガスが、前記第１排出ガス流路を主として流れる状態と、前記第２排出ガス流路を主として流れる状態とに、前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用加湿装置。
12. 前記制御手段は、前記排出ガス体積流量検出手段で検出される体積流量と所定体積流量とを比較する排出ガス体積流量比較部を備え、
    前記排出ガス水蒸気量比較部が、前記水蒸気量が、前記第２所定水蒸気量以上でかつ前記第３所定水蒸気量未満と判定するとき、または、
    前記排出ガス体積流量比較部が、前記体積流量が、排出ガスの前記中空糸膜外側を流れる際の滞留時間が短くなる所定体積流量以上と判定するとき、
    前記流路切替制御部は、前記供給ガスの温度に基づいて、前記排出ガスが、前記第１排出ガス流路を主として流れる状態と、前記第２排出ガス流路を主として流れる状態とに、前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用加湿装置。
13. 前記流路切替制御部が、前記供給ガスの温度に基づいて、前記流路切替手段を切り替えることは、
    前記排出ガス温度比較部が、前記供給ガスの温度が、前記中空糸膜の膜表面に水分が凝縮しにくくなる所定温度以上と判定するときに、前記流路切替制御部が、前記第１，第２排出ガス流路のうち流路長の長い流路に排出ガスが主として流れる状態に、前記流路切替手段を切り替え、
    前記排出ガス温度比較部が、前記供給ガスの温度が前記所定温度未満と判定するときに、前記流路切替制御部が、前記第１，第２排出ガス流路のうち流路長の短い流路に排出ガスが主として流れる状態に、前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置。

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