JP3973869B2 - 燃料電池用加湿装置および燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば中空糸膜を利用した水透過型の燃料電池用加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載されるＰＥＭ（Polymer Electrolytic Membrane）型の燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備えた電極膜構造体と、この電極膜構造体の両側にそれぞれ反応ガスを供給するためのガス通路を形成するとともに電極膜構造体を両側から支持するセパレータと、を積層して構成したものがある。
【０００３】
この燃料電池では、アノードに燃料供給ガスとして水素ガスを供給し、カソードに酸化剤供給ガスとして酸素あるいは空気を供給して、燃料供給ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出する。
【０００４】
つまり、アノード側で水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソード側に移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができる。
【０００５】
ところで、この燃料電池にあっては、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギ変換効率が低下してしまう。したがって、良好なイオン伝導を保つために個体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。
【０００６】
このため、この種の燃料電池には、燃料供給ガスおよび酸化剤供給ガスを加湿して固体高分子電解質膜に水分を供給し、良好な反応を維持させる加湿装置が設けられている。
【０００７】
この種の加湿装置としては、例えば、特開平８−２７３６８７号公報に開示されているように、膜厚方向に水蒸気の透過を許容する中空糸膜を備えた水透過型の加湿装置が知られている。
【０００８】
図１６は、従来の加湿装置を備えた燃料電池システムの構成図である。酸化剤供給ガスとしての外気はスーパーチャージャー８１によって加圧され、酸化剤供給ガス管８２を介して酸化剤用加湿装置８０Ａに供給され、酸化剤用加湿装置８０Ａにおいて加湿されて燃料電池（以下、スタックという）８３のカソードに供給される。カソードに供給された空気中の酸素が酸化剤として用いられた後、オフガスとしてスタック８３から排気される。スタック８３での反応時に発生した水分を含むオフガスは、スタック８３からオフガス管８４を介して酸化剤用加湿装置８０Ａに送られ、酸化剤用加湿装置８０Ａにおいてオフガス中の水蒸気が酸化剤供給ガスへ受け渡される。その後、オフガスは排気される。
【０００９】
燃料供給ガスとしての水素ガスは燃料供給用ガス管８５を介して燃料用加湿装置８０Ｂに供給され、燃料用加湿装置８０Ｂにおいて加湿されてスタック８３のアノードに供給される。アノードに供給された水素ガスの一部が燃料として用いられ、酸化還元反応に供される。水素ガスはその一部が反応に供された後、オフガスとなってスタック８３から排出される。
【００１０】
ところで、固体高分子電解質膜は、イオン水和効果によって固体高分子電解質膜を境にして水分濃度の高い側から低い側に水蒸気を透過させる性質を有している。前述したようにカソード側を流れるオフガスは、反応時に発生した水分を含むためアノード側を流れるオフガスよりも水分濃度が高くなるが、前記イオン水和効果によりカソード側を流れるオフガス中の水分が水蒸気となって固体高分子電解質膜を透過して、アノード側を流れるオフガス中に拡散する。したがって、アノード側のオフガス中にも水分が含まれている。
【００１１】
このように水分を含むアノード側のオフガスは、スタック８３からオフガス用管８６を介して燃料用加湿装置８０Ｂに送られ、燃料用加湿装置８０Ｂにおいてオフガス中の水蒸気が燃料供給ガスへ受け渡され、その後、排気される。
【００１２】
図１７は酸化剤用加湿装置８０Ａおよび燃料用加湿装置８０Ｂ（以下、特に区別する必要がない場合には加湿装置８０とする）を示す。これら加湿装置８０は、複数の加湿器９１と、これら加湿器９１を並列に連結する入口ヘッド９２と出口ヘッド９３とを備える。加湿器９１は、円筒状のハウジング９４の内部に、水蒸気透過膜（水透過膜）からなる多数のチューブ状の多孔質の中空糸膜９５を束ねたものが収納されており、中空糸膜９５の両端部を束ねる仕切部材９６が、中空糸膜９５の外表面同士および中空糸膜９５の外表面とハウジング９４の内周面とを気密に結合する。各ハウジング９４の一端側は入口ヘッド９２に連結されており、他端側は出口ヘッド９３に連結されている。また、各ハウジング９４の外周部であって両仕切部材９６よりも内側にはガス入口孔９７ａとガス出口孔９７ｂが設けられており、各ハウジング９４のガス入口孔９７ａはハウジング９４の外部に設けられた図示しない接続通路で互いに連通し、ガス出口孔９７ｂはハウジング９４の外部に設けられた図示しない接続通路で互いに連通している。
【００１３】
この加湿装置８０では、反応ガスは各加湿器９１のハウジング９４のガス入口孔９７ａから供給されて、ハウジング９４内の中空糸膜９５の間を通ってガス出口孔９７ｂから流出し、一方、オフガスは入口ヘッド９２に供給され、入口ヘッド９２から各加湿器９１のハウジング９４に供給されて中空糸膜９５の中空部に入り、この中空部を通ってハウジング９４の他端側から出口ヘッド９３に流れ込み、出口ヘッド９３から流出する。
【００１４】
中空糸膜９５は、径方向に貫通する無数の毛管部を有しており、中空糸膜９５の中空部内に送り込まれたオフガス中の水蒸気が、前記毛管部内で凝縮して外周側へ移動し、反応ガスへ蒸発して受け渡される。つまり、この加湿装置８０により、オフガス中の水分が反応ガスへ受け渡され、反応ガスが加湿される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の加湿装置８０では、オフガス中の水蒸気が入口ヘッド９２において凝縮し、次のような不具合が生じる。
【００１６】
凝縮水が加湿器９１の中空糸膜９５の中空部を流れた場合には、凝縮水は中空糸膜９５を透過することができず中空部を吹き抜けてしまうため、この凝縮水は回収されることなく排出されることになり、水回収率が低下するという問題がある。水回収率が低下すると、加湿装置の加湿性能が低下する。また、燃料電池への加湿が過剰に行われると、燃料電池内のガス通路が閉塞してしまい、燃料電池が過加湿状態となって発電性能が低下する。
【００１７】
また、入口ヘッド９２において凝縮水が溜まり、その水位が加湿器９１の中空糸膜９５の最下位位置よりも上方に達すると、凝縮水が中空糸膜９５の入口側を閉塞し、オフガスの流通面積を減少させて圧力損失の上昇を招くという問題が生じる。また、オフガスの流通面積の減少は水回収率を低下させて、加湿性能を低下させるという問題も生じる。これは、出口ヘッド９３において凝縮水が生じた場合にも生じる問題である。
【００１８】
この発明は、中空糸膜などの水透過型加湿器を用いた燃料電池用加湿装置において、凝縮水に起因する不具合を防止し、燃料電池を最適な加湿状態で運転させることができる燃料電池用加湿装置を提供することを課題としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池用加湿装置は、複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、この中空糸膜束を収容するハウジングとを有し、前記ハウジングの内部であって前記中空糸膜の外側に、燃料電池へ供給する反応ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池から排出された排出ガスを流通させることにより、前記排出ガス中の水分を前記中空糸膜を介して前記反応ガスに移行させて加湿する中空糸膜モジュールを具備し、前記中空糸膜モジュールの一端側には、前記排出ガスを前記中空糸膜の内側に流入させる排出ガス流入口が形成され、前記排出ガス流入口に流入する前記排出ガスから生じた液体を排出する液体排出機構が設けられていることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、排出ガス流入口に溜まった液体を液体排出機構で排出することにより、水で閉塞される中空糸膜をなくすか、若しくは減少させることができるので、加湿に寄与できる中空糸膜を多くすることができるとともに、排出ガスの流路面積の減少を抑制し、排出ガスの圧力損失の上昇を抑制することができる。
【００２１】
前記排気ガス流入口の水詰まりを検知する水詰まり検知手段を備え、前記液体排出機構は前記水詰まり検知手段の検知結果に応じて制御されるようにしてもよい。
この構成によれば、中空糸膜の水詰まりが広がらないうちに排出ガス入口に溜まった液体を確実に排出することができ、信頼性が向上する。
【００２２】
前記排出された液体を蓄えておく貯蔵手段と、前記貯蔵手段に蓄えられた液体を利用して前記反応ガスを補助加湿する補助加湿手段を備えていてもよい。
この構成によれば、排出された液体を再利用して反応ガスを補助加湿するから、加湿性能がさらに向上するという効果が奏される。
【００２３】
前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電力検出手段と、この出力電力検出手段により検出された出力電力が所定値未満の時に前記液体排出機構によって液体を排出するコントローラとをさらに具備してもよい。
この構成によれば、燃料電池の出力電圧が低下した場合に、反応ガス中の水がガス流路内に溜まっていると判断して、前記液体排出機構により効率的に液体を排出することができる。
【００２４】
本発明の他の態様の燃料電池用加湿装置は、複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、この中空糸膜束を収容するハウジングとを有し、前記ハウジングの内部であって前記中空糸膜の外側に、燃料電池から排出された排出ガスを流通させるとともに、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する反応ガスを流通させることにより、前記排出ガス中の水分を前記中空糸膜を介して前記反応ガスに移行させて加湿する中空糸膜モジュールを具備し、前記中空糸膜モジュールの一端側には、前記反応ガスを前記中空糸膜の内側から排出させる供給ガス流出口が形成され、前記供給ガス流出口から流出した前記反応ガスから生じた液体を排出する液体排出機構が設けられていることを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、中空糸膜を通過した際に反応ガスの温度が下がり、反応ガス中の水分が凝縮した場合にも、燃料電池へ供給する前に反応ガス中の液体を排出して、燃料電池内へ凝縮水を供給しないようにすることができる。したがって、燃料電池膜の過加湿や、多量の生成水によるガス流路内の閉塞を未然に防止できる。
【００２６】
前記供給ガス流出口の水詰まりを検知する水詰まり検知手段を備え、前記液体排出機構は前記水詰まり検知手段の検知結果に応じて制御されてもよい。
この構成によれば、供給ガス流出口に水が詰まったことを検知し、前記液体排出機構により効率的に水を排出することができ、燃料電池へ供給する反応ガスの加湿状態が安定する。
【００２７】
前記燃料電池の出力電力を検出する出力電力検出手段と、この出力電力検出手段により検出された出力電力が所定値未満の時に、前記液体排出機構によって水を排出するコントローラとを具備してもよい。
【００２８】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池より排出された排出ガスに含まれる水分によって前記反応ガスを加湿する水透過型加湿器とを備え、前記燃料電池は、固体高分子膜の両側にアノードとカソードとを備えた電極膜構造体と、前記電極膜構造体の両側にそれぞれ反応ガスを供給するガス流路と、前記電極膜構造体を両側から支持するセパレータとを積層して構成され、前記水透過型加湿器は、複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、この中空糸膜束を収容するハウジングとを具備した中空糸膜モジュールであり、前記中空糸膜の内側に、前記排出ガスおよび前記反応ガスの一方を流通させ、前記中空糸膜の外側に前記排出ガスおよび前記反応ガスの他方を流通させることにより、前記排出ガス中の水分を前記中空糸膜を介して前記反応ガスに移行させて加湿するものであり、さらに、この水透過型加湿器は、前記排出ガスまたは前記反応ガスの少なくとも一方から生じた水を該水透過型加湿器から排出する液体排出機構と、該水透過型加湿器の水詰まりを予防もしくは解消するように前記液体排出機構を制御するコントローラとを具備することを特徴とする。
【００３０】
前記中空糸膜モジュールの一端側には、前記排出ガスを前記中空糸膜モジュールに流通させる流出ガス流入口が形成され、前記中空糸膜モジュールの他端側には、前記排出ガスを前記中空糸膜モジュールから排出させる排出ガス流出口が形成され、前記液体排出機構は、前記排出ガス流入口に設けられていてもよい。
【００３１】
前記中空糸膜モジュールの一端側には、前記反応ガスを前記中空糸膜モジュールに流通させる反応ガス流入口が形成され、前記中空糸膜モジュールの他端側には、前記反応ガスを前記中空糸膜モジュールから排出させる反応ガス流出口が形成され、前記液体排出機構は、前記反応ガス流出口に設けられていてもよい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池用加湿装置の実施形態を図１から図１５を参照して説明する。以下に記載する各実施形態は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池の加湿装置としての態様であるが、本発明はこれに限定されず、車載用以外の燃料電池にも適用可能である。
【００３３】
〔第１実施形態〕
この発明に係る燃料電池用加湿装置の第１実施形態を図１から図１０を参照して説明する。
図1は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池（以下、スタックという）１のカソード側の反応ガスの供給システムを示す図である。
酸化剤供給ガスとしての空気はスーパーチャージャー２によって加圧され、空気供給管３を介して反応ガス入口４からカソード加湿器ユニット５Ａに供給され、カソード加湿器ユニット５Ａを通過する際に加湿される。その後、カソード加湿器ユニット５Ａの反応ガス出口６から空気供給管７に流出し、空気供給管７を介してスタック１のカソードに供給される。カソードに供給された空気中の酸素が酸化剤として用いられた後、空気は排出ガス（以下、オフガスという）としてスタック１からオフガス管８に排出される。
【００３４】
このオフガスはスタック１での反応時に発生した水分を含んでおり、オフガス管８を介してオフガス入口（排出ガス入口）９からカソード加湿器ユニット５Ａに供給され、カソード加湿器ユニット５Ａを通過する際に、オフガス中の水蒸気が反応ガスとしての前記空気に受け渡され、該空気は加湿される。その後、オフガスはカソード加湿器ユニット５Ａのオフガス出口（排出ガス出口）１０からオフガス管１１に排出され、圧力調整弁１２を介して排気される。圧力調整弁１２はスタック内１の内圧を調整する弁である。
【００３５】
図２から図４を参照してカソード加湿器ユニット５Ａについて説明する。
カソード加湿器ユニット５Ａは、複数本（この実施形態では５本）の中空糸膜モジュール６１と、これら中空糸膜モジュール６１を並列に連結する入口ヘッド（排出ガス流入口）６２と出口ヘッド（排出ガス流出口）６３とを備える。中空糸膜モジュール６１は、円筒状のハウジング６４の内部に、水蒸気透過膜（水透過膜）からなる多数のチューブ状の多孔質の中空糸膜６５を束ねてなる中空糸膜束が収納されて構成されている。中空糸膜６５はその両端部において仕切部材６６によって束ねられており、仕切部材６６は、中空糸膜６５の外表面同士および中空糸膜６５の外表面とハウジング６４の内周面とを気密に結合している。
【００３６】
各中空糸膜モジュール６１のハウジング６４の一端側はオフガス入口９を有する入口ヘッド６２に連結されており、他端側はオフガス出口１０を有する出口ヘッド６３に連結されている。入口ヘッド６２および出口ヘッド６３の底部にはそれぞれ排水口６７，６８が設けられており、入口ヘッド６２および出口ヘッド６３の内底部に溜まった水を排出することができる。入口ヘッド６２の排水口６７は、図３に示すように、入口ヘッド６２の内部空間６２ａの最下部を連通する連通通路６９から延出させてもよいし、図４に示すように、入口ヘッド６２の内部空間６２ａの中で水が一番溜まり易い部位６２ｂから延出させてもよい。出口ヘッド６３の排水口６８についても同様である。
【００３７】
各ハウジング６４の外周部であって両仕切部材６６よりも内側には、反応ガス入口４と反応ガス出口６が設けられており、各ハウジング６４の反応ガス入口４はハウジング６４の外周部に設けられた図示しない接続通路で互いに連通し、反応ガス出口６はハウジング６４の外周部に設けられた図示しない接続通路で互いに連通している。
【００３８】
カソード加湿器ユニット５Ａでは、反応ガスとしての空気が各中空糸膜モジュール６１のハウジング６４の反応ガス入口４からハウジング６４内に導入されて、ハウジング６４内の中空糸膜６５の間を通って反応ガス出口６から流出する。一方、オフガスはオフガス入口９から入口ヘッド６２の内部空間６２ａに導入され、内部空間６２ａを通って各中空糸膜モジュール６１のハウジング６４の一端側から中空糸膜６５の内部に入り、この中空糸膜６５の内部を通ってハウジング６４の他端側から出口ヘッド６３の内部空間６３ａに流れ込んで合流し、オフガス出口１０から流出する。この際に、各中空糸膜モジュール６１内において、オフガス中の水分が中空糸膜６５を介して反応ガスへ受け渡され、反応ガスが加湿される。
【００３９】
図１に示すように、空気供給管３と空気供給管７は、カソード加湿器ユニット５Ａをバイパスするバイパス管１３によって接続されており、バイパス管１３の途中にはその上流側から順に補助加湿器１４と補助加湿制御弁１５が設けられている。補助加湿器１４は、ハウジング１６の内部にカソード加湿器ユニット５Ａの中空糸膜６５と同様の多数の中空糸膜１７が束になって収納されて構成されており、補助加湿制御弁１５が開いている時には、空気供給管３からバイパス管１３に流れ込んだ空気が中空糸膜１７の内部を通り下流側のバイパス管１３および制御弁１５を通って空気供給管７に流れ込み、カソード加湿器ユニット５Ａを通過した空気と合流してスタック１に供給される。この実施形態において、バイパス管１３と補助加湿器１４と補助加湿制御弁１５は補助加湿手段を構成する。
【００４０】
ハウジング１６は、排水管１８を介して、カソード加湿器ユニット５Ａの排水口６７，６８に取り付けられた排水制御弁（液体排出機構）１９，２０に接続されており、カソード加湿器ユニット５Ａの入口ヘッド６２内および出口ヘッド６３内に溜まった水をハウジング１６内に導入することができる。この第１実施形態において、ハウジング１６はこの発明における貯蔵手段を構成している。また、補助加湿器１４には、ハウジング１６内の水の水位を検出する水位計（水位検知手段）２１が取り付けられている。この補助加湿器１４では、ハウジング１６内に水を貯水した状態で中空糸膜１７の内部に空気を流すと、中空糸膜１７のイオン水和効果により、ハウジング１６内の水が水蒸気となって中空糸膜１７を透過し中空糸膜１７内の空気に受け渡され、空気を加湿することができる。
【００４１】
このように構成された第１実施形態の燃料電池用加湿装置においては、スタック１での発電に際し、酸化剤供給ガスとしての空気が、カソード加湿器ユニット５Ａを通る際に加湿されてスタック１に供給され、スタック１を通過したオフガスがカソード加湿器ユニット５Ａを通過する際に前記空気を加湿する。オフガス中の水分がカソード加湿器ユニット５Ａの入口ヘッド６２あるいは出口ヘッド６３において凝縮し、入口ヘッド６２内あるいは出口ヘッド６３内に溜まり、中空糸膜モジュール６１の中空糸膜６５を目詰まりさせる場合があるが、この燃料電池用加湿装置では、そのようになった時あるいはそうなる前に所定のタイミングで排水制御弁１９，２０を開き、入口ヘッド６２および出口ヘッド６３の内部に溜まった水（液体）を排水する。これにより、水で閉塞される中空糸膜６５を水で閉塞されないようにしたり、あるいは、水で閉塞される中空糸膜６５を減少させることができるので、加湿に寄与できる中空糸膜６５を多くすることができるとともに、オフガスの流路面積の減少を抑制することができ、オフガスの圧力損失の上昇を抑制することができる。その結果、燃料電池用加湿装置の加湿性能が向上する。
【００４２】
排水制御弁１９，２０は、中空糸膜６５が水による目詰まりを起こした時もしくは起こす前に開くように、コントローラ（図示略）によって制御される。排水制御弁１９，２０の開弁タイミングの決定方法（換言すれば中空糸膜６５の水詰まり検知手段）は、以下のような方法が考えられる。
【００４３】
一つは、一定時間毎に排水制御弁１９，２０を開弁するようにする。これは、スタック１を一定時間運転したときの入口ヘッド６２あるいは出口ヘッド６３に溜まる水の量を予測できることに基づく。
【００４４】
別の方法は、スタック１の出力電圧毎に設定された規定時間毎に排水制御弁１９，２０を開弁する。これは、前述した一定時間毎に排水制御弁１９，２０を開弁する方法をより精度よくした。つまり、同じ一定時間であっても、スタック１の出力が大きいほど入口ヘッド６２あるいは出口ヘッド６３に溜まる水の量が多いので、予め、実験的に出力電圧と開弁間隔との関係を求めて図５に示すようなマップにしておき、出力電圧毎の規定時間が経過したときに排水制御弁１９，２０を開弁する。
【００４５】
別の方法は、入口ヘッド６２と出口ヘッド６３の間の圧力損失を検出し、この圧力損失が所定値以上（例えば、５ｋＰａ以上）になったときに排水制御弁１９，２０を開く。これは、中空糸膜６５の目詰まりの増大に伴って圧力損失が増大することに基づく。
【００４６】
別の方法は、スタック１の出力電圧が所定値以下になったときに排水制御弁１９，２０を開く。これは、中空糸膜６５の目詰まりの増大に伴って供給ガスの加湿量（相対湿度、露点等）が下がるので、燃料電池の加湿不足によりスタック１の出力電圧が低下することに基づく。
【００４７】
別の方法は、入口ヘッド６２および／または出口ヘッド６３内の温度が急激に低下したときに排水制御弁１９，２０を開く。ヘッド６２、６３内の温度が下がることにより、その内部の水蒸気が飽和し、ヘッド６２、６３内に凝縮水が溜まるからである。
【００４８】
スタック１を構成する単セルのセル電圧が所定値（例えば、０．３Ｖ）未満になったときに排水制御弁１９，２０を開くという運転方法も可能である。スタック１は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードでサンドウィッチ状に挟んでなる単セルを複数枚積み重ねて構成されているが、この各単セルのセル電圧を検知可能にしておく。単セルのセル電圧が前記所定値未満であるときには、単セルが目詰まりを起こしている（すなわち、燃料電池の加湿が過剰である）と判断し、排水制御弁１９，２０を開く。これにより、中空糸膜モジュール６１での圧力損失を減少させてスタック１における排水性を向上させ、単セルに溜まった水を排水させることができる。
【００４９】
また、この第１実施形態の燃料電池用加湿装置では、上述のように、カソード加湿器ユニット５Ａの入口ヘッド６２および出口ヘッド６３から排水される水を廃棄しないで、排水管１８を介して補助加湿器１４のハウジング１６に回収し、補助加湿用の水として再利用している。
【００５０】
スタック１が定常状態で発電を行っているときには、スタック１の固体高分子電解質膜のイオン水和効果によりオフガスに水分が供給されるので、水分を含むオフガスがカソード加湿器ユニット５Ａに送られるため、カソード加湿器ユニット５Ａにおいて空気供給管３から供給される空気を加湿することができ、スタック１に加湿された空気を供給することができる。したがって、この場合には、補助加湿は必要ない。
【００５１】
ところが、自動車の始動時などではカソード加湿器ユニット５Ａでの空気に対する加湿量が足らず、加湿されていない空気がスタック１に供給されてしまい、スタック１の発電状態が低下してしまう。このような時に加湿補助が必要になる。この第１実施形態では、バイパス管１３と補助加湿器１４と補助加湿制御弁１５によって補助加湿手段が構成されており、空気供給管７に湿度計や露点計（いずれも図示せず）等を設けて、スタック１に供給される空気の相対湿度を検出し、相対湿度が所定値よりも低いとき（例えば、８０％以下のとき）に、補助加湿制御弁１５を開くことにより、空気供給管３を流れる空気の一部をバイパス管１３に導き、補助加湿器１４を通過させることにより加湿して、空気供給管７に戻し、これにより加湿された空気を、カソード加湿器ユニット５Ａを通ってきた加湿不十分な空気とともにスタック１のカソードに供給するようにした。ただし、補助加湿器１４のハウジング１６内の水位が所定水位よりも高くないと、補助加湿手段１４が効果的に機能しないので、所定水位以上あるときにだけ補助加湿制御弁１５を開き、補助加湿を実行することにした。これにより、始動時などにおいてスタック１の出力電圧を大きくすることができる。しかも、カソード加湿器ユニット５Ａの入口ヘッド６２および出口ヘッド６３に溜まった水を冷却させずに補助加湿器１４に導入することができるので、外部から熱を与えることなく補助加湿を行うことができる。
【００５２】
以下の説明の都合上、補助加湿制御弁１５を閉じてカソード加湿器ユニット５Ａを通過させた空気だけをスタック１に供給する加湿処理を「通常加湿処理」と称し、補助加湿制御弁１５を開いて補助加湿器１４に空気を通過させて空気の加湿を補助する加湿処理を「補助加湿処理」と称す。
【００５３】
図６から図１０のフローチャートを参照して、補助加湿処理を説明する。
図６を参照して、まず、ステップＳ１０１においてスタック１で発電すると、ステップＳ１０２に進んで通常加湿処理が実行される。前述したように、通常加湿処理では補助加湿制御弁１５は閉じている。
【００５４】
ステップＳ１０３に進んで一定時間経過したか否か判定し、一定時間経過していない場合にはステップＳ１０２に戻って通常加湿処理を実行する。一方、ステップＳ１０３において一定時間が経過したと判定された場合には、ステップＳ１０４に進んで、排水制御弁１９，２０を開く。これは、前述したように、一定時間経過した時には入口ヘッド６２あるいは出口ヘッド６３に水が溜まって中空糸膜６５が水で目詰まりしているか、その虞があるからである。尚、排水制御弁１９，２０の開弁期間は短時間に設定されている。排水制御弁１９，２０を長時間開けていると、カソード加湿器ユニット５Ａの中空糸膜６５を流れるオフガス流量が低下する虞があるからである。
【００５５】
次に、ステップＳ１０５に進み、水位計２１により検出された補助加湿器１４内の水位が所定水位以上か否か判定する。ステップＳ１０５において補助加湿器１４の水位が所定水位以下と判定した場合には、補助加湿器１４の加湿性能が低く効果的な補助加湿処理を行うことができないので、ステップＳ１０２に戻って通常加湿処理を実行する。一方、ステップＳ１０５において補助加湿器１４の水位が所定水位以上であると判定した場合には、補助加湿器１４が十分に加湿性能を発揮することができるので、補助加湿制御弁１５を開弁して補助加湿処理を実行する。これにより、空気供給管３を流れる空気の一部が補助加湿器１４によって加湿されて空気供給管７を介してスタック１に供給される。
【００５６】
この後、ステップＳ１０６からステップＳ１０３に戻って、再び、一定時間が経過したか否か判定する。
図７は、排水制御弁１９，２０を開弁するか否かの判定基準を、スタック１の出力電圧毎に設定された規定時間経過したか否かにした場合を示すもので、この場合には、ステップＳ１０３において、スタック１の出力電圧毎に設定された規定時間を経過したか否かを判定し、肯定判定したときにはステップＳ１０４に進み、否定判定したときにはステップＳ１０２に進む。
【００５７】
図８は、排水制御弁１９，２０を開弁するか否かの判定基準を、入口ヘッド６２と出口ヘッド６３の間の圧力損失が所定値以上か否かにした場合を示すもので、この場合には、ステップＳ１０３において、圧力損失が所定値以上か否かを判定し、肯定判定したときにはステップＳ１０４に進み、否定判定したときにはステップＳ１０２に進む。
【００５８】
図９は、排水制御弁１９，２０を開弁するか否かの判定基準を、スタック１の出力電圧が所定値以下か否かにした場合を示すもので、この場合には、ステップＳ１０３において、出力電圧が所定値以下か否かを判定し、肯定判定したときにはステップＳ１０４に進み、否定判定したときにはステップＳ１０２に進む。
【００５９】
図１０は、排水制御弁１９，２０を開弁するか否かの判定基準を、入口ヘッド６２あるいは出口ヘッド６３内の温度が急激に低下したか否かにした場合を示すもので、この場合には、ステップＳ１０３において、温度が急激に低下したか否かを判定し、肯定判定したときにはステップＳ１０４に進み、否定判定したときにはステップＳ１０２に進む。
【００６０】
この第１実施形態では、燃料電池用加湿装置を酸化剤供給ガスを加湿する燃料電池システムに適用した場合で説明したが、この第１実施形態の燃料電池用加湿装置は、燃料供給ガスを加湿する加湿システムに適用することもできる。さらに、酸化剤供給ガスを加湿する加湿システムと、燃料供給ガスを加湿する加湿システムの両方を設けた燃料電池システムも可能である。後述する他の実施形態においても同様である。
【００６１】
〔第２実施形態〕
次に、この発明に係る燃料電池用加湿装置の第２実施形態を図１１および図１２の図面を参照して説明する。
図１１は、スタック１のカソード側の反応ガス供給システムを示す図である。前述した第１実施形態の反応ガス供給システムと同一態様部分については図中同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態と相違する点について以下に説明するものとする。
【００６２】
第２実施形態の反応ガス供給システムには、カソード加湿器ユニット（水透過型加湿器）５Ａの排水口６７，６８、排水制御弁１９，２０、排水管１８がない。すなわち、第２実施形態のカソード加湿器ユニット５Ａは、図１７に示す従来の加湿装置８０と同様の構成をなしている。
【００６３】
その代わりに、オフガス管８の途中と、オフガス管１１の途中に、オフガスから凝縮水を除去する気液分離器３０Ａ，３０Ｂ（以下、特に区別する必要がない場合には気液分離器３０と記す）が設けられている。気液分離器３０はデミスターや透湿膜によって構成することもできるが、気液分離器３０の具体例を図１２を参照して説明すると、気液分離器３０は、ハウジング３１と、ハウジング３１の内部を下から上に向かって蛇行する流路３２を形成する多数の仕切板３３と、ハウジング３１の下部に設けられ流路３２に連通するオフガス入口（排気ガス導入口）３４と、ハウジング３１の上部に設けられ流路３２に連通するオフガス出口（気体排出口）３５と、ハウジング３１の底部に設けられ流路３２に連通する排水口（液体排出口）３６と、を備えている。
【００６４】
この気液分離器３０では、水分を含むオフガスがオフガス入口３４からハウジング３１内に供給され、流路３２を蛇行しながら上昇していく。オフガス中の水分は空気より比重が大きいので、オフガスが流路３２を流れると、オフガス中の水分（液体）は慣性によって仕切板３３の壁面やハウジング３１の壁面に衝突して付着する。これら壁面に付着した水分は液体となって重力により壁面に沿って落下していき、ハウジング３１の底部に到達し、排水口３６から液体として排出される。一方、水分を除去されたオフガスは飽和状態のオフガスとなってオフガス出口３５から排出される。つまり、この気液分離器３０にオフガスを通すことによって、オフガスは気液分離されて、過剰な水分を除去された飽和状態のオフガスだけがオフガス出口３５から流出し、オフガス中の過剰な水分は液体（水）となって排水口３６から排出される。
【００６５】
気液分離器３０Ａのオフガス入口３４はオフガス管８を介してスタック１に連通し、オフガス出口３５はオフガス管８を介してカソード加湿器ユニット５Ａのオフガス入口９に連通し、排水口３６は排水管３７を介して補助加湿器１４のハウジング１６の内部に連通しており、スタック１から排出されたオフガスがオフガス通路８を介して気液分離器３０Ａに導入され、過剰な水分を除去された飽和状態のオフガスがオフガス管８を介してカソード加湿器ユニット５Ａに供給され、オフガス中の過剰な水分が排水管３７を介して補助加湿器１４のハウジング１６内に供給される。
【００６６】
また、気液分離器３０Ｂのオフガス入口３４はオフガス管１１を介してカソード加湿器ユニット５Ａのオフガス出口１０に連通し、オフガス出口３５はオフガス管１１を介して圧力調整弁１２に接続され、排水口３６は排水管３８を介して補助加湿器１４のハウジング１６の内部に連通している。カソード加湿器ユニット５Ａから排出されたオフガスがオフガス通路１１を介して気液分離器３０Ｂに導入され、過剰な水分を除去された飽和状態のオフガスがオフガス管１１を介して排気され、オフガス中の過剰な水分が排水管３８を介して補助加湿器１４のハウジング１６内に供給される。
【００６７】
補助加湿制御弁１５は、第１実施形態の場合と同様に、水位計２１で検出した水位に基づいてコントローラ（図示略）により開閉制御される。
この第２実施形態の燃料電池用加湿装置においては、カソード加湿器ユニット５Ａの上流のオフガス管８の途中に気液分離器３０Ａを設けたことにより、過剰な水分を除去されたオフガスがカソード加湿器ユニット５Ａの入口ヘッド６２に導入されるので、入口ヘッド６２内および出口ヘッド６３内で凝縮水が生じなくなる。したがって、カソード加湿器ユニット５Ａの中空糸膜６５が凝縮水によって目詰まりを起こすのを未然に防止することができる。また、カソード加湿器ユニット５Ａ内におけるオフガスの流路面積が減少するということも防止できる。その結果、加湿装置の加湿性能が向上し、信頼性も向上する。
【００６８】
この気液分離器３０Ａ，３０Ｂでオフガスから分離抽出した水は、補助加湿器１４のハウジング１６内に回収されて、第１実施形態と同様に、補助加湿用の水として再利用することができる。これにより、始動時などにおいてスタック１の出力電圧を大きくすることができる。しかも、気液分離器３０Ａ，３０Ｂで抽出された水を冷却させずに補助加湿器４８に導入することができるので、外部から熱を与えることなく補助加湿を行うことができる。
【００６９】
〔第３実施形態〕
次に、この発明に係る燃料電池用加湿装置の第３実施形態を図１３を参照して説明する。図１３は、スタック１のアノード側の反応ガス供給システムを示す図である。この実施形態に用いられるアノード加湿器ユニット（水透過型加湿器）５Ｂは、第２実施形態におけるカソード加湿器ユニット５Ａと同じであるので、図中同一態様部分に同一符号を付して説明するものとし、詳細説明は省略する。
【００７０】
燃料供給ガスとしての水素ガスは、途中にエゼクタ４２を備えた水素供給管４１を介して反応ガス入口４からアノード加湿器ユニット５Ｂに供給され、アノード加湿器ユニット５Ｂを通過する際に加湿された後、アノード加湿器ユニット５Ｂの反応ガス出口６から水素供給管４３に流出し、水素供給管４３を介してスタック１のアノードに供給される。アノードに供給された水素の一部が燃料として用いられ、酸化還元反応に供される。水素ガスはその一部が反応に供された後、オフガスとなってスタック１から排出されるが、前述したように、スタック１の固体高分子電解質膜のイオン水和効果によって、カソード側を流れるオフガス中の水分が固体高分子電解質膜を透過し水蒸気となってアノード側を流れる水素のオフガス中に拡散する。
【００７１】
スタック１から排出された水素のオフガスは、途中に気液分離器３０Ｃを備えたオフガス管４４に排出され、このオフガス管４４を介してオフガス入口（排気ガス入口）９からアノード加湿器ユニット５Ｂに供給され、アノード加湿器ユニット５Ｂを通過する際に、オフガス中の水蒸気が反応ガスとしての水素ガスに受け渡され、水素ガスは加湿される。その後、オフガスはアノード加湿器ユニット５Ｂのオフガス出口（排気ガス出口）１０から、途中に気液分離器３０Ｄを備えたオフガス管４５に排出され、エゼクタ４２の二次流体入口に供給される。このエゼクタ４２では、水素供給管４１からエゼクタ４２に供給された水素ガスの流れによって生じる負圧により、オフガス管４５を介して導入されるオフガスが吸引され、水素ガスとオフガスの混合ガスがアノード加湿器ユニット５Ｂに供給される。
【００７２】
気液分離器３０Ｃ，３０Ｄの構成については第２実施形態における気液分離器３０Ａ，３０Ｂと同じであるのでその説明は省略する。気液分離器３０Ｃのオフガス入口３４はオフガス管４４を介してスタック１に連通し、オフガス出口３５はオフガス管４４を介してアノード加湿器ユニット５Ｂのオフガス入口９に連通し、排水口３６は排水管４６を介して後述する補助加湿器４８のハウジング４９の内部に連通しており、スタック１から排出されたオフガスがオフガス通路４４を介して気液分離器３０Ｃに導入され、オフガスは気液分離される。過剰な水分を除去された飽和状態のオフガスがオフガス管４４を介してアノード加湿器ユニット５Ｂに供給され、オフガス中の過剰な水分が液体となって排水管４６を介して補助加湿器４８のハウジング４９内に導入される。
【００７３】
気液分離器３０Ｄのオフガス入口３４はオフガス管４５を介してアノード加湿器ユニット５Ｂのオフガス出口１０に連通し、オフガス出口３５はオフガス管４５を介してエゼクタ４２に接続され、排水口３６は排水管４７を介して補助加湿器４８のハウジング４９の内部に連通しており、アノード加湿器ユニット５Ｂから排出されたオフガスがオフガス通路４５を介して気液分離器３０Ｄに導入され、オフガスは気液分離される。過剰な水分を除去された飽和状態のオフガスがオフガス管４５を介してエゼクタ４２に導入され、オフガス中の過剰な水分が液体となって排水管４７を介して補助加湿器４８のハウジング４９内に導入される。この第３実施形態において、ハウジング４９はこの発明における貯蔵手段を構成している。
【００７４】
水素供給管４１においてエゼクタ４２よりも上流部位と空気供給管４３は、アノード加湿器ユニット５Ｂをバイパスするバイパス管５１によって接続されており、バイパス管５１の途中にはその上流側から順に補助加湿器４８と補助加湿制御弁５２が設けられている。補助加湿器４８の構成は、第１あるいは第２実施形態における補助加湿器１７と同様であり、ハウジング４９の内部に多数の中空糸膜５０が束になって収納されて構成されており、補助加湿制御弁５２が開いている時には、水素供給管４１からバイパス管５１に流れ込んだ水素ガスが中空糸膜５０の内部を通り下流側のバイパス管５１および補助加湿制御弁５２を通って水素供給管４３に流れ込み、アノード加湿器ユニット５Ｂを通過した水素ガスと合流してスタック１に供給される。前述したように、ハウジング４９は、排水管４６，４７を介して気液分離器３０Ｃ，３０Ｄの排水口３６に接続されていて、気液分離器３０Ｃ，３０Ｄにおいてオフガスから分離された液体（水）がハウジング４９内に導入される。この第３実施形態においては、補助加湿器４８とバイパス管５１と補助加湿制御弁５２によって補助加湿手段が構成されている。
【００７５】
補助加湿器４８には、ハウジング４９内の水の水位を検出する水位計５３が取り付けられている。この補助加湿器４８の機能は第１あるいは第２実施形態における補助加湿器１４と同じであり、ハウジング４９内に水を貯水した状態で中空糸膜５０の内部に空気を流すと、中空糸膜５０のイオン水和効果により、ハウジング４９内の水が水蒸気となって中空糸膜５０を透過し中空糸膜５０内の水素ガスに受け渡され、水素ガスを加湿する。
【００７６】
補助加湿制御弁５２は、第１実施形態における補助加湿制御弁１５の場合と同様に、水位計（水位検知手段）５３で検出した水位に基づいて、コントローラ（図示略）により開閉制御される。
【００７７】
この第３実施形態の燃料電池用加湿装置においては、アノード加湿器ユニット５ｂの上流のオフガス管４４の途中に気液分離器３０Ｃを設けたことにより、過剰な水分を除去されたオフガスがアノード加湿器ユニット５ｂの入口ヘッド６２に導入されるので、入口ヘッド６２内および出口ヘッド６３内で凝縮水が生じなくなり、したがって、アノード加湿器ユニット５ｂの中空糸膜６５が凝縮水によって目詰まりを起こすのを未然に防止することができる。アノード加湿器ユニット５ｂ内におけるオフガスの流路面積が減少するということもない。その結果、燃料電池用加湿装置の加湿性能が向上し、信頼性も向上する。
【００７８】
この気液分離器３０Ｃ，３０Ｄでオフガスから分離抽出した水は、補助加湿器４８のハウジング４９内に回収されて、第１および第２実施形態と同様に、補助加湿用の水として再利用することができる。これにより、始動時などにおいてスタック１の出力電圧を大きくすることができる。しかも、気液分離器３０Ｃ，３０Ｄで抽出された水を冷却させずに補助加湿器４８に導入することができるので、外部から熱を与えることなく補助加湿を行うことができる。
【００７９】
〔第４実施形態〕
次に、この発明に係る燃料電池用加湿装置の第４実施形態を図１４および図１５を参照して説明する。この第４実施形態では、前述した加湿器ユニット５Ａへのガス供給方法を変更した点を特徴としており、他の構成は第１実施形態と同様でよい。
【００８０】
第４実施形態では、加湿器ユニット５Ａのガス入口９から反応ガス（空気または水素）が供給され、各中空糸膜モジュール６１中の中空糸膜６５の内部を通過して、ガス出口１０から排出される。一方、ガス入口４からオフガス（湿った空気または湿った水素）が供給され、中空糸膜６５の外面に沿ってハウジング６４内を通過して、ガス出口６から流出する。この過程で、オフガス中の水分の一部が反応ガスへ移り、反応ガスが加湿される。
【００８１】
このようなガス供給方法を採用したことにより、反応ガスから入口ヘッド６２内に生じた水が排水口６７から排出され、出口ヘッド６３内に生じた水が排水口６８から排出される。排水口６７，６８から排出された水は、第１実施形態と同様に、排水制御弁１９，２０を介して補助加湿器１４へと供給される。排水制御弁１９，２０は前述のようにコントローラ（図示略）により制御される。
【００８２】
第１実施形態では、反応ガスが中空糸膜モジュールを通過した際に反応ガスの温度が下がり、反応ガス中の水分が凝結して液体を生じることがある。この液体が反応ガスとともに燃料電池内へ供給されると、燃料電池膜が過剰に加湿されたり、多量の液体によってガス流路が狭められる可能性がある。この現象は、燃料電池の温度が運転時よりも低下する始動時などに起こりやすい。したがって、燃料電池始動時に排水制御弁１９，２０を一定時間解放して凝縮した水を排水することが望ましい。
【００８３】
一方、この第４実施形態によれば、燃料電池へ供給される反応ガスから生じた過剰な液体を除去できるから、燃料電池内へ液体が流入することを抑制でき、燃料電池膜の過加湿や多量の生成水によるガス流路内のフラッディング状態を防止できる利点を有する。
【００８４】
〔第５実施形態〕
次に、この発明に係る第５実施形態を説明する。この実施形態では、図示しないコントローラにより、例えば図１４および図１５に示す、出口ヘッド６３の底部に形成された排水口６８を開閉する排水制御弁１９を制御する。そして、出口ヘッド６３の内部に水が溜まった時、または溜まる前に、排水制御弁１９を一定時間開くようにする。排水制御弁１９を開閉するタイミングは、第１実施形態で用いた水詰まり検知手段により決定すればよく、特に好ましくは、燃料電池セルの出力が所定電圧（例えば０．３Ｖ）未満となった場合に、単セルが目詰まりを起こしたと判断し、排水制御弁１９を開く。これにより、燃料電池へ供給される反応ガス中の水分量（液体量）を減らすことができ、燃料電池のガス流路内の目詰まりを回復することができるから、燃料電池を常に安定した加湿状態で運転することが可能となる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の第１態様によれば、排出ガス流入口に溜まった液体を液体排出機構で排出することにより、水で閉塞される中空糸膜をなくすか、若しくは減少させることができるので、加湿に寄与できる中空糸膜を多くすることができるとともに、排出ガスの流路面積の減少を抑制し、排出ガスの圧力損失の上昇を抑制することができる。
【００８６】
前記排気ガス流入口の水詰まりを検知する水詰まり検知手段を備え、前記液体排出機構は前記水詰まり検知手段の検知結果に応じて制御されるようにした場合には、中空糸膜の水詰まりが広がらないうちに排出ガス入口に溜まった液体を確実に排出することができ、信頼性が向上する。
【００８７】
前記排出された液体を蓄えておく貯蔵手段と、前記貯蔵手段に蓄えられた液体を利用して前記反応ガスを補助加湿する補助加湿手段を備えている場合には、排出された液体を再利用して反応ガスを補助加湿するから、加湿性能がさらに向上するという効果が奏される。
【００８８】
前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電力検出手段と、この出力電力検出手段により検出された出力電力が所定値未満の時に前記液体排出機構によって液体を排出するコントローラとをさらに具備する場合には、燃料電池の出力電圧が低下した場合に、反応ガス中の水がガス流路内に溜まっていると判断して、前記液体排出機構により効率的に液体を排出することができる。
【００８９】
本発明の他の態様の燃料電池用加湿装置は、中空糸膜モジュールの一端側に前記反応ガスを前記中空糸膜の内側から排出させる供給ガス流出口が形成され、前記供給ガス流出口から流出した前記反応ガスから生じた液体を排出する液体排出機構が設けられているから、中空糸膜を通過した際に反応ガスの温度が下がり、反応ガス中の水分が凝縮した場合にも、燃料電池へ供給する前に反応ガス中の液体を排出して、燃料電池内へ凝縮水を供給しないようにすることができる。したがって、燃料電池膜の過加湿や、多量の生成水によるガス流路内の閉塞を未然に防止できる。
【００９０】
前記供給ガス流出口の水詰まりを検知する水詰まり検知手段を備え、前記液体排出機構は前記水詰まり検知手段の検知結果に応じて制御される場合には、供給ガス流出口に水が溜まったことを検知し、前記液体排出機構により効率的に水を排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料電池用加湿装置の第１実施形態のブロック図である。
【図２】 第１実施形態におけるカソード加湿器ユニットの断面図である。
【図３】 図２のIII−III線断面図である。
【図４】 第１実施形態におけるカソード加湿器ユニットの変形例における図３に相当する断面図である。
【図５】 燃料電池の出力電圧と開弁間隔規定時間との関係の一例を示す図である。
【図６】 第１実施形態における燃料電池用加湿装置の補助加湿処理のフローチャートである。
【図７】 第１実施形態における燃料電池用加湿装置の補助加湿処理のフローチャートである。
【図８】 第１実施形態における燃料電池用加湿装置の補助加湿処理のフローチャートである。
【図９】 第１実施形態における燃料電池用加湿装置の補助加湿処理のフローチャートである。
【図１０】 第１実施形態における燃料電池用加湿装置の補助加湿処理のフローチャートである。
【図１１】 この発明に係る燃料電池用加湿装置の第２実施形態のブロック図である。
【図１２】 第２実施形態における気液分離器の概略断面図である。
【図１３】 この発明に係る燃料電池用加湿装置の第３実施形態のブロック図である。
【図１４】 第４実施形態におけるカソード加湿器ユニットの断面図である。
【図１５】 図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。
【図１６】 従来の燃料電池用加湿装置のブロック図である。
【図１７】 従来の燃料電池用加湿装置の断面図である。
【符号の説明】
１・・・スタック（燃料電池）
４・・・供給反応ガス入口４
５Ａ・・・カソード加湿器ユニット（水透過型加湿器）
５Ｂ・・・アノード加湿器ユニット（水透過型加湿器）
６・・・供給反応ガス出口
８・・・オフガス管（排出ガス流路）
９・・・オフガス入口（排出ガス入口）
１０・・・オフガス出口（排出ガス出口）
１３・・・バイパス管（補助加湿手段）
１４・・・補助加湿器（補助加湿手段）
１５・・・補助加湿制御弁（補助加湿手段）
１６・・・ハウジング（貯蔵手段）
１９・・・排水制御弁（液体排出手段）
２１・・・水位計（水位検知手段）
３０Ａ，３０Ｃ，・・・気液分離器（気液分離手段）
３４・・・オフガス入口（排出ガス導入口）
３５・・・オフガス出口（気体排出口）
３６・・・排水口（液体排出口）
４４・・・オフガス管（排出ガス流路）
４８・・・補助加湿器（補助加湿手段）
４９・・・ハウジング（貯蔵手段）
５１・・・バイパス管（補助加湿手段）
５２・・・補助加湿制御弁（補助加湿手段）
５３・・・水位計（水位検知手段）
６１・・・中空糸膜モジュール
６２・・・入口ヘッド（排出ガス流入口）
６３・・・出口ヘッド（排出ガス流出口）
６４・・・ハウジング
６５・・・中空糸膜
６７・・・排水口（液体排出手段）
ステップＳ１０３・・・水詰まり検知手段

Claims (10)

1. 燃料電池用加湿装置であって、
   複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、この中空糸膜束を収容するハウジングとを有し、前記ハウジングの内部であって前記中空糸膜の外側に、燃料電池へ供給する反応ガスを流通させ、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池から排出された排出ガスを流通させることにより、前記排出ガス中の水分を前記中空糸膜を介して前記反応ガスに移行させて加湿する中空糸膜モジュールを具備し、
   前記中空糸膜モジュールの一端側には、前記排出ガスを前記中空糸膜の内側に流入させる排出ガス流入口が形成され、
   前記排出ガス流入口に流入する前記排出ガスから生じた液体を排出する液体排出機構が設けられていることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
2. 請求項１の燃料電池用加湿装置であって、前記排気ガス流入口の水詰まりを検知する水詰まり検知手段を備え、前記液体排出機構は前記水詰まり検知手段の検知結果に応じて制御されることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
3. 請求項１の燃料電池用加湿装置であって、前記排出された液体を蓄えておく貯蔵手段と、前記貯蔵手段に蓄えられた液体を利用して前記反応ガスを補助加湿する補助加湿手段を備えることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
4. 請求項１の燃料電池用加湿装置であって、前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電力検出手段と、この出力電力検出手段により検出された出力電力が所定値未満の時に前記液体排出機構によって液体を排出するコントローラとを具備することを特徴とする燃料電池用加湿装置。
5. 燃料電池用加湿装置であって、
   複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、この中空糸膜束を収容するハウジングとを有し、前記ハウジングの内部であって前記中空糸膜の外側に、燃料電池から排出された排出ガスを流通させるとともに、前記中空糸膜の内部に前記燃料電池へ供給する反応ガスを流通させることにより、前記排出ガス中の水分を前記中空糸膜を介して前記反応ガスに移行させて加湿する中空糸膜モジュールを具備し、前記中空糸膜モジュールの一端側には、前記反応ガスを前記中空糸膜の内側から排出させる供給ガス流出口が形成され、
   前記供給ガス流出口から流出した前記反応ガスから生じた液体を排出する液体排出機構が設けられていることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
6. 請求項５の燃料電池用加湿装置であって、前記供給ガス流出口の水詰まりを検知する水詰まり検知手段を備え、前記液体排出機構は前記水詰まり検知手段の検知結果に応じて制御されることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
7. 請求項５の燃料電池用加湿装置であって、前記燃料電池の出力電力を検出する出力電力検出手段と、この出力電力検出手段により検出された出力電力が所定値未満の時に、前記液体排出機構によって水を排出するコントローラとを具備することを特徴とする燃料電池用加湿装置。
8. 燃料電池システムであって、
   反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池より排出された排出ガスに含まれる水分によって前記反応ガスを加湿する水透過型加湿器とを備え、
   前記燃料電池は、固体高分子膜の両側にアノードとカソードとを備えた電極膜構造体と、前記電極膜構造体の両側にそれぞれ反応ガスを供給するガス流路と、前記電極膜構造体を両側から支持するセパレータとを積層して構成され、
   前記水透過型加湿器は、複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、この中空糸膜束を収容するハウジングとを具備した中空糸膜モジュールであり、前記中空糸膜の内側に、前記排出ガスおよび前記反応ガスの一方を流通させ、前記中空糸膜の外側に前記排出ガスおよび前記反応ガスの他方を流通させることにより、前記排出ガス中の水分を前記中空糸膜を介して前記反応ガスに移行させて加湿するものであり、
   さらに、この水透過型加湿器は、前記排出ガスまたは前記反応ガスの少なくとも一方から生じた水を該水透過型加湿器から排出する液体排出機構と、該水透過型加湿器の水詰まりを予防もしくは解消するように前記液体排出機構を制御するコントローラとを具備することを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項８の燃料電池システムであって、前記中空糸膜モジュールの一端側には、前記排出ガスを前記中空糸膜モジュールに流通させる流出ガス流入口が形成され、前記中空糸膜モジュールの他端側には、前記排出ガスを前記中空糸膜モジュールから排出させる排出ガス流出口が形成され、前記液体排出機構は、前記排出ガス流入口に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項８の燃料電池システムであって、前記中空糸膜モジュールの一端側には、前記反応ガスを前記中空糸膜モジュールに流通させる反応ガス流入口が形成され、前記中空糸膜モジュールの他端側には、前記反応ガスを前記中空糸膜モジュールから排出させる反応ガス流出口が形成され、前記液体排出機構は、前記反応ガス流出口に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。

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