JP2001216984A

JP2001216984A - 燃料電池用加湿システム

Info

Publication number: JP2001216984A
Application number: JP2000023223A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Katagiri; 敏勝片桐; Hiroshi Shimanuki; 寛士島貫; Mikihiro Suzuki; 幹浩鈴木; Yoshio Kusano; 佳夫草野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】反応ガスを露点要求に応じて適度に加湿する
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】反応に使用される反応ガスを、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、燃料電池１の要求加湿量に応じて加湿量を制御する
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りものであり、特
に、水分透過型加湿装置を備えた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、前述したようにオフガスは
多くの水分を含んでいるため、このオフガスで反応ガス
を加湿し続けると、燃料電池内において水がリッチな状
態が続き、その結果燃料電池内の固体高分子膜間に形成
された隙間に結露した水が溜まり、ガス流路が目詰まり
起こし発電能力が低下するという問題がある。そこで、
この発明は、反応ガスを露点要求に応じて適度に加湿す
る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、反応に使用される反応
ガスを、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、燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）
の要求加湿量に応じて加湿量を制御することを特徴とす
る。このように構成することで、燃料電池に供給される
全反応ガスに対して加湿装置を通過する反応ガスの割合
を増加させたり、燃料電池から排出される全オフガスに
対して加湿装置を通過するオフガスの割合を増加させる
ことにより、燃料電池からの要求加湿量（露点）に応じ
て加湿量を増加することができる。一方、燃料電池に供
給される全反応ガスに対して加湿装置を通過する反応ガ
スの割合を減少させたり、燃料電池から排出される全オ
フガスに対して加湿装置を通過するオフガスの量を減少
させることにより、燃料電池からの要求加湿量に応じて
加湿量を減少させることができる。

【０００５】請求項２に記載した発明は、加湿装置を経
て燃料電池に至る反応ガス供給路（例えば、実施形態に
おける反応ガス供給路３）に、加湿装置をバイパスする
反応ガスバイパス路（例えば、実施形態における反応ガ
スバイパス路２１）を流量調整可能に設けたことを特徴
とする。このように構成することで、反応ガスバイパス
路を流れる反応ガスの量を増加させると、燃料電池に供
給される全反応ガスのうち加湿装置を通過して加湿され
た反応ガスの量を相対的に減少させることができる。ま
た、反応ガスバイパス路を流れる反応ガスの量を減少さ
せると、燃料電池に供給される全反応ガスのうち加湿装
置を通過して加湿された反応ガスの量を相対的に増加さ
せることができる。

【０００６】請求項３に記載した発明は、燃料電池から
加湿装置を経て排出されるオフガス排出路（例えば、実
施形態におけるオフガス排出路５）に、加湿装置をバイ
パスするオフガスバイパス路（例えば、実施形態におけ
るオフガスバイパス路２４）を流量調整可能に設けたこ
とを特徴とする。このように構成することで、オフガス
バイパス路を流れるオフガスの量を増加させると、燃料
電池から排出される全オフガスのうち加湿装置を通過し
て反応ガスを加湿するオフガスの量を相対的に減少させ
ることができる。また、オフガスバイパス路を流れるオ
フガスの量を減少させると、燃料電池から排出される全
オフガスのうち加湿装置を通過して反応ガスを加湿する
たオフガスの量を相対的に増加させることができる。

【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。そ
して、固体高分子膜を加湿して導電性を高めるために後
述する加湿装置が用いられるのである。

【０００８】燃料電池１のガス入口２には、反応に使用
される反応ガス（空気あるいは水素ガス）の反応ガス供
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。ここで、燃料電
池１内で反応に使用されるガスは空気として取り入れら
れる酸素と、別途供給される水素とがあるが、ここでは
空気側で説明する。上記反応ガス供給路３とオフガス排
出路５とにまたがって、反応ガスである空気を、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にはその側壁に反応ガス入口１
０と反応ガス出口１１が各々形成され、この反応ガス入
口１０と反応ガス出口１１とはケーシング７内の各中空
糸膜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、
前記反応ガス入口１０と反応ガス出口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
成された反応ガスポート１３とオフガスポート１４と
が、各々前記ケーシング７の反応ガス入口１０、反応ガ
ス出口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の反応ガスポート１３とオフガス
ポート１４とが前記反応ガス供給路３とオフガス排出路
５とに各々接続さている。ここで、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。尚、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から各中空糸膜内に湿潤したガスが供給
されると、中空糸膜に形成された毛管内においてに水分
が凝縮し（ケルビンの毛管凝縮式に基づく）、この水分
は分離透過される。この透過した水分は、前記反応ガス
ポート１３から送られてくる乾燥空気と接触すること
で、これを加湿するのである。したがって、ケーシング
７の多端側の反応ガスポート１４から出る反応ガスであ
る空気は加湿された状態となる。

【００１２】図１において、前記反応ガス供給路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。ここで反応ガス供給
路３であって、加湿装置６と燃料電池１のガス入口２と
の間には、燃料電池１内に供給される乾燥エアーの露点
を測定する露点計１９が設けられている。尚、燃料電池
１には各中空糸膜の電圧を測定するための電圧計２０が
設けられている。

【００１３】そして、上記加湿装置６を経て燃料電池１
に至る反応ガス供給路３に、加湿装置６をバイパスする
反応ガスバイパス路２１が設けられている。ここでこの
反応ガスバイパス路２１には、反応ガスのバイパス流量
を調整可能な流量調整弁２２が取り付けられ、この流量
調整弁２２と前記露点計１９と電圧計２０とが制御装置
２３を介して接続されている。

【００１４】次に、上記第１実施形態における加湿され
た反応ガスの露点制御を図３のフローチャートに基づい
て説明する。ステップＳ１において、燃料電池１内の各
固体高分子膜の電圧（電圧計２０の測定結果）であるセ
ル電圧が閾値Ｖより大きいか否かを判定する。判定の結
果、セル電圧が閾値Ｖより大きい場合にはステップＳ２
に進む。ステップＳ１における判定の結果、セル電圧が
閾値Ｖ以下である場合はステップＳ３に進む。

【００１５】このようにセル電圧による判別を行なうの
は次の理由による。燃料電池１内は湿潤した状態になっ
ているが、一旦、燃料電池１内が結露した場合には、露
点が低下するため後述するように別のマップ（低露点運
転用のマップ）を検索しなければならないからである。
したがって、ステップＳ２とステップＳ３ではその時点
での出力における露点をマップ検索するのだが、ステッ
プＳ２では通常露点用のマップを用いるのに対して、ス
テップＳ３においては低露点用のマップを検索するので
ある。

【００１６】そして、ステップＳ４に進み、ここでステ
ップＳ２あるいはステップＳ３で検索した現状の露点が
閾値ＳＶ（燃料電池１の要求加湿量である、例えば出力
１０ｋｗ〜６０ｋｗで露点５０℃〜７０℃）より大きい
か否かを判定する。ステップＳ４における判定の結果、
現状の露点が閾値ＳＶより大きい場合は、露点を下げる
ためにステップＳ５において流量調整弁２２を開動作さ
せる。これにより、燃料電池１内に供給される乾燥空気
の量が増加するため、加湿装置６を通過する乾燥空気の
相対量が減り、露点は下がる。一方、ステップＳ４にお
ける判定の結果、現状の露点が閾値ＳＶ以下である場合
は、露点を上げるためにステップＳ６において流量調整
弁２を閉動作させる。これにより、加湿装置６を通過す
る乾燥空気の量が増加し、燃料電池１内に供給される乾
燥空気の相対量が減少するため、露点は上がる。

【００１７】そして、この作動を繰り返し、反応ガスバ
イパス路２１を流れる乾燥空気の量を調整することで加
湿装置６に流れる乾燥空気の量を増減させて、常に最適
な露点（要求露点）を維持し、燃料電池１内において結
露が生じ発電能力が低下しないよう、最適な状態で燃料
電池１が作動するのである。また、この実施形態では、
燃料電池１から排出されるオフガス内の水分を有効利用
して再度燃料電池１内に供給しているため、排出される
水分を少なくできるメリットがある。よって、搭載スペ
ースに制約がある燃料電池自動車用として用いた場合に
好適である。

【００１８】次に、この発明の第２実施形態を図４に基
づいて説明する。同図において、燃料電池１には反応ガ
ス供給路３とオフガス排出路５が接続され、反応ガス供
給路３とオフガス排出路５には、反応ガスにオフガスの
水分を供給する加湿装置６が設けられている点、反応ガ
ス供給路３にはスーパーチャージャー１６と露点計１９
が設けられ、オフガス排出路５には圧力調整弁１８が設
けられている点などの基本的構成は前記第１実施形態と
同様である。ここで、前記オフガス排出路５には、第１
実施形態の反応ガスバイパス路２１に替えて加湿装置６
をバイパスするオフガスバイパス路２４が設けられてい
る。そして、このオフガスバイパス路２４には、オフガ
スバイパス路２４を流れるオフガスの流量を調整する流
量調整弁２２が設けられている。

【００１９】したがって、この実施形態によれば、前記
オフガスバイパス路２４を流れるオフガスの量を流量調
整弁２２で調整することで、反応ガスへの加湿量を調整
できる。つまり、流量調整弁２２を閉動作させれば、加
湿装置６へのオフガスの量は増加するため、加湿量を増
加させることができ、一方、流量調整弁２２を開動作す
れば、バイパスされるオフガス量が増加するため、加湿
装置６へのオフガスの相対量が減少するため、加湿量を
減少させることができる。

【００２０】前記第１実施形態において説明した図３に
示すフローチャートは、ステップＳ５とステップＳ５に
おける流量調整弁２２の開動作、ステップＳ６における
流量調整弁２２の閉動作における開度が異なる以外は、
そのままこの第２実施形態ににおいても適用することが
できるので、当該第２実施形態のフローチャートとして
援用する。よって、この第２実施形態においても、オフ
ガスバイパス路２４を流れるオフガスの量を調整するこ
とで加湿装置６に流れ込むオフガスの露点を常に最適
（要求露点）に維持し、燃料電池１内において結露が生
じ発電能力が低下しないよう、最適な状態で燃料電池１
を作動させるのである。

【００２１】次に、図５〜図８に示すのは、上記第１実
施形態における露点計２０に変えて圧力計２５を用いた
場合の実施形態である。よって、前記第１実施形態と同
一部分に同一符号を付して説明は省略する。勿論、第２
実施形態に適用することもできる。この実施形態では、
露点計に比較して安価な圧力計２５を用いることで対応
している。これを図６に基づいて説明する。燃料電池１
（図６にはＦＣと記載）のガス入口２の圧力と出力の関
係を調べると、無加湿つまり加湿していない反応ガスを
使用した場合と、露点７０℃、露点８０℃の反応ガスを
使用した場合では、各出力でのガス入口２の圧力が異な
ることが知られている。

【００２２】図７に示すように出力Ａでは無加湿の場合
との圧力差と露点とは相関関係が有り、また、図８に示
すように出力Ｂでも、無加湿の場合との圧力さと露点と
が相関関係があることがわかる。これにより、無加湿状
態での出力、燃料電池１のガス入口２の圧力、露点を既
値として、現在のガス入口２の圧力を調べれば、現在の
露点が求まるのである。具体的には、前記出力、圧力、
露点からなる３次元マップから、圧力と出力を与えれ
ば、露点が求まるのである。したがって、この実施形態
においては前述各実施形態に加えて、安価な圧力計２５
を用いて低コストで、露点制御を行なうことができる。

【００２３】次に、図示しないが前記圧力調整弁１８を
用いて、露天計２０を使用しないで、露点制御を行なう
場合について説明する。前記各実施形態において反応ガ
スが加湿されるとガス流量は増加するため、スーパーチ
ャージャー１７の回転数を一定にした場合には系内の圧
力が増加する。このため、前記各実施形態において説明
した圧力調整弁２２を開閉することでこれを調整してい
るが、この調整量、つまり圧力調整弁２２の開閉の度合
いから露点を知ることができるのである。つまり、現在
の状態から、圧力調整弁２２を開く方向にフィードバッ
クがなされたとすると、露点が高かったから低く調整し
たことになる。つまり、予め、露点と出力と圧力調整弁
２２の開度との関係をマップ化しておけば、圧力調整弁
２２の開き量、閉じ量から露点を推定することができる
のである。このようにすることでも、露点計２０を用い
ないで露点制御を行なうことができる。ここで、この実
施形態は第１実施形態と第２実施形態とに適用すること
ができる。

【００２４】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、燃料ガスとして用いられる水素用
の加湿システムとして使用できる。また、流量調整弁２
２は加湿装置６に供給される反応ガス（第１実施形態）
やオフガス（第２実施形態）の流量を調整できれば、反
応ガスバイパス路２１あるいはオフガスバイパス路２４
以外の場所に設けるようにしても良い。

【００２５】

【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、燃料電池に供給される全反応ガス
に対して加湿装置を通過する反応ガスの割合を増加させ
たり、燃料電池から排出される全オフガスに対して加湿
装置を通過するオフガスの割合を増加させることによ
り、燃料電池からの要求加湿量に応じて加湿量を増加す
ることができ、また、燃料電池に供給される全反応ガス
に対して加湿装置を通過する反応ガスの割合を減少させ
たり、燃料電池から排出される全オフガスに対して加湿
装置を通過するオフガスの量を減少させることにより、
燃料電池からの要求加湿量に応じて加湿量を減少させる
ことができるため、燃料電池内を最適な加湿状態に維持
することができ、したがって、燃料電池を最も効率の良
い状態で使用することができるという効果がある。

【００２６】請求項２に記載した発明によれば、反応ガ
スバイパス路を流れる反応ガスの量を増加させると、燃
料電池に供給される全反応ガスのうち加湿装置を通過し
て加湿された反応ガスの量を相対的に減少させることが
でき、また、反応ガスバイパス路を流れる反応ガスの量
を減少させると、燃料電池に供給される全反応ガスのう
ち加湿装置を通過して加湿された反応ガスの量を相対的
に増加させることができるため、反応ガスバイパス路を
流れる反応ガスの量を燃料電池の要求加湿量に応じて調
整して、燃料電池を最も効率の良い状態で使用すること
ができるという効果がある。

【００２７】請求項３に記載した発明によれば、オフガ
スバイパス路を流れるオフガスの量を増加させると、燃
料電池から排出される全オフガスのうち加湿装置を通過
して反応ガスを加湿するオフガスの量を相対的に減少さ
せることができ、また、オフガスバイパス路を流れるオ
フガスの量を減少させると、燃料電池から排出される全
オフガスのうち加湿装置を通過して反応ガスを加湿する
オフガスの量を相対的に増加させることができるため、
オフガスバイパス路を流れるオフガスの量を燃料電池の
要求加湿量に応じて調整して、燃料電池を最も効率の良
い状態で使用することができるという効果がある。

【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】この発明の各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実施形態及び第２実施形態の
フローチャート図である。

【図４】この発明の第２実施形態の模式図である。

【図５】この発明の第３実施形態の模式図である。

【図６】この発明の第３実施形態のグラフ図である。

【図７】この発明の第３実施形態のグラフ図である。

【図８】この発明の第３実施形態のグラフ図である。

【符号の説明】

１燃料電池３反応ガス供給路６加湿装置２１反応ガスバイパス路２４オフガスバイパス路

───────────────────────────────────────────────────── 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 (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Ｆターム(参考） 3D035 AA03 BA01 5H026 AA06 5H027 AA06 MM04 MM09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応に使用される反応ガスを、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、
燃料電池の要求加湿量に応じて加湿量を制御することを
特徴とする燃料電池用加湿システム。
【請求項２】加湿装置を経て燃料電池に至る反応ガス
供給路に、加湿装置をバイパスする反応ガスバイパス路
を流量調整可能に設けた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。
【請求項３】燃料電池から加湿装置を経て排出される
オフガス排出路に、加湿装置をバイパスするオフガスバ
イパス路を流量調整可能に設けた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。