JP2001256989A

JP2001256989A - 燃料電池の加湿装置

Info

Publication number: JP2001256989A
Application number: JP2000064021A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kanai; 靖司金井; Hideo Okamoto; 英夫岡本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2001-09-21

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池始動時にも燃料電池を加湿すること
のできる加湿装置を提供する。【解決手段】水透過型加湿器２とは別に、燃料電池オ
フガス中の水を回収する水回収装置と、該水回収装置の
回収水により供給ガスを加湿する補助加湿手段とを設け
た。水回収装置は気液分離器３及び回収水貯蔵タンク４
から構成し、補助加湿手段は、逆止弁６，回収水供給ポ
ンプ７，補助加湿用配管１３，及びインジェクタ１７か
ら構成した。燃料電池始動時は、回収水貯蔵タンク４内
の回収水を回収水供給ポンプ７によって移送し、インジ
ェクタ１７で霧状して燃料電池１の吸気側に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水透過型加湿器を
備えた燃料電池の加湿装置に係わり、特に、燃料電池始
動時における燃料電池の加湿に有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、固体高分子膜を電解質膜として
用いた燃料電池には、固体高分子膜を飽和含水状態に維
持し、プロトン（水素イオン）導電性電解質としての機
能を確保する必要から、燃料電池からの排出ガス（オフ
ガス）中に含まれる水分を回収し、この回収水によって
燃料電池への供給ガス（水素ガス，酸素ガス）を加湿す
る水透過型加湿器が設けられる。

【０００３】この種の水透過型加湿器としては、例え
ば、特開平７−７１７９５号および特開平８−２７３６
８７号公報にあるように、膜厚方向の水透過を許容する
中空糸膜を備えた中空糸膜水回収装置が知られている。
この中空糸膜水回収装置では、中空糸膜の内外を流通す
る流体の一方から水が回収され、この回収水が中空糸膜
を透過して他方の流体へ移動することによって、該他方
の流体が加湿される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、中空糸
膜水回収装置を備えた燃料電池システムにおいては、燃
料電池を運転した際に発生し、該燃料電池から排出され
てきた生成水を中空糸膜を介して回収し、燃料電池に加
湿用の水として使用するため、燃料電池システムを停止
状態のまま長期間放置したとき等、中空糸膜が乾燥して
いると、燃料電池を加湿することができなくなるため、
発電を開始することができないという問題がある。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、燃料電池始動
時にも効果的に燃料電池を加湿することのできる燃料電
池の加湿装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は以下の構成を採用した。請求項１の発明
は、燃料電池（１）から排出された排出ガス中の水を回
収して前記燃料電池への供給ガスを加湿する水透過型加
湿器（中空糸膜水回収装置２）を備えた燃料電池の加湿
装置において、前記水透過型加湿器とは別に、前記排出
ガス中の水を回収する水回収装置（気液分離器３，回収
水貯蔵タンク４）と、該水回収装置の回収水（９）によ
り前記供給ガスを加湿する補助加湿手段（逆止弁６，回
収水供給ポンプ７，補助加湿用配管１３，及びインジェ
クタ１７）とを設けたことを特徴としている。

【０００７】この構成によれば、燃料電池始動時に水透
過型加湿器による燃料電池への供給ガスの加湿が行えな
くても、水透過型加湿器とは別に設けられた補助加湿手
段によって、供給ガスを加湿することが可能になる。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電
池の加湿装置において、前記補助加湿手段は、燃料電池
始動時に所定期間作動することを特徴としている。

【０００９】この構成によれば、水透過型加湿器による
加湿が可能になった後は、補助加湿手段による加湿から
水透過型加湿器のみの加湿に切り換えることによって、
無駄な電力消費を削減することが可能になる。

【００１０】請求項３の発明は、請求項２記載の燃料電
池の加湿装置において、前記所定期間を、始動から所定
時間、または、発電電圧が所定以上になるまで、また
は、加湿量が所定以上になるまで、または、供給ガスの
露点が所定以上になるまでのいずれかに設定したことを
特徴としており、この構成によれば、必要充分な加湿量
が与えられる。

【００１１】請求項４の発明は、請求項１〜請求項３記
載の燃料電池の加湿装置において、前記水回収装置は、
前記排出ガスから水を分離する気液分離器（３）と、該
気液分離器で分離した水を貯蔵する回収水貯蔵タンク
（４）とを備えることを特徴としている。

【００１２】この構成によれば、燃料電池から排出され
た排出ガス中の水は、気液分離器にて分離され、回収水
貯蔵タンクに貯蔵される。そして、燃料電池始動時は、
補助加湿手段が回収水貯蔵タンクの回収水を使用して燃
料電池への供給ガスを加湿する。

【００１３】請求項５の発明は、請求項１〜請求項４の
いずれかに記載の燃料電池の加湿装置において、前記補
助加湿手段は、前記水透過型加湿器の上流または前記燃
料電池のガス供給側へ水を供給することを特徴としてい
る。

【００１４】補助加湿手段が水を水透過型加湿器のガス
供給側に供給する構成によれば、通常発電時と同様に、
水透過型加湿器による供給ガスの加湿が可能になる。他
方、補助加湿手段が水を燃料電池のガス供給側に供給す
る構成によれば、水透過型加湿器をバイパスして、補助
加湿手段によって供給ガスを直接加湿することが可能に
なる。

【００１５】請求項６の発明は、請求項１〜請求項５の
いずれかに記載の燃料電池の加湿装置において、前記水
回収装置は、水位検出手段を有し、該水位検出手段によ
り検出した水位が所定以上の時は回収水を排出すること
を特徴している。

【００１６】この構成によれば、余剰回収水が系内に溜
まり込むことなく、自動的に排出される。

【００１７】請求項７の発明は、請求項１〜請求項６の
いずれかに記載の燃料電池の加湿装置において、前記水
回収装置は、水位検出手段を有し、該水位検出手段によ
り検出した水位が所定以下の時は前記補助加湿手段の作
動を停止することを特徴としている。

【００１８】この構成によれば、水回収装置内の水位が
所定以下になった時、すなわち、回収水が不足して補助
加湿手段による加湿が行えなくなった時には、その作動
を停止させることによって、無駄な電力消費をなくすこ
とが可能になる。

【００１９】請求項８の発明は、請求項１〜請求項７の
いずれかに記載の燃料電池の加湿装置において、前記水
回収装置又は／及び前記補助加湿手段に、回収水の凍結
を防止する凍結防止手段（電気ヒータ、または、水温
計，加湿水補充タンク１８，加湿水補充弁２０，三方弁
２１，及び凍結防止用加湿水循環用配管２２）を設けた
ことを特徴としている。

【００２０】この構成によれば、低外気温時であって
も、回収水を凍結させることなく、供給ガスを加湿する
ことが可能になる。

【００２１】請求項９の発明は、請求項８記載の燃料電
池の加湿装置において、前記凍結防止手段は、回収水の
温度が所定温度以下（例えば、３℃以下）の時に作動す
ることを特徴としている。

【００２２】この構成によれば、回収水が凍結するおそ
れのない時は、凍結防止手段が作動しないので、無駄な
電力消費を削減することが可能になる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実
施の形態について説明する。［第１の実施の形態］図１は第１の実施の形態に係る加
湿装置を備えた燃料電池システムの要部を示すシステム
構成図、図２は図１に示す気液分離器の一構成例を示す
断面図、図３は図１に示す回収水貯蔵タンクの一構成例
を示す断面図であり、図１中、符号１は燃料電池を示し
ている。

【００２４】燃料電池１の空気極には、燃料電池１への
供給ガス（吸入外気）を該燃料電池１に移送する吸気用
配管１１と、燃料電池１からの排出ガス（オフガス）を
移送して排気する排気用配管１２とが接続されている。
吸気用配管１１には、中空糸膜水回収装置（水透過型加
湿器）２，及びインジェクタ１７が介在し、また、排気
用配管１２には、中空糸膜水回収装置２，気液分離器
３，及び空気極背圧調整弁５が介在している。

【００２５】気液分離器３からは、回収水貯蔵タンク
４，逆止弁６，及び三方弁２１を介在させて前記インジ
ェクタ１７に接続される補助加湿用配管１３が分岐して
いる。さらに、三方弁２１からは、加湿水補充タンク１
８，及び加湿水補充弁２０を介在させて前記回収水貯蔵
タンク４に接続される凍結防止用加湿水循環配管２２が
分岐している。なお、回収水貯蔵タンク４，加湿水補充
タンク１８，及び補助加湿用配管１３は、保温性向上の
観点から、耐熱樹脂製等とされている。

【００２６】気液分離器３は、図２に示すように、圧損
をできるだけ少なくするために円筒形の内部構造とされ
ていて、その材質は、耐腐食性と放熱性の双方を勘案し
てステンレス・スチール等とされている。また、気液分
離器３の内部には螺旋状の整流板２４が設けられてお
り、燃料電池１からのオフガス中に含まれる水蒸気が気
液分離器本体及び整流板２４の壁面に触れると、容易に
凝縮するようになっている。

【００２７】さらに、その凝縮効果は、気液分離器３の
外周に設けられた冷却用フィン２３によって一層高めら
れている。なお、中空糸膜水回収装置２と気液分離器３
を一体化することによって、両者を繋ぐ排気用配管１２
での圧損を抑えると共に、該排気用配管１２内で発生し
た凝縮水を気液分離器３へ流すようにしてもよい。

【００２８】次に、本実施の形態による加湿装置の作用
を概説する。燃料電池運転中、燃料電池１の空気極から
はオフガスが排出されており、このオフガスに含まれる
水分は、給気用配管１１及び排気用配管１２の双方に跨
って設けられた中空糸膜水回収装置２にて一部が回収さ
れた後、中空糸膜水回収装置２よりも排気側に設けられ
た気液分離器３にて未回収水分の一部が回収される。

【００２９】気液分離器３で凝縮した回収水９は、回収
水貯蔵タンク４に流れ込む。回収水貯蔵タンク４内に
は、図３に示すように回収水供給ポンプ７が設けられて
おり、燃料電池始動時は、この回収水供給ポンプ７を所
定時間、または、発電電圧が所定以上になるまで、また
は、加湿量が所定以上になるまで、または、燃料電池１
への供給ガスの露点が所定以上になるまで、のいずれか
の条件を満たすまで運転し、燃料電池１の補助加湿を行
う。

【００３０】回収水貯蔵タンク４内の回収水量は、レベ
ルセンサやレベルスイッチ等の回収水量検出装置１０で
検出される。回収水９の水位が上限値を上回った場合に
は、ドレンバルブ８を開いて所定水位になるまで回収水
９を外部、または、加湿水補充タンク１８へ排出する。
逆に、回収水９の水位が下限値を下回った場合には、加
湿水補充タンク１８より水補給を行い、所定水位に回復
させる。

【００３１】回収水貯蔵タンク４および加湿水補充タン
ク１８内には水温計（図示略）が設けられており、水温
が所定の温度（例えば、３℃）を下回った場合には、三
方弁２１を回収水貯蔵タンク４から加湿水補充タンク１
８側へと開くと共に、回収水供給ポンプ７を間欠的に運
転することによって、回収水貯蔵タンク４と加湿水補充
タンク１８の間で回収水９を循環させ、回収水９の凍結
を防止する。

【００３２】回収水貯蔵タンク４内の回収水９は、ガス
の逆流を防止する逆止弁６を経てインジェクタ１７で霧
状にされ、吸気用配管１１を通って燃料電池１の空気極
に供給される。これにより、燃料電池始動時、つまり、
中空糸膜が乾燥しているために中空糸膜水回収装置２に
よっては燃料電池１を加湿できない場合にも、燃料電池
１を加湿し得るようになるから、発電開始までの時間を
短縮することができる。

【００３３】以上説明したように、本実施の形態におい
ては、回収水供給ポンプ７，補助加湿用配管１３，逆止
弁６，及びインジェタ１７によって補助加湿手段が構成
され、また、図示しない水温計，加湿水補充タンク１
８，加湿水補充弁２０，及び三方弁２１によって凍結防
止手段が構成されている。

【００３４】次に、フローチャートを用いて、本実施の
形態による加湿装置の制御フローを説明する。図４は、
メイン・ルーチンを示しており、このメイン・ルーチン
は、イグニッション・キーの操作時に起動される他、運
転中にも所定間隔で起動され、ＥＣＵ（図示略）で実行
される。

【００３５】まず、ステップＳ１において、燃料電池１
の運転状態を判断する。具体的には、燃料電池１が停止
中であるか、それとも、運転中であるかを判断し、停止
中である場合には、ステップＳ２に進み、凍結防止サブ
・ルーチン（図１４）を実行する。これに対し、運転中
である場合には、ステップＳ３に進み、燃料電池１の運
転状態をさらに細かく判断する。

【００３６】具体的には、燃料電池１が運転開始時であ
るか、それとも、運転中であるかを判断し、運転開始時
である場合には、ステップＳ４の加湿サブ・ルーチン
（図５）を実行する。これに対し、運転中である場合
は、ステップＳ５の水回収サブ・ルーチン（図１１）を
実行する。

【００３７】次に、図５を用いて、加湿サブ・ルーチン
（図４のステップＳ４）を説明する。このサブ・ルーチ
ンでは、発電開始時に、前回の燃料電池運転中に回収水
貯蔵タンク４に回収した水、または、加湿水補充タンク
１８からの補充した水をインジェクタ１７を用いて霧状
にし、これを燃料電池１のガス供給側に噴霧することに
よって、燃料電池１の加湿を行う。

【００３８】なお、図５には図示されていないが、回収
水貯蔵タンク４内に設けられた回収水量検出装置１０に
て検出された水量が下限設定値よりも少ない場合には、
加湿水補充弁２０を開き、加湿水補充タンク１８から回
収水貯蔵タンク４へ補助加湿用の水を適宜補充する処理
が行われている。

【００３９】まず、ステップＳ１１において、回収水貯
蔵タンク４の貯蔵水量を判断する。具体的には、回収水
量検出装置１０で検出された水量に基づいて、貯蔵水量
が十分であるか、それとも、不足しているかを判断し、
貯蔵水量が十分である場合には、ステップＳ１２の加湿
運転サブ・ルーチンを実行し（図７）、その後、図４の
メイン・ルーチンに復帰する。

【００４０】これに対し、貯蔵水量が不足している場合
は、ステップＳ１３に進み、貯蔵水量をさらに細かく判
断する。具体的には、検出された水量が注意を必要とす
る所定の設定値以下であるか（注意レベル）、それと
も、この注意レベルよりもさらに水量が少なく、燃料電
池１の加湿を行えないとする所定の設定値以下であるか
（警報レベル）を判断する。

【００４１】その結果、貯蔵水量が注意レベルである場
合には、ステップＳ１４に進み、注意灯や注意音等によ
って、その旨を燃料電池運転者に知らせる。しかる後、
ステップＳ１２に進み、加湿運転サブ・ルーチン（図
６）を実行した後、図４のメイン・ルーチンに復帰す
る。

【００４２】これに対し、貯蔵水量が警報レベルにある
場合には、ステップＳ１５に進み、警報灯や警報音等に
よってその旨を燃料電池運転者に知らせると共に、燃料
電池１の起動および燃料電池１への加湿動作を停止させ
（ステップＳ１６，ステップＳ１７）、その後、図４の
メイン・ルーチンに復帰する。なお、回収水量検出装置
１０にて検出された水量は、表示器等によって常に燃料
電池運転者に表示してもよく、また、加湿水補充タンク
１８についても、回収水貯蔵タンク４の場合と同様に、
水量を検出しそれを常に表示してもよい。

【００４３】次に、図６を用いて、加湿運転サブ・ルー
チン（図５のステップＳ１２）を説明する。このサブ・
ルーチンでは、前回の燃料電池運転中に回収水貯蔵タン
ク４に回収した水、または、加湿水補充タンク１８から
回収水貯蔵タンク４に補充した水を使って燃料電池の加
湿を行う

【００４４】まず、ステップＳ２１において、燃料電池
１の状態把握と加湿量の算出を行う（図８）。次に、ス
テップＳ２２において、加湿終了条件の判断を行う。加
湿の終了は、燃料電池１の発電電圧，燃料電池１への供
給ガス露点，加湿量のいずれかが所定の設定値に達した
ことを条件とする。

【００４５】その結果、加湿終了と判断した場合には、
ステップＳ２３に進み、燃料電池始動時の加湿運転を終
了させた後、図５のサブ・ルーチンに復帰する。これに
対し、加湿続行と判断した場合には、ステップＳ２４に
進み、加湿水加温の判断を行う。具体的には、燃料電池
１への供給ガス温度が所定温度（例えば、３℃）以下で
ある場合は加温が必要と判断し、所定温度を上回る場合
は、加温が不要と判断する。

【００４６】ステップＳ２４で加温が必要と判断した場
合には、ステップＳ２５に進み、電気ヒータ（図示略）
による加湿水の加温を開始する。これに対し、加温が不
要と判断した場合には、ステップＳ２６に進み、加湿水
の加温を終了する。ステップＳ２５またはステップＳ２
６の後は、ステップＳ２７に進んでインジェクタ１７の
動作制御を行い（図１１）、再度、ステップＳ２１に処
理が戻る。

【００４７】このサブ・ルーチンでは、燃料電池１への
供給ガス温度、及び、燃料電池１または燃料電池冷却水
の温度と、燃料電池１への供給ガス露点とに基づき、イ
ンジェクタ１７の動作と供給ガス量を制御している。こ
のため、インジェクタ１７で霧状にした加湿用の水が燃
料電池１内で大量に結露することはない。

【００４８】なお、回収水供給ポンプ７の回転数は、燃
料電池１への供給ガス圧よりもインジェクタ１７への供
給水圧の方を高く設定しておくことによって、加湿用の
水をインジェクタ１７から噴霧できるように制御する。
このとき、水圧を検出する圧力計を使用するか、事前に
設定しておいたデータテーブルを使用して、供給ガス圧
と回収水供給ポンプ７の回転数との関係から、回転水を
制御してもよい。

【００４９】次に、図７を用いて、燃料電池１の状態把
握と加湿量の算出サブ・ルーチン（図６のステップＳ２
１）を説明する。まず、ステップ３１において、燃料電
池１の運転状態を判断する。具体的には、燃料電池１が
発電中であるか、それとも、停止中であるかを判断し、
発電中である場合には、ステップＳ３２に進んで発電電
圧を検出し、停止中である場合には、ステップＳ３２の
処理をスキップする。

【００５０】次に、ステップＳ３３において、燃料電池
１への供給ガスの温度または露点を温度計（図示略）ま
たは露点計（図示略）にて検出し、ステップＳ３４にお
いて、燃料電池温度または燃料電池冷却水の温度を温度
計（図示略）にて検出する。しかる後、ステップＳ３５
において、事前に求めたデータテーブル（図８，図９参
照）または計算式より、加湿量と供給ガス量を算出し、
図６のサブルーチンに復帰する。

【００５１】次に、図１０を用いて、インジェクタ１７
の動作制御サブ・ルーチン（図６のステップＳ２７）を
説明する。まず、ステップＳ４１において、加湿量の増
減を判断する。具体的には、今回実行されたサブ・ルー
チン中のステップ３５（図７）で算出された加湿量と、
前回実行されたサブ・ルーチンで算出された加湿量とを
比較する。

【００５２】そして、加湿量が減少した場合には、ステ
ップＳ４２に進んでインジェクタ１７の動作オン／オフ
比を下げ、加湿量が増加した場合には、ステップＳ４３
に進んでインジェクタ１７の動作オン／オフ比を上げ
る。ステップＳ４２またはステップＳ４３を実行した後
は、図６のサブ・ルーチンに復帰する。

【００５３】次に、図１１を用いて、水回収サブ・ルー
チン（図４のステップＳ５）を説明する。まず、ステッ
プＳ５１において、回収水量検出装置１０にて回収水貯
蔵タンク４内の回収水量を検出し、ステップＳ５２にお
いて、検出した回収水量が上限設定値以上（満水）であ
るかを判断する。

【００５４】その結果、回収水量が設定値以上である場
合には、ステップＳ５３の回収水９の移送サブ・ルーチ
ンを実行した後、ステップＳ５１に戻る。これに対し、
回収水量が設定値未満である場合には、ステップＳ５３
を実行することなく、ステップＳ５１に戻る。

【００５５】次に、図１２を用いて、回収水９の移送サ
ブ・ルーチン（図１１のステップＳ５３）を説明する。
まず、ステップＳ６１において、加湿水補充タンク１８
内に設けられた補充タンク水量検出装置（図示略）にて
補充水量を検出し、ステップＳ６２において、検出した
補充水量が上限設定値以上（満水）であるかを判断す
る。

【００５６】その結果、補充水量が設定値以上である場
合には、ステップＳ６３に進み、回収水９の排出サブ・
ルーチン（図１３）を実行した後、図１１のサブ・ルー
チンに復帰する。これに対し、補充水量が設定値未満で
ある場合には、ステップＳ６４に進み、三方弁２１を加
湿水補助タンク１８側に切り換える。次いで、ステップ
Ｓ６５において、回収水供給ポンプ７を運転し、回収水
９を加湿水補充タンク１８に移送する。

【００５７】このとき、回収水供給ポンプ７の回転数
は、回収水９を加湿水補充タンク１８に移送できる程度
に設定しておく。しかる後、ステップ６６において、回
収水貯蔵タンク４内の回収水量を回収水検出装置１０に
て検出し、ステップＳ６７において、検出した回収水量
が下限設定値以上であるかを判断する。

【００５８】その結果、回収水量が設定値以上である場
合には、ステップＳ６５に処理が戻り、回収水９の移送
を継続する。これに対し、回収水量が設定値未満である
場合には、ステップＳ６８において、回収水供給ポンプ
７の運転を停止して加湿水補充タンク１８への移送を止
めた後、図１１のサブ・ルーチンに復帰する。

【００５９】次に、図１３を用いて、回収水９の排出サ
ブ・ルーチン（図１１のステップＳ６３）を説明する。
まず、ステップＳ７１において、ドレンバルブ８を開い
て余剰水を外部に排出する。次に、ステップＳ７２にお
いて、回収水貯蔵タンク４内の回収水量を回収水量検出
装置１０にて検出し、ステップＳ７３において、検出し
た回収水量が上限設定値以上であるか、それとも、設定
値未満であるかを判断する。

【００６０】その結果、回収水量が設定値以上である場
合には、ステップＳ７２に処理が戻り、余剰水の排出を
継続する。これに対し、回収水量が設定値未満である場
合には、ステップＳ７４において、ドレンバルブ８を閉
じて回収水９の排出を止めた後、図１２のサブ・ルーチ
ンに復帰する。

【００６１】次に、図１４を用いて、凍結防止サブ・ル
ーチン（図４のステップＳ２）を説明する。まず、ステ
ップＳ８１において、回収水貯蔵タンク４または加湿水
補充タンク１８内の水温が所定温度（例えば、３℃）未
満であるかを判断する。

【００６２】その結果、水温が所定温度未満である場合
には、回収水凍結防止動作を開始し（ステップＳ８
２）、水温が所定温度以上である場合には、回収水凍結
防止動作を終了する（ステップＳ９１）。回収水凍結防
止動作を開始させるには、まず、ステップ８３におい
て、三方弁２１を加湿水補充タンク１８側に切り換え
る。

【００６３】次に、ステップＳ８４において加湿水補充
弁２０を開いた後、ステップＳ８５において回収水供給
ポンプ７の間欠運転を開始する。このときの回転数は、
配管内を水がゆっくりと流れる程度に設定しておく。そ
の後、ステップＳ８６において、回収水９の水温が所定
温度（例えば、１℃）未満であるかを判断する。

【００６４】回収水水温が所定温度未満である場合に
は、ステップＳ８７に進み、外気温センサ（図示略）に
よって得られた外気温が所定温度（例えば、０℃）未満
であるかを判断する。その結果、外気温が所定温度以上
である場合は、ステップＳ８８に進み、回収水供給ポン
プ７の連続運転を開始した後、図５のメイン・ルーチン
に復帰する。

【００６５】これに対し、外気温が所定温度未満である
場合は、ステップＳ８９に進み、回収水貯蔵タンク４，
加湿水補充タンク１８，補助加湿用配管２２のいずれ
か、または全てに設けられた電気ヒータ（図示略）によ
る加温を開始した後、図５のメイン・ルーチンに復帰す
る。他方、ステップＳ８６において、回収水９の水温が
所定温度以上である場合にはステップＳ９４に進み、電
気ヒータ（図示略）による水の加温を終了させた後、図
５のメイン・ルーチンに復帰する。

【００６６】回収水凍結防止動作を終了させるには、ま
ず、ステップ９２において、回収水供給ポンプ７の間欠
運転を終了させた後、ステップＳ９３において、加湿水
補充弁２０を閉じる。さらに、ステップＳ９４におい
て、電気ヒータ（図示略）による水の加温を終了させた
後、図５のメイン・ルーチンに復帰する。

【００６７】つまり、回収水貯蔵タンク４または加湿水
補充タンク１８内の水温が３℃未満になったら、三方弁
２１を加湿水補充タンク１８側に開くと共に、回収水供
給ポンプ７を断続的に運転させることによって、凍結防
止用加湿水循環用配管２２を通して、回収水９が回収水
貯蔵タンク４と加湿水補充タンク１８の間を循環する。
また、水温が１℃以上に上昇するか、外気温が０℃以上
に上昇した場合には、ヒータ運転が終了する。

【００６８】なお、以上説明した凍結防止サブ・ルーチ
ンのステップＳ８１では、回収水貯蔵タンク４または加
湿水補充タンク１８内の水温を判断しているが、これに
代えて、燃料電池１の温度を判断するようにしても構わ
ない。

【００６９】［第１の実施の形態の変形例］図１５に本
実施の形態の変形例を示す。この変形例に係る加湿装置
は、図１に示した加湿水補充タンク１８，加湿水補充弁
２０，三方弁２１，及び凍結防止用加湿水循環用配管２
２をもたないため、回収水貯蔵タンク４および加湿水補
充タンク１８内に図示せぬ電気ヒータ（凍結防止手段）
を備えることによって、凍結防止を図る。

【００７０】本変形例における加湿装置の制御フロー
は、基本的には上記図４〜図１４と同様である。但し、
加湿水補充タンク１８を備えていないため、図１１のス
テップＳ５３が「回収水９の移送」から「回収水９の排
出」に変更される。このため、図１２のサブ・ルーチン
は完全になくなり、図１１のステップＳ５３において
は、図１３のサブ・ルーチンを実行し、回収水９を排出
する。

【００７１】［第２の実施の形態］次に、図１６を用い
て、第２の実施の形態による加湿装置を説明する。この
加湿装置は、回収水貯蔵タンク４からの回収水９を燃料
電池１の空気極排気側と中空糸膜水回収装置２の間に投
入する点で、回収水９を燃料電池１の空気極吸気側と中
空糸膜水回収装置２の間に投入する第１の実施の形態
（図１）と相違するが、その他の構成は図１と同様であ
る。

【００７２】即ち、回収水貯蔵タンク４からの回収水９
は、逆止弁６を経てインジェクタ１７で霧状にされ、排
気用配管１２を通って中空糸膜水回収装置２に供給され
る。すると、中空糸膜が乾燥した燃料電池始動時であっ
ても、中空糸膜回収装置２内にて燃料電池１への供給ガ
スを加湿することができるので、通常発電時と同様に、
加湿された供給ガスを燃料電池１に供給することによっ
て、燃料電池１を加湿することができる。

【００７３】なお、本実施の形態においても、加湿装置
の制御フローは、図４〜図１４と同様になる。また、図
１６の構成から、加湿水補充タンク１８，加湿水補充弁
２０，三方弁２１，及び凍結防止用加湿水循環用配管２
２をなくしたシステム構成としてもよく、この場合に、
図１１のサブ・ルーチンの一部が変更され、かつ、図１
２のサブ・ルーチンが不要になることは、第１実施形態
の変形例と同様である。

【００７４】［第３の実施の形態］次に、図１７を用い
て、第３の実施の形態による加湿装置を説明する。この
加湿装置は、中空糸膜水回収装置２をバイパスさせるバ
イパス配管４１を吸気用配管１１に三方弁４２，４３を
介して接続し、回収水貯蔵タンク４からの回収水９をこ
のバイパス配管４１に投入するようにした点で、第１の
実施の形態（図１）と相違しているが、その他の構成は
図１と同様である。

【００７５】すなわち、回収水貯蔵タンク４からの回収
水９は、逆止弁６を経てインジェクタ１７または気化器
４４にて霧状にされ、バイパス配管４１を通って直接燃
料電池１に供給されるので、中空糸膜が乾燥した燃料電
池始動時であっても、第１の実施の形態と同様に、燃料
電池１を加湿することができる。

【００７６】なお、本実施の形態においても、加湿装置
の制御フローは、図４〜図１４と同様になる。但し、イ
ンジェクタ１７を気化器４４に代えた場合は、図６のス
テップＳ２７は「インジェクタ１７の動作制御」から
「気化器投入ガス量の制御」に変更される。以下、図１
８を用いて、気化器投入ガス量の制御サブルーチンを説
明する。

【００７７】まず、ステップＳ１０１において、加湿量
の増減を判断する。具体的には、今回実行されたサブ・
ルーチン中のステップ３５（図７）で算出された加湿量
と、前回実行されたサブ・ルーチンで算出された加湿量
とを比較して行う。

【００７８】その結果、加湿量が減少した場合には、ス
テップＳ１０２に進み、投入ガス量を減少させた後、図
６のサブ・ルーチンに復帰する。これに対し、加湿量が
増加した場合には、ステップＳ１０３に進み、投入ガス
量を増加させた後、図６のサブ・ルーチンに復帰する。

【００７９】また、本実施の形態においても、図１７の
構成から、加湿水補充タンク１８，加湿水補充弁２０，
三方弁２１，及び凍結防止用加湿水循環用配管２２をな
くしたシステム構成としてもよく、この場合に、図１１
のサブ・ルーチンの一部が変更され、かつ、図１２のサ
ブ・ルーチンが不要になることは、第１実施形態の変形
例と同様である。

【００８０】［第４の実施の形態］次に、図１９を用い
て、第４の実施の形態による加湿装置を説明する。この
加湿装置は、燃料電池１の燃料極を加湿するものである
点で、燃料電池１の空気極を加湿するこれまでの実施の
形態およびその変形例と相違している。基本的な構成
は、図１と略同様であるが、以下の点で相違する。

【００８１】第１の相違は、燃料極からのオフガスが中
空糸膜水回収装置２および気液分離器３を通過した後、
排気されることなく、燃料ガス用インジェクタ２５を介
して吸気用配管１１に戻される点にある。第２の相違
は、加湿水補充弁２０と回収水貯蔵タンク４の間に、Ｕ
字状をなすガス逆流防止用配管１９が接続されている点
にある。

【００８２】ガス逆流防止用配管１９は、この部分に水
を溜め込むことによって、気液分離器３から回収水貯蔵
タンク４を経由して加湿水補充タンク１８へと向かう燃
料ガスの逆流を防止する目的で設けられている。

【００８３】本実施の形態によっても、回収水貯蔵タン
ク４からの回収水９は、逆止弁６を経てインジェクタ１
７で霧状にされ、排気用配管１２を通って中空糸膜水回
収装置２に供給されるから、中空糸膜が乾燥した燃料電
池始動時であっても、中空糸膜回収装置２内で燃料電池
１への供給ガスを加湿することができる。よって、通常
発電時と同様に、中空糸膜回収装置２によって加湿され
た供給ガスを燃料電池１に供給して、燃料電池１を加湿
することができる。

【００８４】なお、本実施の形態においても、加湿装置
の制御フローは、図４〜図１４と同様になる。また、図
１９の構成から、加湿水補充タンク１８，ガス逆流防止
用配管１９，加湿水補充弁２０，三方弁２１，及び凍結
防止用加湿水循環用配管２２をなくして、図２０に示す
ようなシステム構成としてもよく、この場合に、図１１
のサブ・ルーチンの一部が変更され、かつ、図１２のサ
ブ・ルーチンが不要になることは、第１実施形態の変形
例と同様である。

【００８５】［第５の実施の形態］次に、図２１を用い
て、第５の実施の形態による加湿装置を説明する。この
図においては、便宜上、空気極側の加湿に使用される各
構成要素の符号に添え字「ａ」を付し、燃料極側の加湿
に使用される各構成要素の符号に添え字「ｂ」を付して
いる。

【００８６】この燃料電池システムは、燃料電池１の空
気極および燃料極を共に加湿するものであって、図１の
構成と、図１９の構成において回収水９の投入先を中空
糸膜水回収装置２と燃料電池１の燃料極吸気側の間に変
更した構成とを組み合わせたものであるから、これまで
説明した実施形態およびその変形例と同様の効果を得る
ことができる。

【００８７】なお、本実施の形態においても、加湿装置
の制御フローは、図４〜図１４と同様になる。また、図
２１の構成から、加湿水補充タンク１８ａ，１８ｂ、ガ
ス逆流防止用配管１９ａ，１９ｂ、加湿水補充弁２０
ａ，２０ｂ、三方弁２１ａ，２１ｂ、及び凍結防止用加
湿水循環用配管２２ａ，２２ｂをなくしたシステム構成
としてもよく、この場合に、図１１のサブ・ルーチンの
一部が変更され、かつ、図１２のサブ・ルーチンが不要
になることは、第１実施形態の変形例と同様である。

【００８８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、以下の効果を得ることができる。（１）燃料電池始動時に水透過型加湿器による加湿が行
えなくても、水透過型加湿器とは別に設けられた補助加
湿手段による加湿が行えるので、発電を早期に開始する
ことができる。（２）水透過型加湿器による加湿が可能になった後は、
補助加湿手段による加湿から水透過型加湿器のみの加湿
に切り換えることによって、無駄な電力消費をなくしつ
つ、必要充分な加湿量を与えることができる。

【００８９】（３）回収水を水透過型加湿器の上流に供
給した場合には、通常発電時と同様に、水透過型加湿器
による加湿が行え、回収水を燃料電池のガス供給側に供
給した場合には、水透過型加湿器をバイパスして、補助
加湿手段によって供給ガスを直接加湿することができ
る。（４）余剰回収水を系内に溜め込むことなく、自動的に
排出することができる。

【００９０】（５）水回収装置内の水位が所定以下にな
った時、すなわち、回収水が不足して補助加湿手段によ
る加湿が行えなくなった時は、補助加湿手段の作動を停
止させるので、無駄な電力消費をなくし得て、発電効率
の向上を図ることができる。（６）低外気温時であっても、回収水を凍結させること
なく、供給ガスを加湿することができる。（７）回収水が凍結するおそれのない時は、凍結防止手
段が作動しないので、無駄な電力消費をなくし得て、発
電効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る加湿装置を
備えた燃料電池システムの要部を示すシステム構成図で
ある。

【図２】気液分離器の一構成例を示す断面図である。

【図３】回収水貯蔵タンクの一構成例を示す断面図で
ある。

【図４】第１の実施の形態による加湿装置の制御フロ
ーのメイン・ルーチンを示すフローチャートである。

【図５】加湿サブ・ルーチンを示すフローチャートで
ある。

【図６】加湿運転サブ・ルーチンを示すフローチャー
トである。

【図７】燃料電池の状態把握と加湿量の算出サブ・ル
ーチンを示すフローチャートである。

【図８】燃料電池温度又は燃料電池冷却水温度と、供
給ガス温度又は露点とから、加湿量を求めるためのマッ
プ図である。

【図９】供給ガス温度又は露点と、加湿量とから、供
給ガス量を求めるためのマップ図である。

【図１０】インジェクタの動作制御サブ・ルーチンを
示すフローチャートである。

【図１１】水回収サブ・ルーチンを示すフローチャー
トである。

【図１２】回収水の移送サブ・ルーチンを示すフロー
チャートである。

【図１３】回収水の排出サブ・ルーチンを示すフロー
チャートである。

【図１４】凍結防止サブ・ルーチンを示すフローチャ
ートである。

【図１５】第１の実施の形態の変形例を示すシステム
構成図である。

【図１６】第２の実施の形態を示すシステム構成図で
ある。

【図１７】第３の実施の形態を示すシステム構成図で
ある。

【図１８】気化器投入ガス量の制御サブルーチンを示
すフローチャートである。

【図１９】第４の実施の形態を示すシステム構成図で
ある。

【図２０】第４の実施の形態の変形例を示すシステム
構成図である。

【図２１】第５の実施の形態を示すシステム構成図で
ある。

【符号の説明】

１燃料電池２中空糸膜水回収装置３気液分離器４回収水貯蔵タンク９回収水６逆止弁７回収水供給ポンプ１３補助加湿用配管１７インジェクタ１８加湿水補充タンク２０加湿水補充弁２１三方弁２２凍結防止用加湿水循環用配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２４Ｆ 11/02 １０２Ｆ２４Ｆ 11/02 １０２ＶＨ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｆターム(参考） 3L055 AA10 BA01 BB01 DA03 DA05 3L060 AA03 CC01 CC08 CC10 CC19 EE25 5H026 AA06 5H027 AA06 KK41 KK51

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池から排出された排出ガス中の水
を回収して前記燃料電池への供給ガスを加湿する水透過
型加湿器を備えた燃料電池の加湿装置において、前記水透過型加湿器とは別に、前記排出ガス中の水を回
収する水回収装置と、該水回収装置の回収水により前記
供給ガスを加湿する補助加湿手段とを設けたことを特徴
とする燃料電池の加湿装置。
【請求項２】前記補助加湿手段は、燃料電池始動時に
所定期間作動することを特徴とする請求項１記載の燃料
電池の加湿装置。
【請求項３】前記所定期間を、始動から所定時間、ま
たは、発電電圧が所定以上になるまで、または、加湿量
が所定以上になるまで、または、前記供給ガスの露点が
所定以上になるまでのいずれかに設定したことを特徴と
する請求項２記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項４】前記水回収装置は、前記排出ガスから水
を分離する気液分離器と、該気液分離器で分離した水を
貯蔵する回収水貯蔵タンクとを備えることを特徴とする
請求項１〜請求項３記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項５】前記補助加湿手段は、前記水透過型加湿
器の上流または前記燃料電池のガス供給側へ回収水を供
給することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか
に記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項６】前記水回収装置は、水位検出手段を有
し、該水位検出手段により検出した水位が所定以上の時
は回収水を排出することを特徴とする請求項１〜請求項
５のいずれかに記載の燃料電池の加湿装置。
【請求項７】前記水回収装置は、水位検出手段を有
し、該水位検出手段により検出した水位が所定以下の時
は前記補助加湿手段の作動を停止することを特徴とする
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の燃料電池の加湿
装置。
【請求項８】前記水回収装置又は／及び前記補助加湿
手段に、回収水の凍結を防止する凍結防止手段を設けた
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載
の燃料電池の加湿装置。
【請求項９】前記凍結防止手段は、回収水の温度が所
定温度以下の時に作動することを特徴とする請求項８記
載の燃料電池の加湿装置。