JP2009200016A

JP2009200016A - 燃料電池システムのガス加湿装置

Info

Publication number: JP2009200016A
Application number: JP2008043495A
Authority: JP
Inventors: Keigo Suematsu; 啓吾末松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】効率的に液水の気化を図ることができ、且つ液水の噴射量の適正化を図る。
【解決手段】燃料電池システムを構成する燃料電池にガス流路を通じて供給されるガスを加湿するガス加湿装置であって、ガス流路内にその内部をガスが通過する状態で配置され、その内部に導入される液水をガスから得た熱で気化させる多孔質部と、多孔質部に向かって液水を噴射するノズルと、ガス流路内の多孔質部より下流側の位置で所定の物理量を測定する測定手段と、測定手段で測定された物理量に基づいて、ノズルからの液水の噴射量を制御する制御手段とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムを構成する燃料電池に供給されるガスを加湿する燃料電池システムのガス加湿装置に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)は、固体高分子電解質膜の両側に触媒層及び拡散層を夫々有する燃料極(アノード)及び酸化剤極(空気局：カソード)を配置した構造体を形成し、このような構造体の両側を燃料極側セパレータ及び酸化剤極側セパレータで挟んで構成される。このような燃料電池において、燃料極に水素ガスのような燃料が供給され、酸化剤極に空気のような酸化剤ガスが供給され、燃料電池内における電気化学反応により発電が行われる。

このようなＰＥＦＣでは、水素ガス(燃料ガス)や酸化剤ガスを加湿する必要がある。従来、例えば、アノードに供給される燃料ガスに対するアノード加湿器、及びカソードに供給される酸化剤ガスに対するカソード加湿器が設けられ、各加湿器内で噴霧ノズルからガスに対して冷却水を噴霧することで、ガスの加湿を行う技術がある(例えば、特許文献１)
特開２００５−９３３５７号公報特開２００４−３５３０９号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術(従来技術)では、噴霧された冷却水が噴霧器内の内壁に付着してしまい、そのような冷却水は、霧状の冷却水に比べてガス(燃料ガス、酸
化剤ガス)の加湿作用が劣るので、噴霧ノズルからの噴霧量と加湿量とが一致しないおそ
れがあった。また、燃料ガスや酸化剤ガスは、噴霧器内を通過して燃料電池に供給される構成となっており、燃料ガスや酸化剤ガスが噴霧器内を通過する際に噴霧された冷却水の全量が気化できるだけの熱交換時間と距離(熱交換表面積)が確保されてなかった。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、効率的に液水の気化を図ることができ、且つ液水の噴射量の適正化を図ることが可能な燃料電池システムのガス加湿装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するために以下の構成を採用する。

すなわち、本発明は、燃料電池システムを構成する燃料電池にガス流路を通じて供給されるガスを加湿するガス加湿装置であって、
前記ガス流路内にその内部を該ガスが通過する状態で配置され、その内部に導入される液水を前記ガスから得た熱で気化させる多孔質部と、
前記多孔質部に向かって液水を噴射するノズルと、
前記ガス流路内の前記多孔質部より下流側の位置で所定の物理量を測定する測定手段と、
前記測定手段で測定された物理量に基づいて、前記ノズルからの液水の噴射量を制御する制御手段と
を含む燃料電池システムのガス加湿装置である。

本発明によれば、多孔質部にノズルから噴射された液水が導入され、多孔質部での熱交
換により液水が気化して水蒸気になることで、ガスが加湿される。このとき、多孔質部は、その熱交換のための広い表面積を有しているので、効率良く液水を気化することができる。また、ノズルからの液水の噴射量が多孔質部の下流側のガス流路内における物理量に基づき制御されることで、噴射量を、適正な加湿を行うための量の範囲に収める(噴射量
の適正化を図る)ことが可能となる。

本発明による加湿装置は、前記ガス流路内において、前記多孔質部の下流側端部に設けられ、前記多孔質部内に導入された液水が該多孔質部内からその下流側へ移動するのを妨げる部材をさらに含むように構成することができる。

また、本発明による加湿装置において、前記測定手段は、前記ガス流路内の湿度と、前記ガス流路内の温度との少なくとも一方を含む前記所定の物理量を測定するように構成することができる。

このようにすれば、湿度及び温度の少なくとも一方から、噴射された液水が気化した度合い(程度)がわかるので、噴射された液水が気化することなく滞留しないように、分無料を制御することが可能となる。

また、本発明による加湿装置は、前記多孔質部を加熱する加熱手段をさらに備えるように構成することができる。

このようにすれば、多孔質部の温度を、気化に適した温度に上昇又はそのような温度で維持することができるので、多孔質部に導入された液水の気化を促進することができる。或いは、多孔質部に導入された液水で多孔質部の温度が低下して、気化効率が低下するのを抑えることができる。

また、本発明による加湿装置において、前記制御手段は、
前記測定手段で測定された前記ガス流路内の湿度から前記ノズルから噴射された液水の気化量を求め、
前記ノズルからの液水の噴射量が前記気化量より大きい場合に、前記燃料電池システムから要求される加湿量が前記噴射量より大きいか否かを判定し、前記要求加湿量が前記噴射量より大きくない場合には、前記ノズルからの液水の噴射量を減少させるように構成することができる。

また、本発明による加湿装置において、前記制御手段は、前記要求加湿量が前記噴射量より大きい場合に、前記多孔質部に向かって流れるガスの温度を上昇させるように構成することができる。

また、本発明による加湿装置において、前記制御手段は、前記測定手段で測定された前記ガス流路内の温度が目標温度より大きいか小さいかを判定し、
前記温度が目標温度より大きい場合には、前記ノズルからの液水の噴射量を増加させ、
前記温度が目標温度より小さい場合には、前記ノズルからの液水の噴射量を減少させるように構成することができる。

また、本発明による加湿装置において、前記制御手段は、
前記測定手段で測定された前記ガス流路内の湿度から前記ノズルから噴射された液水の気化量を求め、
前記ノズルからの液水の噴射量が前記気化量より大きい場合に、前記燃料電池システムから要求される加湿量が前記噴射量より大きいか否かを判定し、
前記要求加湿量が前記噴射量より大きい場合には、前記測定手段で測定された前記ガス流路内の温度が目標温度より大きいか小さいかを判定し、
前記温度が前記目標温度より小さい場合には、前記多孔質部に向かって流れるガスの温度を上昇させるとともに、前記ノズルからの液水の噴射量を増加させ、
前記温度が前記目標温度より大きい場合には、前記ノズルからの液水の噴射量を増加させるように構成することができる。

また、本発明による加湿装置において、前記ガスは、エアコンプレッサから前記ガス流路内に供給される酸化剤ガスであり、
前記制御手段は、前記多孔質部に向かって流れる酸化剤ガスの温度を上昇させるために前記ガス流路の背圧を高めるように構成することができる。

また、本発明は、上記したような加湿装置によるガスの加湿方法の発明、コンピュータを上記したような加湿装置の制御装置として機能させるプログラム、このようなプログラムを記録した記録媒体の発明としても成立する。

本発明による燃料電池システムのガス加湿装置によれば、効率的に液水の気化を図ることができ、且つ液水の噴射量の適正化を図ることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。実施の形態の構成は例示であり、本発明は実施の形態の構成に限定されない。

〈燃料電池システムの構成〉
図１は、本発明の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す。図１に示す燃料電池システムは、自動車のような車両(移動体)に搭載される。但し、この燃料電池システムは固定配置可能である。

図１に示す燃料電池１は、例えばＰＥＦＣであり、この燃料電池１に対して、燃料供給及び排出系と、酸化剤供給及び排出系と、燃料電池１の冷却系とが設けられている。

燃料供給及び排出系は、以下のように構成されている。即ち、燃料供給系として、燃料たる水素(例えば高圧水素ガス)を貯留した水素タンク２と、水素タンク２からの水素ガスの供給量を調整する調圧弁３と、逆止弁(シャットバルブ)４と、配管５と、水素ポンプ６とを有している。

水素タンク２内の水素ガス(燃料ガス)は、調圧弁３及び逆止弁４を通過して配管５に導入される。配管５の一端は、燃料電池１の燃料入口に接続されており、配管５に導入された水素ガスは、水素ポンプ６の駆動により、燃料電池１に供給される。燃料電池１は、複数のセルからなるセルスタックを備えており、燃料電池１内に供給された水素ガスは、各セルの燃料極(アノード)を通過した後、燃料電池１に設けられた燃料出口から外部に排出される。

燃料排出系として、配管７と、配管８と、排気弁９と、配管１０と、希釈器１１とが設けられている。燃料電池１の燃料出口には、配管７が設けられており、配管７に各燃料極を通過した燃料ガス(燃料オフガス)が排出される。配管７は、配管８に接続されており、配管８の一端は、水素ポンプ６に接続され、他端は排気弁９に接続されている。

排気弁９が閉じられた状態で、水素ポンプが駆動すると、燃料ガスは、配管５，燃料電
池１，配管７，配管８及び水素ポンプ６からなる循環路を循環する状態となる。水素ポンプ６の駆動が停止され、排気弁９が空けられると、配管７からの燃料ガスは、排気弁９から配管１０を通って希釈器１１に至り、希釈器１１で希釈化されて大気中に排出される。

また、酸化剤供給及び排出系は、以下のように構成されている。すなわち、酸化剤供給系として、酸化剤ガスとしての圧縮空気を吐出するエアコンプレッサ１３と、一端がエアコンプレッサ１３の吐出口に接続された配管１４とが設けられており、配管１４の他端は、燃料電池１に設けられた酸化剤入口に接続されている。

酸化剤入口から燃料電池１内に導入された酸化剤ガス(空気)は、セルスタックの各酸化剤極(カソード)を通過し、燃料電池１に設けられた酸化剤出口に至る。酸化剤出口には、酸化剤排出系として、配管１５と、背圧(排圧)弁１６と、配管１７とが接続されており、配管１７は希釈器１１に接続されている。このような酸化剤(オフ)ガスの流路が本発明のガス流路に相当する。

以上のような構成により、燃料電池１の各セルに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスによる電気化学反応により生じる電力が、図示しない車両の駆動輪を駆動させるモータに対して供給される。

また、燃料電池１の冷却系は、以下のように構成されている。すなわち、燃料電池１には、冷却水入口と、燃料電池１内に設けられた冷却水流路と、冷却水出口とが設けられている。冷却水入口及び冷却水出口は、配管１９及び配管２０を介してラジエータ２１に接続されている。配管２０上には、冷却水ポンプ２２が設けられている。冷却水ポンプ２２の駆動によって、冷却水は、配管１９及び２０を介して燃料電池１とラジエータ２１との間を循環し、燃料電池１から冷却水に移動した熱をラジエータ２１で放熱(冷却)する状態となる。冷却水出口から配管２０に排出された直後の冷却水温度を検知する温度センサ２３が設けられており、冷却水ポンプ２２の駆動及び駆動停止は、温度センサ２３で検知される冷却水温度に基づいて制御される。

上記構成を有する燃料電池システムにおいて、配管１４内には、エアコンプレッサ１３から吐出される圧縮空気(酸化剤ガス)を加湿するための加湿ユニット３０が設けられている。この加湿ユニット３０に対し、加湿用の水を噴射する噴射ノズル３１と、湿度センサ３２と、温度センサ３３とが設けられている。

〈加湿ユニットの構成〉
図２は、図１に示した加湿ユニット(加湿器)３０の構成例を示す。加湿ユニット３０は、断熱性部材で構成され、且つ断面円形状の配管１４の内周面に接するように設けられた環状体３０１と、環状体３０１内に設けられた多孔質部(多孔質体)としてのハニカム３０２と、ハニカム３０２の下流側において、環状体３０１の下流側開口部を塞ぐように設けられた通気性を有する部材３０３とを備えている。部材３０３は、発泡体 (例えばシリコンフォームシート(Si foam Sheet)で構成される。シリコンフォームシートは、通気性に
加えて断熱性を有する。

図１に示した噴射ノズル３１は、配管１４内において、加湿ユニット３０の上流側に配置され、ハニカム３０２に向かって液水を噴霧するインジェクタとして機能する。ハニカム３０２は、略円柱形状を有し、ステンレス等の伝熱性の高い金属材料によって形成されるメタルハニカムである。

ハニカム３０２の両端面（上流側端面及び下流側端面）は、その外周がほぼ円形を成しているが、噴射ノズル３１に対向する側（上流側）の端面は、円の中心部が最も凹んだ形
状の凹面３０４を形成している。ハニカム３０２は、その上流側と下流側とを連通する複数のセルから構成することができる。

配管１４には、上流側（図２左側）から、エアコンプレッサ１３から吐出した高温の圧縮空気（酸化剤ガス）が供給される。この圧縮空気は、凹面３０４を形成する端面から、ハニカム３０２内に導入される。圧縮空気は、高温となっている。このため、圧縮空気がハニカム３０２内部を通過することによって、ハニカム３０２を構成する各セルの壁面は昇温する。

噴射ノズル３１は、ハニカム３０２の凹面３０４を形成する端面のほぼ中心部に向かって水を噴霧する扇形ノズルである。噴射ノズル３１から噴霧された液水（ミスト）は、圧縮空気とともに、ハニカム３０２の上流側端面（凹面３０４）から、ハニカム３０２内に導入される。

ハニカム３０２を構成する各セルの壁面は、圧縮空気からの熱を得て高温となっている。このため、ハニカム３０２内に導入された液水は、各セルの壁面と接触しこれと熱交換することによって気化し、圧縮空気中に混合される。ここで、凹面３０４の形状は、噴射ノズル３１から噴霧される水が広がる形状に対応したものとなっている。ここで、ハニカム３０２が複数のセルからなることで、熱交換のための広い表面積が確保された状態となっている。

このように、凹面３０４において、ハニカム３０２内に導入されずに液水が跳ね返される場合には、液水は主としてハニカム３０２端面の中心部に向かって跳ね返されることになる。図３には、噴射ノズル３１から噴霧された液水の一部が、凹面３０４で跳ね返される様子を、矢印を用いて模式的に示した。凹面３０４を形成する端面中心部に跳ね返されることで、液水は、圧縮空気の流れに導かれて、ハニカム３０２内へと入り込むことができる。

発泡体３０３は、ハニカム３０２の下流側端面を閉塞するように設けられており、ハニカム３０２内に噴射された水が下流側に流れるのを防止するために設けられる。また、発泡体３０３は、環状体３０１とともに、ハニカム３０２が高温を維持するための断熱材としても機能する。これによって、ハニカム３０２内に導入された液水は、ハニカム３０２内での熱交換を通じて水蒸気となり、圧縮空気と混ざりあって発泡体３０３を通過し、加湿された酸化剤ガスとして燃料電池１へ供給されることになる。

このような加湿ユニット３０の構成により、本実施形態における加湿ユニット３０では、ハニカム３０２に導入された液水のほぼ全量を気化させることが可能となっている。図１に示した湿度センサ３２及び温度センサ３３は、加湿ユニット３０の下流側の配管１４内における湿度及び温度を検知することができる。これらの湿度センサ３２及び温度センサ３３の検知結果（湿度及び／又は温度）に応じて、噴射ノズル３１からの噴霧量を制御（調整）することができる。

加湿ユニット３０に係る構成によれば、水を気化させる際に、表面積の大きなハニカムを用い、噴霧した液水とハニカム壁面との間で熱交換を行なわせて水の気化を行なうため、気相中で気化を行なわせる場合に比べてはるかに効率よく、より小さなスペースで気化を行なうことができる。

さらに、本実施形態では、ハニカム３０２の圧縮空気が導入される端面が凹面３０４を形成するため、噴霧された水をより確実にハニカム３０２内に導入することが可能となり、気化を効率よく行うことができる。すなわち、噴霧された液水が吹き付けられて、高温
のハニカム３０２の壁面上に蒸気膜が形成され、ハニカム３０２内へと液水が入り込むのが妨げられる場合にも、既述したように、液水は端面中心部に向かって跳ね返されて、ハニカム３０２内へと導かれる。また、ハニカム３０２の端面が凹面３０４を形成することにより、ハニカム３０２の横断面に平行な端面を有する場合に比べて、ハニカム３０２を構成する各セルの開口部が、より大きく形成されることになる。したがって、ノズル３１から噴霧された液水が、より容易にハニカム３０２内に導入されるようになる。

さらに、加湿ユニット３０及びそれに係る構成によれば、ハニカム３０２の端面に形成される凹面の形状が、ノズル３１から噴霧されるミストの形状に対応しているため、ノズル３１からハニカム３０２端面までの到達距離が全体として略等しくなり、ハニカム３０２を構成する各セルに対して略均一に液水が導入される。そのため、一部のセルに過剰に液水が導入されて、その一部のセルの温度が望ましくない程度に低下して、セル内部で液水が滞留してしまうのを防止することができる。また、各セルに対して略均一に液水が導入されることで、各セルにおいて略均一に水の気化を行うことができる。

〈加湿ユニットへの噴射量制御〉
次に、加湿ユニット３０への液水の噴射量制御について説明する。図１に示した燃料電池システムは、このシステムの各部からの物理量を取得し、その物理量に応じてシステム各部を制御するための制御装置(制御手段)たるＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を
備えている。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵのようなプロセッサ，ＣＰＵによって実行されるプログラムや、プログラムの利用に際して使用されるデータ等を記憶したメモリ(記憶装置)，入出力装置(Ｉ／Ｏ)等を備えており、メモリに格納されたプログラムを実行することによって、燃料電池システムの各部に対して様々な処理を行う。

例えば、ＥＣＵ４０は、上記した水素の循環路中の水素濃度に応じて、調圧弁３の開度(水素ガスの供給量)、水素ポンプ６の駆動／駆動停止、並びに排気弁９の開閉制御を実行することができる。或いは、ＥＣＵ４０は、温度センサ２３で検知される冷却水の温度信号に基づき、冷却水ポンプ２２の駆動、駆動停止、及び回転量を制御することができる。さらに、ＥＣＵ４０は、湿度センサ３２で検知された湿度信号、温度センサ３３で検知された温度信号に基づき、エアコンプレッサ１３の回転量(圧縮空気の吐出量(供給量))、背圧弁１６による背圧制御、噴射ノズル３１からの液水の噴射量制御を実施することができる。

以下、噴射ノズル３１からの噴射量制御について詳細に説明する。ＥＣＵ４０は、加湿ユニット３０により水を気化させることができる最大量(最大気化量)の範囲で、噴射ノズル３１からの水の噴射量を決定する。

ここに、ＥＣＵ４０は、湿度センサ３２で検知される、加湿ユニット３０を通過した空気の湿度を、相対湿度“ａ”[%RH]として、湿度センサ３２から得ることができる。

また、ＥＣＵ４０は、噴射ノズル３１からの水の噴射開始及び停止の制御とともに、噴射ノズル３１から噴射する水の量(噴霧量)を段階的に調整することができる。水の噴射量は“ｂ”[mg/sec.]として求めることができる。

また、ＥＣＵ４０は、そのメモリ上に、相対湿度“ａ”と、噴射された水の気化量“ｃ” [mg/sec.]との相対関係を示すマップデータを予め保持しており、当該マップを用いて、相対湿度“ａ”に対応する気化量“ｃ”を割り出すことができる。相対湿度ａに対する気化量ｃは実験等を通じて予め求められ、マップに反映されている。

また、ＥＣＵ４０は、温度センサ３３で検知される、加湿ユニット３０を通過した空気
の温度を、温度“ｄ”[℃]として、温度センサ３３から得ることができる。

さらに、ＥＣＵ４０は、例えば、燃料電池１の発電量を示すデータを取得するように構成されている。また、ＥＣＵ４０は、例えば燃料電池１の発電量から一意に求まる、要求される酸化剤ガスの加湿量(要求加湿量“ｅ”とする)を割り出すためのマップデータをそのメモリ上に予め有しており、当該マップから発電量に応じた要求加湿量ｅを求めることができる。発電量に応じた要求気化量ｅは実験等を通じて予め求められ、マップに反映されている。

《第１の制御例》
第１の制御例として、噴射ノズル３１からの液水の噴射量を加湿ユニット３０の後段に設けられた湿度センサ３２で検知される相対湿度ａに基づき制御する例について説明する。図３は、第１の制御例(第１の噴射量制御)におけるＥＣＵ４０の処理を示すフローチャートである。図３に示す処理は、燃料電池１の発電中に実施される。即ち、水素ポンプ６の駆動により水素タンク２からの水素ガス(燃料ガス)が燃料電池１に供給される一方、エアコンプレッサ１３の駆動により酸化剤ガス(空気)が燃料電池１に供給され、燃料電池１での電気化学反応による発電が行われる。この発電中に、第１の制御例による処理がＥＣＵ４０により実施される。

ＥＣＵ４０は、現在の噴射ノズル３１からの噴射量ｂと、湿度センサ３２で検知された相対湿度ａに対応する気化量ｃとを対比して、噴射量ｂが気化量ｃより大きいか否かを判定する(ＯＰ０１)。このとき、噴射量ｂが気化量ｃより大きい場合(ＯＰ０１；ＹＥＳ)には、処理がＯＰ０２に進む。噴射量ｂが気化量ｃ以下(ｂ≦ｃ)である場合(ＯＰ０１；Ｎ
Ｏ)には、処理がＯＰ０５に進む。

噴射量ｂが気化量ｃより大きい場合には、噴射ノズル３１から噴霧された液水は、その全てが気化せずに、液滴の状態でハニカム３０２内に溜まる。このため、ＯＰ０２以降では、ＥＣＵ４０は、噴射された液水の全てが気化するように、以下の処理を行う。

即ち、ＥＣＵ４０は、要求加湿量ｅが噴射量ｂより大きいか否かを判定する(ＯＰ０２)。このとき、要求加湿量ｅが噴射量ｂ以下(ｅ≦ｂ)の場合(ＯＰ０２；ＮＯ)には、加湿ユニット３０を通過した酸化剤ガスは充分に加湿されているので、ＥＣＵ４０は、液水の噴射量ｂを所定量だけ減少させる(ＯＰ０３)。このように、ＥＣＵ４０は、噴射量ｂと気化量ｃとを一致させるための制御を実施する。

これに対し、要求加湿量ｅが噴射量ｂより大きい場合(ＯＰ０２；ＹＥＳ)には、現在の噴射量ｂで噴射される液水の全てが気化するように、ＥＣＵ４０は、背圧弁１６に制御信号を供給し、背圧を上げる(増加する)。これによって、エアコンプレッサ１３から吐出される圧縮空気の温度が上昇し、ハニカム３０２の壁面温度を上昇させる。従って、ハニカム３０２内での熱交換が促進される。このようにして、ＥＣＵ４０は、噴射された液水の全てが気化して、噴霧量ｂと気化量ｃとが等しくなるように制御を行う。ＯＰ０３又はＯＰ０４の処理終了後、処理はＯＰ０１に戻る。

ところで、噴射量ｂが気化量ｃ以下であるとＥＣＵ４０が判定した場合(ＯＰ０１；Ｎ
Ｏ)には、要求加湿量ｅが現在の噴射量ｂより大きいか否かをＥＣＵ４０は判定する(ＯＰ０５)。このとき、要求加湿量ｅが現在の噴射量ｂ以下(ｅ≦ｂ)である場合(ＯＰ０５；ＮＯ)には、現在の噴射量ｂが要求加湿量ｅを満足しているので、処理がＯＰ０１に戻る。

これに対し、要求加湿量ｅが噴射量ｂより大きい場合(ＯＰ０５；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ４０は、噴射量ｂを所定量だけ増加させ(ＯＰ０６)、処理をＯＰ０１に戻す。このような
、ＯＰ０１，ＯＰ０５及びＯＰ０６のループ処理によって、要求加湿量ｅに応じた噴射量ｂの液水が噴射ノズル３１から噴射されるように、ＥＣＵ４０が制御を実行する。

第１の制御例によると、要求加湿量ｅが満たされる範囲で、噴射量ｂと気化量ｃとが一致するように、ＥＣＵ４０が噴射量ｂを制御する。これによって、効率的なハニカム３０２内での熱交換(液水の気化)が実施され、適正に酸化剤ガス(空気)を加湿することができる。

《第２の制御例》
第２の制御例として、噴射ノズル３１からの液水の噴射量ｂを加湿ユニット３０の後段に設けられた温度センサ３３で検知される温度ｄに基づき制御する例について説明する。図４は、第２の制御例(第２の噴射量制御)におけるＥＣＵ４０の処理を示すフローチャートである。図４に示す処理は、燃料電池１の発電中に実施される。

図４のＯＰ１１において、ＥＣＵ４０は、温度センサ３３で検知される温度ｄが目標温度より大きいか否かを判定する。ここに、目標温度は、例えば、要求加湿量ｅを満たし、且つ噴射量ｂと気化量ｃとが一致するように噴射量ｂを制御するための温度である。目標温度は、予めＥＣＵ４０のメモリ内に設定されている。このとき、要求加湿量ｅに応じた複数の目標温度をメモリに予め格納し、ＥＣＵ４０が要求加湿量ｅに応じた目標温度を選択するように構成することができる。

温度ｄが目標温度よりも大きい場合(ＯＰ１１；ＹＥＳ)には、現在の噴射量ｂが要求加湿量ｅを満たすための量に達していないと考えられる。このため、ＥＣＵ４０は、噴射量ｂを所定量増加させ(ＯＰ１２)、処理をＯＰ１１に戻す。

温度ｄが目標温度以下の場合(ＯＰ１１；ＮＯ)には、温度ｄが目標温度より小さいか否かをＥＣＵ４０は判定する(ＯＰ１３)。このとき、温度ｄが目標温度より小さくない場合(ＯＰ１３；ＮＯ)には、温度ｄが目標温度と等しく、適正な加湿が実施されていると考えられる。このため、ＥＣＵ４０は、処理をＯＰ１１に戻す。

これに対し、温度ｄが目標温度よりも小さい場合(ＯＰ１３；ＹＥＳ)には、現在の噴射量ｂが多すぎると考えられる。このため、ＥＣＵ４０は、噴射ノズル３１からの噴射量ｂを所定量減少させ(ＯＰ１４)、処理をＯＰ１１に戻す。

第２の制御例によると、温度センサ３３で検知される加湿ユニット３０の後段における配管１４内の温度が目標温度となるように、ＥＣＵ４０が噴射量ｂを制御する。これによって、効率的なハニカム３０２内での熱交換(液水の気化)が実施され、適正に酸化剤ガス(空気)を加湿することができる。

《第３の制御例》
第３の制御例として、噴射ノズル３１からの液水の噴射量を加湿ユニット３０の後段に設けられた湿度センサ３２で検知される相対湿度ａ及び温度センサ３３で検知される温度ｄに基づき制御する例について説明する。図５は、第３の制御例(第３の噴射量制御)におけるＥＣＵ４０の処理を示すフローチャートである。図５に示す処理は、燃料電池１の発電中に実施される。

図５に示すＯＰ２１において、ＥＣＵ４０は、噴射量ｂが、相対湿度ａに対応する気化量ｃより大きいか否かを判定する。このとき、噴射量ｂが気化量ｃ以下である場合(ＯＰ
２１；ＮＯ)には、処理がＯＰ２１に戻る。

これに対し、噴射量ｂが気化量ｃより大きい場合(ＯＰ２１；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ４０は、要求加湿量ｅと噴射量ｂとを対比する(ＯＰ２２)。このとき、要求加湿量ｅが噴射量ｂ以下の場合(ＯＰ２２；ｅ≦ｂ)には、ＥＣＵ４０は、温度ｄが目標温度より高いか否かを判定する(ＯＰ２３)。

温度ｄが目標温度より高い場合(ＯＰ２３；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ４０は、背圧弁１６を制御して、エアコンプレッサ１３の背圧を所定量減少させる(ＯＰ２４)。これによって、エアコンプレッサ１３から吐出される圧縮空気の温度が低下し、温度ｄを下げることができる。その後、処理がＯＰ２１に戻る。一方、温度ｄが目標温度以下の場合(ＯＰ２３；
ＮＯ)には、ＥＣＵ４０は、特に処理を行わず、処理をＯＰ２１に戻す。

ＯＰ２２において、要求加湿量ｅが噴射量ｂより大きいと判定された場合(ＯＰ２２；
ｅ＞ｂ)には、ＥＣＵ４０は、温度ｄが目標温度より低いか否かを判定する(ＯＰ２５)。
このとき、温度ｄが目標温度より低い場合(ＯＰ２５；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ４０は、背圧弁１６を制御して背圧を所定量増加させる。さらに、ＥＣＵ４０は、要求加湿量ｅから噴射量ｂを減じた量だけ、噴射ノズル３１からの噴射量ｂを増加させる(ＯＰ２６)。ＯＰ２６の処理によって、エアコンプレッサ１３からの圧縮空気の温度が上昇するとともに、噴射量ｂが増加するので、加湿量が増加する。その後、ＥＣＵ４０は、処理をＯＰ２１に戻す。

温度ｄが目標温度以上の場合(ＯＰ２５；ＮＯ)には、ＥＣＵ４０は、温度ｄが目標温度より高いか否かを判定する(ＯＰ２７)。このとき、温度ｄが目標温度より高い場合(ＯＰ
２７；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ４０は、要求加湿量ｅから噴射量ｂを減じた量だけ、噴射ノ
ズル３１からの噴射量ｂを増加させる(ＯＰ２８)。ＯＰ２６の処理によって、噴射量ｂが増加するので、加湿量が増加する。その後、ＥＣＵ４０は、処理をＯＰ２１に戻す。

なお、ＯＰ２７において、温度ｄが目標温度よりも高くないと判定される場合(ＯＰ２
７；ＮＯ)には、温度ｄが目標温度と等しいものとして、特に処理が行われず、処理がＯ
Ｐ２１に戻る。

第３の噴射量制御によれば、第１及び第２の噴射量制御と同様に、効率的なハニカム３０２内での熱交換(液水の気化)が実施され、適正に酸化剤ガス(空気)を加湿することができる。また、第３の噴射量制御によれば、噴射量ｂを決定するパラメータとして湿度及び温度が適用されるので、第１及び第２の噴射量制御に比べて、細かい噴射量制御が可能となる。

〈変形例〉
上述した実施形態は、次のような変形が可能である。

《変形例１》
上述した図１に示す燃料電池システムにおける加湿ユニット３０を用いた加湿制御は、既存の加湿モジュールと組み合わせ、当該加湿モジュールで補うことができないときだけ液水加湿で制御するように構成することができる。

図６は、図１に示した燃料電池システムの変形例を示す図である。図６に示す燃料電池システムでは、図１に示した燃料電池システムの構成に加えて、加湿ユニット３０の後段(下流側)に、加湿モジュール３５が配置された構成を備える。

加湿モジュール３５は、燃料電池１に供給される酸化剤ガス(圧縮空気)と、燃料電池１から排出された、酸化剤ガスより湿度の高い酸化剤オフガスとが通過するように構成され
ており、加湿モジュール３５内部に備えられた膜を介して酸化剤オフガス中の水分が酸化剤ガスに移動し、酸化剤ガスが加湿される構成を備えている。

このように、図６に示す燃料電池システム(変形例１)では、加湿ユニット３０と、加湿モジュール３５との二つの酸化剤ガスの加湿手段が備えられた構成となっている。変形例１におけるＥＣＵ４０は、燃料電池１の温度に応じて、加湿ユニット３０のオン／オフ制御を行う。即ち、ＥＣＵ４０は、温度センサ２３により検知される冷却水温度に基づき、加湿ユニット３０のオン／オフを制御する。

図７は、変形例１におけるＥＣＵ４０の処理を示すフローチャートである。図７に示す処理は、例えば、燃料電池１の発電開始とともに開始される。図７のＯＰ３１では、燃料電池１に対する酸化剤ガスの供給開始に伴い、加湿モジュール３５による加湿処理が行われる。即ち、燃料電池１の発電開始直後では、加湿モジュール３５のみが使用され、加湿ユニット３０を用いた加湿(噴射ノズル３１からの液水噴射)は行われない。

ＥＣＵ４０は、燃料電池１の発電中において、温度センサ２３で検知される冷却水温度を監視し、冷却水温度が所定の温度以上になった場合には、ポンプ２２を駆動させて、ラジエータ２１による冷却を行う。また、ＥＣＵ４０は、冷却水温度と、第１閾値(予めＥ
ＣＵ４０のメモリに格納されている)とを対比して、冷却水温度が第１閾値を上回るか否
かを判定する(ＯＰ３２)。

冷却水温度が第１閾値以下の場合(ＯＰ３２；ＮＯ)には、処理がＯＰ３１に戻る。これに対し、冷却水温度が第１閾値を上回る場合(ＯＰ３２；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ４０は、加湿ユニット３０による加湿処理を開始する(ＯＰ３３)。

即ち、噴射ノズル３１からの液水の噴射を開始する。ＥＣＵ４０は、上述した第１〜第３の制御例のいずれかを任意に適用して、噴射量を制御することができる。このようにして、燃料電池１の高温(第１閾値を上回る温度)時には、加湿モジュール３５と加湿ユニット３０との双方で、酸化剤ガスが加湿される。

その後、ＥＣＵ４０は、燃料電池１の温度(冷却水温度)が第２閾値(予めＥＣＵ４０の
メモリに格納されている)とを対比して、冷却水温度が第２閾値を下回るか否かを判定す
る(ＯＰ３４)。

冷却水温度が第２閾値以上である場合(ＯＰ３４；ＮＯ)には、ＯＰ３４の判定が繰り返し行われる。冷却水温度が第２閾値を下回る場合(ＯＰ３４；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ４０は、加湿ユニット３０による加湿処理を停止する(ＯＰ３５)。即ち、ＥＣＵ４０は、噴射ノズル３１からの液水の噴射を停止する。その後、処理がＯＰ３１に戻る。

なお、第１及び第２閾値は、同じ値であっても良く、第２閾値として第１閾値よりも低い温度が使用されても良い。

変形例１によれば、通常時(燃料電池１の高温時以外)は、加湿モジュール３５のみで酸化剤ガスを加湿し、高温時のみ補助で加湿ユニット３０を用いた液水加湿を実施する。これによって、噴射ノズル３１が接続された図示しない液水タンクに蓄えるべき液水量が低減される。また、加湿モジュール３５のサイズを、加湿ユニット３０が適用されない場合に比べて小型化することができる。

なお、加湿モジュール３５は、図６において二点鎖線で示したように、加湿ユニット３０の前段に配置されるようにしても良い。

《変形例２》
図２に示した加湿ユニット３０では、ハニカム３０２が環状体３０１及び発泡体３０３で断熱された構成を有し、高温の圧縮空気で加熱されたハニカム３０３が短時間で冷えないように構成されている。

このような構成に代えて、ハニカム３０２の周囲に、圧縮空気の熱と異なる熱源を配置し、ハニカム３０２を加熱する加熱手段が設けられていても良い。図８は、変形例２として、ハニカム３０２の周囲に、加熱手段を配置した例を示す。

図８において、ハニカム３０２が配置された配管１４の周囲には、配管１４を取り巻くようにして、加熱手段としての電熱線３６が配置されている。電熱線３６は、例えば、燃料電池１や他の電源(例えば蓄電池)からの電力を用いて発熱するように構成されている。電熱線３６からの熱は、配管１４の壁及び環状体３０１を介してハニカム３０２に伝わる。これによって、ハニカム３０２の温度を維持又は上昇させることができる。

なお、このような変形例２では、環状体３０１の材質として、電熱線３６を用いない場合よりも熱伝導率の高い材質が適用される。また、電熱線３６は、環状体３０１内に埋め込まれていても良い。また、電熱線３６を、高温の流体が流れる配管(配管３６Ａと称す
る)としても良い。例えば、配管３６Ａに導通させる冷媒(例えば、燃料電池１の冷却水の一部)が図示せぬ加熱器で所望の温度に昇温された後、配管３６Ａ内を流れる構成を適用
することができる。

《変形例３》
また、図２に示した加湿ユニット３０の構成に代えて、噴射ノズル３１から液水を噴霧せずに、噴霧せずに、液水をハニカム３０２内部に直進ノズルで導入し、壁面への付着を防止することが考えられる。直進ノズルにより、ハニカム３０２内部のチャンバへ水を導入し、チャンバ内に配置された反射板に水を当てて、水をせん断して微粒化し、ハニカム３０２内に水を封入する(図９Ａ)。また、複数の直進ノズルを有するとともに、各直進ノズルに応じた、内部に拡散板を有するチャンバを有するハニカムを設けることもできる。

図９Ａ及び図９Ｂは、加湿ユニット３０の変形例(変形例３)の説明図である。図９Ａにおいて、加湿ユニット５０は、チャンバ５１を形成するハニカム５２を備えており、チャンバ５１内に、反射板５３が備えられている。また、チャンバ５１は、配管１４の上流側に開口した開口部を有している。ノズル３１Ａは、直線上の水を噴射する直進ノズルであり、ノズル３１Ａから噴射した水が直進して開口部を通過し、チャンバ５１内の壁面に当たる位置に、反射板５３が配置されている。

ノズル３１Ａから吐出される液水は、配管１４内をその軸方向に直進し、反射板５３に当接する。当接した水は、水を吐出する。吐出された水は、反射板７４によって跳ね返されて、チャンバ５１内で拡散し、ミスト化する。ミスト化した水は、ハニカム５２内に導入されて気化する。

図９Ａに示した構成では、直進ノズルであるノズル３１Ａを用いてチャンバ５１内に一旦水を導入し、反射板５３で反射されて微粒状となった水がハニカム５２内に導入される。

これによって、より多くの水を確実にハニカム５２内に導入し、気化させることができる。また、直進ノズルを用いることで、ハニカム２１３に供給される水の勢いをより強くすることができるため、ハニカム２１３の壁面上に蒸気膜が形成される場合にも、その影
響を受けずにハニカム５２内に液水を導入することが容易となる。

図９Ａに示す例では、ノズル３１Ａおよびチャンバ５１が一つずつ設けられた例を示した。この構成に代えて、複数のノズル及び複数のチャンバが設けられていても良い。図９Ｂに示す例では、２つのチャンバ５１Ａ，５１Ｂを有するハニカム５２Ａを備えている。２つのチャンバ５１Ａ，５１Ｂの内部には、図９Ａと同様に、反射板５３Ａ，５３Ｂが夫々設けられている。また、二つの反射板５３Ａ，５３Ｂの夫々に対応する二つの直進ノズルたるノズル３１Ｂ，３１Ｃが設けられている。

２つのうちの一方のノズル３１Ｂは、２つのうちの一方のチャンバ５１Ａ内の反射板５３Ａに向かって水を吐出し、他方のノズル７１８は、他方のチャンバ５１Ｂ内の反射板５３Ｂに向かって水を吐出する。各チャンバ５１Ａ，５１Ｂ内に吐出された水は、反射板５３Ａ，５３Ｂによって跳ね返され、チャンバ５１Ａ，５１Ｂ内で拡散し、ミスト化(微粒
化)する。そして、圧縮空気の流れによりハニカム５２Ａ内に導入され、ハニカム５２Ａ
内で気化する。

図９Ｂの構成によれば、図９Ａと同様の作用効果を奏すると共に、複数のチャンバ５１Ａ，５１Ｂ内に水を供給することで、より均一な状態で液水をハニカム内に導入可能となる。このような構成は、ハニカム端面に正対する位置にノズルを配設することが困難な場合にも適用可能である。

なお、反射板７４としては、例えば、セラミックなどの高密度な多孔体によって構成することができる。また、反射板７４は、平滑板状に形成しても良いし、凹面あるいは凸面といった曲面を形成する形状としても良い。曲面とすることで、水の推進力を効果的に分散して、液水を良好にミスト化し、ハニカム内への導入を促すことができる。

また、図９Ａ及び図９Ｂに示した構成において、反射板５３，５３Ａ，５３Ｂを除いた構成を適用することもできる。

《変形例４》
図１０〜図２２は、加湿ユニット３０の変形例を示す図である。図１０〜図２２では、特に必要が無い限り、配管１４やノズルの記載は省略する。

図１０において、加湿ユニット６０は、図２と同様のハニカム３０２を備えており、さらにその入口部（凹面３０４を形成する端部周辺）において、受け板６１を備えている。受け板６１は、凹面３０４を形成するハニカム３０２の端面の外周に沿って設けられた部材であり、ハニカム３０２内に導入されずに跳ね返された液水を保持するための構造である。図１０では、受け板６１を断面が略三角形となる形状で示しているが、ハニカム３０３内に導入されなかった水をハニカム３０２の入口部で保持可能な形状であればよい。

ハニカム３０２内に導入されず、受け板６１によって保持された水は、上流側から流れる高温の圧縮空気の熱によって気化しつつ、圧縮空気の流れに導かれてハニカム３０２内に導入される。受け板６１に保持された水がハニカム３０２内に導入されると、この水は、ハニカム３０２を構成するセルの壁面と接触してこれと熱交換し、次第に気化して圧縮空気中に混合される。

このようにすれば、ノズル３１から噴霧された液水の一部がハニカム３０２内に導入されなかった場合にも、これを受け板６１で保持することで、ハニカム３０２内への導入を促すことができる。したがって、最終的にハニカム３０２内に導入されて圧縮空気中に混合される水の量をより多くすることができる。

このような構成が適用されることで、過渡応答時、ガスの昇温に対して気化量が応答するように、ハニカム内に水を溜められるようにしておき、加湿ユニットを、流量の増減に合わせて気化量が応答できるバッファとすることができる。なお、受け板６１は、ハニカム３０２の端面の近傍において、水が落下して滞留する下部領域で水を保持可能となるように、設けても良い。

図１１は、加湿ユニット３０の変形例(加湿ユニット６２)を示す図である。図１１において、加湿ユニット６２は、ハニカム６３を備えると共に、ハニカム６３の外周面に接する吸湿部６４を備えている。吸湿部６４は、吸湿性材料、例えば、シリカゲルや酸化カルシウム、あるいはゼオライトによって構成することができる。ハニカム６３と吸湿部６４とを合わせた端面全体で、既述した凹面３０４を形成している。ハニカム端面に形成される凹面３０４で跳ね返され、ハニカム６３端面近傍に滞留する水は、この吸湿部６４によって一旦吸収される。その後、吸収された水は、隣接するハニカム６２の有する熱によって、主として吸湿部６４とハニカム６３との接触部において気化し、ハニカム６３内を通過する圧縮空気中に混合される。このような構成とすることで、図１０と同様の効果を得ることができる。なお、吸湿部６４は、ハニカム６３の外周面全体と接するように設ける必要はなく、上記端面近傍の下部領域に流れ落ちた水を吸収・保持可能となるように設ければよい。

図１２は、加湿ユニット３０の変形例(加湿ユニット６５)を示す図である。図１２において、加湿ユニット６５は、図２と同様のハニカム３０２を備える。但し、ハニカム３０２は、凹面３０４が形成されるその端面近傍において、平坦部３０５を形成している。平坦部３０５は、凹面３０４から連続して形成され、所定の範囲にわたって水平方向になだらかに広がる面である。ハニカム３０２内に導入されなかった水は、この平坦部３０５上に一旦保持されて、上流側から流れる高温の圧縮空気の熱によって気化しつつ、圧縮空気の流れに導かれてハニカム３０２内に導入される。平坦部３０５からハニカム３０２内に導入された水は、ハニカム３０２を構成するセルの壁面と接触してこれと熱交換し、次第に気化して圧縮空気中に混合される。このような構成とすることで、図１０と同様の効果を得ることができる。なお、平坦部３０５もまた、ハニカム３０２の端面の外周全体に沿って設ける必要はなく、上記端面近傍の下部領域で水を保持可能となるように設ければよい。

《変形例５》
図１３は、加湿ユニット３０(図２)の変形例(加湿ユニット６６)を示す図である。加湿ユニット６６は、ハニカム３０２に代えて、圧縮空気が導入される側に配設された低密度ハニカム６７と、この低密度ハニカム６７に隣接して設けられた高密度ハニカム６８とを備えるハニカム６９を備えている。低密度ハニカム６７において、圧縮空気及び噴射ノズル３１から噴霧された水が導入される側の端面は、既述したハニカム３０２と同様に、凹面３０４が形成されている。低密度ハニカム６７は、これが備える各セルの断面積が、高密度ハニカム６８が備える各セルの断面積に比べて小さくなるように形成されている。

このような構成とすれば、上記端面を凹面３０４とすることによる効果に加えて、噴霧された液水が導入される開口部を大きく形成することにより、噴霧された液水をハニカム内部に導入する効率を向上させ、噴霧された液水を気化させる効率を向上させることができる。ここで、下流側には高密度ハニカム６８を配設しているため、加湿ユニット６６全体としては、ハニカムの表面積を充分に確保して、充分な効率で液水と改質ガスとの熱交換を行なうことができる。

図１４Ａ，図１４Ｂ及び図１４Ｃは、低密度ハニカム６７の断面形状の例を示す図であ
る。図１４Ａに示す低密度ハニカム６７は、平行に配設された複数の横板のみで形成することによって、各々の開口部をより大きく確保している。図１４Ｂに示す低密度ハニカム６７は、上記平行に配設された横板に加えて、さらに縦板を設けて強度を確保しているが、縦板を配設する間隔を充分に広くとることによって、開口部をより大きく形成している。図１４Ｃに示す低密度ハニカム６７は、比較的多くの水が吹き付けられる中央部に設けられるセルの開口部をより大きく形成して、より多くの液水が内部に導入され易い形状としている。なお、図１４Ｃの構成では、中央部付近の開口部を大きくした分、周辺部の開口部を小さく形成しており、これによって、ハニカム表面積を、低密度ハニカム全体として充分に確保している。

《変形例６》
図２に示した加湿ユニット３０では、噴射ノズル３１は、凹面３０４を形成するハニカム３０２端面の中心部付近に向かって、圧縮空気の流れ方向と略平行となる向きに、水を噴霧する。図１５は、加湿ユニット３０の変形例(加湿ユニット７０)を示す。加湿ユニット７０に適用される噴射ノズル３１は、配管１４の上部壁面の近傍に設けられており、噴射ノズル３１は、圧縮空気の流れ方向下流側の斜め下方に向けて水を噴霧する。また、加湿ユニット７０のハニカム７１は、噴射ノズル３１が噴霧する水に対して略正面から対向する形状の凹面を、圧縮空気が流入する端面に形成している。

このような場合にも、ハニカム７１端面に形成された凹面に向かって水を噴霧することで、加湿ユニット３０と同様の効果を得ることができる。図２に示したように、ハニカム３０２端面の中心部付近に向かって圧縮空気の流れ方向と略平行となる向きに水を噴霧するように、ノズル３１を配設することが困難な場合もある。そのような場合には、ノズルが噴霧する水に対して略正面から対向するように、ハニカム端面の凹面を形成すればよい。例えば、ノズルが配設される位置およびその向きが、ハニカム端部に形成される凹面の中心軸とほぼ重なるようにすることが望ましい。なお、ハニカム端面に形成する凹面は、ノズルが水を噴霧する際にミストが広がる形状に対応した形状とすることが望ましい。図１６に、図１５に示したハニカム７１に比べてミスト形状により近い形状の凹面を有するハニカム７３を備える加湿ユニット７２を示す。

《変形例７》
ハニカムに向かって水を噴射するノズルは、複数設けられても良い。図１７は、加湿ユニット３０(図２)の変形例(加湿ユニット７４)を示す。図１７において、２つの噴射ノズル３１が設けられている。一方のノズル３１は、配管１４の上部壁面の近傍に設けられており、圧縮空気の流れ方向下流側の斜め下方に向けて水を噴霧する。他方のノズル３１は、配管１４の下部壁面の近傍に設けられており、圧縮空気の流れ方向下流側の斜め上方に向けて水を噴霧する。また、加湿ユニット７４は、ハニカム３０２を備えている。ハニカム３０２は、上記２つのノズル３１のそれぞれに対応して、各々のノズル３１に対向する２つの凹面を、圧縮空気が流入する端部に形成している。すなわち、上記一方のノズル３１に対しては、下に凸となる形状の凹面が形成されており、上記他方のノズル３１に対しては、上に凸となる形状の凹面が形成されている。

このような場合にも、ハニカム端面に形成された凹面に向かって水を噴霧することで、既述した加湿ユニット３０と同様の効果を得ることができる。特に、図１７の例では、対称な位置に２つのノズル３１を配設しているため、ハニカム３０２に対して充分に均一に水を噴霧することが可能となる。あるいは、複数のノズル３１を備えることで、水の噴霧に用いるノズルの数を増減することが可能となり、これによって、水を噴霧する際のターンダウン比を向上させることが可能となる。

また、複数のノズルを配設する際に、図１８に示すように、互いに対称とはならない位
置に設けることも可能である。図１８に示す加湿ユニット７５に対して、２つのノズル３１が設けられている。これら２つのノズル３１は、共に、配管１４の上部壁面の近傍に設けられており、圧縮空気の流れ方向下流側の斜め下方に向けて水を噴霧する。また、加湿ユニット７５は、ハニカム３０２を備え、ハニカム３０２は、上記２つのノズル３１のそれぞれに対応して、各々のノズル３１に対向する２つの凹面を、圧縮空気が流入する端面に形成している。すなわち、ハニカム３０２の端部には、下に凸となる形状の凹面が、２つ並んで形成されている。このような場合にも、複数のノズル３１を用いて、液水をより均一な状態でハニカム内に導入することができると共に、加湿ユニット３０と同様の効果を得ることができる。

《変形例８》
図１９は、加湿ユニット３０(図２)の変形例(加湿ユニット７６)を示す。加湿ユニット７６は、内部に所定の空間７７が形成されたハニカム７８を備えている。また、加湿ユニット７６に対して、上記空間７７内に水を噴霧する噴射ノズル３１が設けられている。ハニカム７８に対しては、圧縮空気が導入される。このため、ノズル３１から空間７７内に噴霧された液水は、圧縮空気の流れに導かれてハニカム７８内を下流側に流れる。このとき、噴霧された液水は、ハニカム７８を構成する各セルの壁面と接触しながらこれと熱交換し、気化して圧縮空気中に混合される。

加湿ユニット７６によれば、ハニカム７８の内部の空間７７に水を噴霧する。このため、噴霧した水を無駄なくハニカム７８内に導入して、これを気化させることが可能となる。高温のハニカム壁面に液水が吹き付けられると、その表面に蒸気膜が形成され、いわゆるライデンフロスト現象によって液水が跳ね返されてしまうおそれがある。図１９に示した例では、ハニカム７８内部に水を噴霧するため、空間７７内においてこのように液水が跳ね返されても、液水がハニカム７８の外部に放出されることはない。噴霧された水は、最終的には、圧縮空気の流れに導かれて、ほぼ全てをハニカム７８内に導入することが可能となる。また、ハニカム７８内で水を噴霧するため、ハニカムの外部から水を噴霧する場合に比べて、より強い勢いでハニカム７８内に水を噴射することが可能となり、跳ね返されることなくハニカム内に水を導入することがより容易になる。より多くの量の液水を確実にハニカム７８内に導入できることにより、ノズル３１から噴霧した水の気化の効率化を高めることができる。

ハニカム内に水を噴霧するノズル、および、ハニカム内に形成されて水が噴霧される空間は、複数設けることができる。図２０は、図１９の変形例であり、図２０に示す加湿ユニット７９では、配管１４の上下方向から、ハニカム８０の上下方向に夫々設けられた空間８１,８２内に水を噴霧する二つのノズル３１が設けられている。このように、複数箇
所から水を噴霧することで、より均一にハニカム８０内に液水を導入することができる。

《変形例９》
図２１は、加湿ユニット３０(図２)の変形例(加湿ユニット８３)を示す。加湿ユニット８３は、ハニカム８４と、傾斜フィン８５とを備えている。傾斜フィン８５は、ハニカム８４に隣接して、圧縮空気の流れ方向の上流側に配設されており、圧縮空気が導入される側の端面が図２と同様の凹面３０４で形成されている。この傾斜フィン８５は、図２１に示すように、隣接するハニカム８４側に向かって重力方向に傾斜して互いに平行に配設される複数の薄板状部材を備える。なお、このような傾斜フィン８５の端面形状は、図１４Ａに示した面形状と同様の形状になる。

ノズル３１から噴霧された液水が傾斜フィン８５端部の開口部内に入り込むと、上記傾斜して配設される複数の薄板状部材によって、ハニカム８４側に導かれる。ハニカム８４側に導かれた液水は、圧縮空気の流れによって、さらにハニカム８４内に導かれ、この内
部で気化する。

加湿ユニット８３によれば、傾斜フィン８５端部の開口部内に入り込んだ液水が、傾斜する薄板状部材によってハニカム８４側に導かれるため、傾斜フィン８５やハニカム８４の表面に既述した蒸気膜が形成される場合にも、一旦開口部内に入り込んだ液水が蒸気膜に跳ね飛ばされて再び上記凹面３０４から排出されてしまうのを防止することができる。そのため、ハニカム８４内に導入する液水の量を確保して、噴霧した液水の気化効率を充分に高くすることができる。傾斜フィン８５は、内部に一端入り込んだ液水を保持するための導入水保持部として働く。

図２２は、加湿ユニット３０(図２)の変形例(加湿ユニット８６)を示す。加湿ユニット８６は、図２１に示した傾斜フィン８５と同様の第１傾斜フィン８７に加えて、この第１傾斜フィン８７とハニカム８４との間に、第２傾斜フィン８８を備えている。第２傾斜フィン８８は、第１傾斜フィン８７とは逆に、隣接するハニカム８４側に向かって重力方向逆向きに傾斜して互いに平行に配設される複数の薄板状部材を備えている。ここで、第２傾斜フィン８８は、第１傾斜フィン８７と共に、導入水保持部を形成している。

ノズル３１から噴霧された液水が第１傾斜フィン８７の開口部内に入り込むと、第１傾斜フィン８７を構成する複数の薄板状部材によって、第２傾斜フィン８８側に導かれる。第１傾斜フィン８７と第２傾斜フィン８８とでは薄板状部材の傾斜の向きが異なっている(略逆向きになっている)。このため、第２傾斜フィン８８側に導かれた液水は、第１傾斜フィン８７と第２傾斜フィン８８との接続部付近に滞留する。この滞留した液水は、第１傾斜フィン８７および第２傾斜フィン８８の壁面や、圧縮空気と熱交換することによって気化する。このような構成としても、図２１と同様の効果を得ることができる。さらに、第１傾斜フィン８７と第２傾斜フィン８８との接続部付近に液水が保持されることで、気化しない状態の液水が圧縮空気によって吹き飛ばされて、発泡体３０３側に偏在することを防止することができる。

なお、上述した実施形態及びその変形例は、本発明の目的を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜組み合わせることができる。

また、上記した実施形態及びその変形例は、酸化剤極に供給する酸化剤ガス(圧縮空気)を加湿する加湿ユニットに対する噴射量制御について説明したが、図２に示したような加湿ユニットの構成は、シフト反応に供する水を気化させて改質ガスに加えるための装置、あるいは、シフト反応に先立って改質ガスを降温させるための装置についても適用が可能であり、上述した第１〜第３の制御例は、これらの装置における水の噴射量制御に適用が可能である。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図２は、図１に示した加湿ユニットとこれに関連する構成の説明図である。図３は、加湿ユニットを用いた第１の制御例(第１の噴射量制御例)を示すフローチャートである。図４は、加湿ユニットを用いた第２の制御例(第２の噴射量制御例)を示すフローチャートである。図５は、加湿ユニットを用いた第３の制御例(第３の噴射量制御例)を示すフローチャートである。図６は、図１に示した燃料電池システムの変形例(変形例１)を示す図である。図７は、図６に示した燃料電池システムに適用される加湿制御の例を示すフローチャートである。図８は、図２に示した加湿ユニットの変形例(変形例２)を示す図である。図９Ａは、図２に示した加湿ユニットの変形例(変形例３)を示す図である。図９Ｂは、図９Ａに示した変形例と同様の考え方で、チャンバ及びノズルの数を複数にした場合を示す。図１０は、加湿ユニットの変形例を示し、ハニカム端面に受け板を設けた例を示す。図１１は、加湿ユニットの変形例を示し、ハニカムの外周面に保湿材を設けた例を示す。図１２は、加湿ユニットの変形例を示し、ハニカムの凹面に連続する平坦面を設けた例を示す。図１３は、加湿ユニットの変形例を示し、低密度ハニカムと高密度ハニカムとからなるハニカムを適用した例を示す。図１４Ａは、低密度ハニカムの断面(端面)の形状例を示す。図１４Ｂは、低密度ハニカムの断面(端面)の形状例を示す。図１４Ｃは、低密度ハニカムの断面(端面)の形状例を示す。図１５は、加湿ユニットの変形例を示し、ノズルが上方から斜め下側に向かって液滴を噴射し、ハニカムがそれに応じた曲面を有する例を示す。図１６は、加湿ユニットの変形例を示し、ノズルが上方から斜め下側に向かって液滴を噴射し、ハニカムがそれに応じた曲面(凹面)を有する例を示す。図１７は、加湿ユニットの変形例を示し、複数のノズルと各ノズルに対応する曲面(凹面)を有する例を示す。図１８は、加湿ユニットの変形例を示し、複数のノズルと各ノズルに対応する曲面(凹面)を有する例を示す。図１９は、加湿ユニットの変形例を示し、ハニカム内部に空間が設けられ、該空間内にノズルからの水が噴射される例を示す。図２０は、加湿ユニットの変形例を示し、ハニカム内部に複数の空間が設けられ、各空間内に複数のノズルからの水が噴射される例を示す。図２１は、加湿ユニットの変形例を示し、ハニカムに隣接する傾斜フィンが設けられた例を示す。図２２は、加湿ユニットの変形例を示し、ハニカムに隣接して、第１傾斜フィンと第２傾斜フィンとが設けられた例を示す。

符号の説明

１・・・燃料電池
２・・・水素タンク
３・・・調圧弁
４・・・逆止弁
５，７，１０・・・配管
６・・・水素ポンプ
９・・・排気弁
１１・・・希釈器
１３・・・エアコンプレッサ
１４，１５，１７・・・配管
１６・・・背圧弁
１９，２０・・・配管(冷却水管)
２１・・・ラジエータ
２２・・・冷却水ポンプ
２３・・・温度センサ
３０・・・加湿ユニット
３１・・・噴射ノズル(ノズル)
３２・・・湿度センサ(測定手段)
３３・・・温度センサ(測定手段)
３５・・・加湿モジュール
３６・・・電熱線
４０・・・ＥＣＵ(制御手段)
５１・・・チャンバ
５２・・・反射板
６１・・・受け板
６４・・・吸湿部
７７，８１，８２・・・空間
８５・・・傾斜フィン
８７・・・第１傾斜フィン
８８・・・第２傾斜フィン
３０１・・・環状体
３０２・・・ハニカム(多孔質部)
３０３・・・発泡体(部材)
３０４・・・凹面

Claims

燃料電池システムを構成する燃料電池にガス流路を通じて供給されるガスを加湿するガス加湿装置であって、
前記ガス流路内にその内部を該ガスが通過する状態で配置され、その内部に導入される液水を前記ガスから得た熱で気化させる多孔質部と、
前記多孔質部に向かって液水を噴射するノズルと、
前記ガス流路内の前記多孔質部より下流側の位置で所定の物理量を測定する測定手段と、
前記測定手段で測定された物理量に基づいて、前記ノズルからの液水の噴射量を制御する制御手段と
を含む燃料電池システムのガス加湿装置。
前記ガス流路内において、前記多孔質部の下流側端部に設けられ、前記多孔質部内に導入された液水が該多孔質部内からその下流側へ移動するのを妨げる部材をさらに含む
請求項１記載の燃料電池システムのガス加湿装置。
前記測定手段は、前記ガス流路内の湿度と、前記ガス流路内の温度との少なくとも一方を含む前記所定の物理量を測定する
請求項１又は２に記載の燃料電池システムのガス加湿装置。
前記多孔質部を加熱する加熱手段をさらに備える
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムのガス加湿装置。
前記制御手段は、
前記測定手段で測定された前記ガス流路内の湿度から前記ノズルから噴射された液水の気化量を求め、
前記ノズルからの液水の噴射量が前記気化量より大きい場合に、前記燃料電池システムから要求される加湿量が前記噴射量より大きいか否かを判定し、前記要求加湿量が前記噴射量より大きくない場合には、前記ノズルからの液水の噴射量を減少させる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムのガス加湿装置。
前記制御手段は、前記要求加湿量が前記噴射量より大きい場合に、前記多孔質部に向かって流れるガスの温度を上昇させる
請求項５に記載の燃料電池システムのガス加湿装置。
前記制御手段は、
前記測定手段で測定された前記ガス流路内の温度が目標温度より大きいか小さいかを判定し、
前記温度が目標温度より大きい場合には、前記ノズルからの液水の噴射量を増加させ、
前記温度が目標温度より小さい場合には、前記ノズルからの液水の噴射量を減少させる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムのガス加湿装置。
前記制御手段は、
前記測定手段で測定された前記ガス流路内の湿度から前記ノズルから噴射された液水の気化量を求め、
前記ノズルからの液水の噴射量が前記気化量より大きい場合に、前記燃料電池システムから要求される加湿量が前記噴射量より大きいか否かを判定し、
前記要求加湿量が前記噴射量より大きい場合には、前記測定手段で測定された前記ガス流路内の温度が目標温度より大きいか小さいかを判定し、
前記温度が前記目標温度より小さい場合には、前記多孔質部に向かって流れるガスの温度を上昇させるとともに、前記ノズルからの液水の噴射量を増加させ、
前記温度が前記目標温度より大きい場合には、前記ノズルからの液水の噴射量を増加させる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムのガス加湿装置。
前記ガスは、エアコンプレッサから前記ガス流路内に供給される酸化剤ガスであり、
前記制御手段は、前記多孔質部に向かって流れる酸化剤ガスの温度を上昇させるために前記ガス流路の背圧を高める
請求項６又は８に記載の燃料電池システムのガス加湿装置。