(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から送り出されるオフガス中の水分を燃料電池へ送り込まれる供給ガスへ水透過膜によって受け渡して加湿する燃料電池用加湿装置であって、
前記水透過膜を有し、燃料電池からのオフガスを通過させる加湿器と、
前記加湿器を通過するオフガスを加熱する加熱手段を有することを特徴とする燃料電池用加湿装置。
【請求項２】
筒状のケーシング内に水透過膜からなる複数のチューブ状の中空糸が束ねられて設けられ、前記オフガス及び前記供給ガスのいずれか一方のガスが前記中空糸内へ通され、他方のガスが前記中空糸間へ通されることにより、オフガス中の水蒸気を供給ガスへ受け渡す加湿器を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項３】
前記加熱手段は、前記燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、前記加湿器の外周面に沿って流して接触させることにより、前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴とする請求項２記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項４】
前記加熱手段は、前記燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、前記オフガスを前記加湿器へ導く配管に沿って流して接触させることにより、前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴とする請求項２または請求項３記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項５】
前記加熱手段は、前記加湿器の外周面に巻回されて電力の供給により発熱するヒータからなり、該ヒータの熱によって前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴とする請求項２記載の燃料電池用加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気自動車等の走行車両のエネルギー源として用いられつつある燃料電池に設けられる加湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年より、クリーンなエネルギー源として、固体高分子型の燃料電池を用いた電気自動車等の走行車両が開発されつつあり、例えば、特開平６−１３２０３８号に示されるような固体高分子電解質型燃料電池が知られている。
一般に、この種の走行車両に用いられる固体高分子型の燃料電池は、水素イオン伝導性の固体高分子を白金触媒を担持したカーボン電極で挟み込んで構成される発電素子つまり固体高分子電解質膜−電極接合体及び各電極面に、それぞれの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、発電素子を両側から支持するガス分離部材とを積層した構造を有している。
【０００３】
そして、一方の電極に燃料用供給ガスとして水素ガスを供給し、他方の電極に酸化剤用供給ガスとして酸素あるいは空気を供給して、燃料用供給ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギーを直接電気エネルギーとして抽出するようになっている。
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ーを取り出すことができるようになっている。
【０００４】
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、エネルギー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固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。
このため、この種の燃料電池には、燃料用供給ガス及び酸化剤用供給ガス等の供給ガスを加湿して固体高分子電界質膜へ水分を供給し、良好な反応を維持させる加湿装置が設けられている。
【０００５】
ここで、この加湿装置の構造を図７に示すものを例にとって説明する。
図において、符号１は、加湿装置である。この加湿装置１には、スーパーチャージャー２によって加圧された外気が酸化剤用供給ガスとして供給ガス用配管５へ送り込まれるようになっており、この送り込まれた供給ガスは、加湿装置１によって加湿されて燃料電池（以下スタックという）３へ送り込まれ、酸素が酸化剤として用いられ、オフガスとして排気されるようになっている。
【０００６】
また、スタック３での反応時に発生した水を含んだオフガスは、スタック３からオフガス用配管６へ送り出されて、加湿装置１へ送り込まれ、含まれる水蒸気が加湿装置１にて供給ガスへ受け渡され、その後、排気されるようになっている。
なお、図中符号４は、オフガス用配管６に設けられてスタック３の内圧を調整する圧力調整弁である。
【０００７】
加湿装置１には、その内部に、図８及び図９に示すような加湿器１１が設けられている。
この加湿器１１は、水蒸気透過膜（水透過膜）からなる複数のチューブ状の多孔質中空糸１２を束ねたもので、両端近傍における周面に複数の開口部１３が形成された円筒状のケーシング１４内に収納され、その両端では、中空糸１２の外表面同士及び中空糸１２の外表面とケーシング１４の内周面とが気密されている。
【０００８】
そして、この加湿器１１には、供給ガスが、ケーシング１４の一端側の開口部１３から送り込まれて中空糸１２間の隙間を通され、他端側の開口部１３から送り出されるようになっており、また、スタック３からのオフガスが、他端から中空糸１２内へ送り込まれ、一端から送り出されるようになっている。
【０００９】
中空糸１２は、図１０に示すように、無数の毛管部１５を有するもので、中空糸１２内へ送り込まれたオフガス中の水蒸気が、毛管部１５内にて凝縮して外周側へ移動し、供給ガスへ蒸発して受け渡されるようになっている。
つまり、この加湿器１１にて、オフガス中の水分が供給ガスへ受け渡され、これにより、供給ガスが加湿されるようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この加湿装置１では、加湿器１１にて、中空糸１２から供給ガスへ水分が蒸発して受け渡される際に、図１１に示すように、スタック３が出力アップして中空糸１２での水の透過量が増加すると、その増加にともなって気化潜熱により温度が低下する。
【００１１】
そして、このように気化潜熱によって温度低下が生じると、中空糸１２内を通るオフガス中の水蒸気の凝縮量も、図１２に示すように、スタック３での出力に応じて増加する。
ここで、図１３に示すように、中空糸１２におけるオフガスに含まれている水分の回収量は、オフガス中の水蒸気分量に比例して増加する。
【００１２】
つまり、前述のように、中空糸１２内を通るオフガス中の水蒸気が凝縮して液化すると、この液化した水が供給ガスへ受け渡されずに中空糸１２の外部へ排出されてしまい、中空糸１２における水透過量が減少し、水回収量が低下してしまい、効率が低下してしまうという問題があった。
なお、図１４に示すものは、スタック３の出力（５ｋｗ、３０ｋｗ、６０ｋｗ）毎においてオフガスが凝縮した水分量とオフガス中の水回収量との関係を示している。
【００１３】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、スタックから送り出されるオフガスからの水回収量の減少を防止して、スタックの効率を良好な状態に維持させることが可能な燃料電池用加湿装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池用加湿装置は、燃料電池から送り出されるオフガス中の水分を燃料電池への供給ガスへ水透過膜により受け渡して加湿する燃料電池用加湿装置であって、前記水透過膜を有し、燃料電池からのオフガスを通過させる加湿器と、前記加湿器を通過するオフガスを加熱する加熱手段を有することを特徴としている。
【００１５】
ここで、水透過膜では、オフガス中の水蒸気が供給ガス中へ蒸発して受け渡されることより、その気化潜熱によって温度が低下し、この温度低下に伴ってオフガスの温度低下も引き起こし、オフガス中の水蒸気が液化することとなる。このようにオフガス中の水蒸気が液化して特に水滴となると、水透過膜によって供給ガスへ受け渡されずに加湿装置の外部へ排出される割合が大きくなる。
【００１６】
しかしながら、請求項１記載の発明は、燃料電池から送り込まれるオフガスを加熱手段によって加熱するものであるので、オフガス中の水分が水透過膜によって供給ガスへ水蒸気となって受け渡される際の気化潜熱によるオフガスの温度低下を抑制することができる。これにより、オフガスの温度が低下し、オフガス中の水蒸気が凝縮して液化し、そのまま排出されてしまうことによる水回収量の減少を確実に防止することができ、これにより、オフガスの水分の供給ガスへの確実かつ良好な受け渡しを行い、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００１７】
請求項２記載の燃料電池用加湿装置は、請求項１記載の燃料電池用加湿装置において、筒状のケーシング内に水透過膜からなる複数のチューブ状の中空糸が束ねられて設けられ、前記オフガス及び前記供給ガスのいずれか一方のガスが前記中空糸内へ通され、他方のガスが前記中空糸間へ通されることにより、オフガス中の水蒸気を供給ガスへ受け渡す加湿器を有することを特徴としている。
【００１８】
つまり、燃料電池から加湿器へ送り込まれるオフガスが加熱手段によって加熱されることにより、加湿器内における供給ガスへの水分の受け渡し時の気化潜熱によるオフガスの温度低下が抑制され、これにより、オフガスの温度が低下し、オフガス中の水蒸気が凝縮して液化し、そのまま加湿器の外部へ排出されてしまうことによる水回収量の減少を確実に防止することができ、これにより、加湿器内におけるオフガスの水分の供給ガスへの確実かつ良好な受け渡しを行い、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００１９】
請求項３記載の燃料電池用加湿装置は、請求項２記載の燃料電池用加湿装置において、前記加熱手段が、前記燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、前記加湿器の外周面に沿って流して接触させることにより、前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴としている。
【００２０】
すなわち、燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を加湿器の外周面に沿って流して接触させるものであるので、加湿器を加熱して、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
しかも、燃料電池の冷却水を用いるものであるので、オフガスを加熱させるために別途のエネルギーを不要とすることができ、経済的である。
【００２１】
請求項４記載の燃料電池用加湿装置は、請求項２または請求項３記載の燃料電池用加湿装置において、前記加熱手段が、前記燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、前記オフガスを前記加湿器へ導く配管に沿って流して接触させることにより、前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴としている。
【００２２】
これにより、燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、加湿器へオフガスを導く配管に沿って流して接触させることにより、オフガスを加熱してオフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００２３】
請求項５記載の燃料電池用加湿装置は、請求項２記載の燃料電池用加湿装置において、前記加熱手段が、前記加湿器の外周面に巻回されて電力の供給により発熱するヒータからなり、該ヒータの熱によって前記加湿器内へ送り込まれるオフガスを加熱することを特徴としている。
【００２４】
このように、加湿器の外周面に巻回されたヒータへ電力を供給して発熱させることにより、極めて容易に加湿器を加熱して、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の燃料電池用加湿装置を、図面を参照して説明する。なお、前述した従来技術と同一構造部分には、同一符号を付して説明を省略する。
図１において、符号２１は、本実施の形態の燃料電池用加湿装置である。この加湿装置２１には、冷却水用配管２２が接続されている。この冷却水用配管２２は、スタック３に接続されており、ポンプ２３によってスタック３内へ冷却水を循環させるようになっている。
【００２６】
図２に示すように、加湿装置２１には、加湿器１１を囲う加熱空間部２４が形成されており、この加熱空間部２４に、前記冷却水用配管２２が接続されている。
これにより、スタック３の冷却後、冷却水用配管２２へ送り出された高温の冷却水が、加湿装置２１の加湿器１１を囲うように形成された加熱空間部２４内へ送り込まれ、その後、この加熱空間部２４からポンプ２３が設けられた冷却水用配管２２へ送り出され、ポンプ２３によって加圧されて再びスタック３へ送り込まれ、このスタック３を冷却するようになっている。
【００２７】
これにより、この加湿装置２１では、スタック３の熱によって加熱された冷却水によって加湿器１１がそれぞれ加熱されることとなる。
【００２８】
そして、この加湿装置２１によれば、スタックを冷却することにより加熱された冷却水を加湿器１１の外周に形成された加熱空間部２４へ送り込んで、加湿器１１の外周面に沿って流して接触させるものであるので、加熱された高温の冷却水によって加湿器１１を加熱することができる。
【００２９】
これにより、オフガス中の水分が中空糸１２の水透過膜によって供給ガスへ水蒸気となって受け渡される際の気化潜熱によるオフガスの温度低下を抑制することができ、オフガスの温度が低下し、オフガス中の水蒸気が凝縮して液化し、そのまま排出されてしまうことによる水回収量の減少を確実に防止することができる。
【００３０】
したがって、オフガスの水分の供給ガスへの確実かつ良好な受け渡しを行い、スタック３での発電効率を確実に維持させることができる。
しかも、スタック３の冷却水を用いるものであるので、オフガスを加熱させるために別途のエネルギーを不要とすることができ、経済的である。
【００３１】
また、上記の例では、加湿装置２１を構成する加湿器１１の外周面にスタック３にて加熱された冷却水を接触させて加湿器１１内を通るオフガスの温度低下を抑えるようにしたが、図３に示すように、スタック３から送り出されるオフガスを加湿装置１１へ導くオフガス用配管６を冷却水によって加熱して、内部を流れるオフガスの温度低下を抑制するようにしても良い。つまり、この加湿装置２１では、図４に示すように、オフガス用配管６の外周側が円筒管２６によって覆われ、オフガス用配管６の外周と円筒管２６の内周との間へスタック３からの冷却水が導かれる構造となっている。
【００３２】
そして、この構造の加湿装置２１によれば、スタック３を冷却することにより加熱された冷却水を、加湿器１１へオフガスを導くオフガス用配管６に沿って流して接触させて加熱して、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、上記と同様に、スタック３での発電効率を確実に維持させることができる。
また、このオフガス用配管６を加熱させる構造を、前述した加湿器１１を加熱させる構造に組み合わせることにより、オフガスをさらに良好に加熱することができる。
【００３３】
図５に示すものは、冷却水を用いずにオフガスの温度低下を抑制する構造の加湿装置２１である。
この加湿装置２１には、電源３１からの電力により発熱するヒータ３２が設けられている。
【００３４】
つまり、図６に示すように、加湿装置２１を構成する加湿器１１には、その外周に、それぞれヒータ３２が巻回されている。
そして、この加湿装置２１によれば、電源３１からヒータ３２へ電力が供給されると、これらヒータ３２の発熱によって加湿器１１がそれぞれ加熱されされるようになっている。
【００３５】
つまり、この構造の加湿装置２１によれば、加湿器１１の外周面に巻回されたヒータ３２へ電力を供給して発熱させることにより、極めて容易に加湿器１１を加熱して、上記と同様に、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、スタック３での発電効率を確実に維持させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の燃料電池用加湿装置によれば、下記の効果を得ることができる。
請求項１記載の燃料電池用加湿装置によれば、燃料電池から送り込まれるオフガスを加熱手段によって加熱するものであるので、オフガス中の水分が水透過膜によって供給ガスへ水蒸気となって受け渡される際の気化潜熱によるオフガスの温度低下を抑制することができる。これにより、オフガスの温度が低下し、オフガス中の水蒸気が凝縮して液化し、そのまま排出されてしまうことによる水回収量の減少を確実に防止させることができ、これにより、オフガスの水分の供給ガスへの確実かつ良好な受け渡しを行い、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００３７】
請求項２記載の燃料電池用加湿装置によれば、燃料電池から加湿器へ送り込まれるオフガスが加熱手段によって加熱されることにより、加湿器内における供給ガスへの水分の受け渡し時の気化潜熱によるオフガスの温度低下が防止され、これにより、オフガスの温度が低下し、オフガス中の水蒸気が凝縮して液化し、そのまま加湿器の外部へ排出されてしまうことによる水回収量の減少を確実に防止することができ、これにより、加湿器内におけるオフガスの水分の供給ガスへの確実かつ良好な受け渡しを行い、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００３８】
請求項３記載の燃料電池用加湿装置によれば、燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を加湿器の外周面に沿って流して接触させるものであるので、加湿器を加熱して、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
しかも、燃料電池の冷却水を用いるものであるので、オフガスを加熱させるために別途のエネルギーを不要とすることができ、経済的である。
【００３９】
請求項４記載の燃料電池用加湿装置によれば、燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を、加湿器へオフガスを導く配管に沿って流して接触させることにより、オフガスを加熱してオフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【００４０】
請求項５記載の燃料電池用加湿装置によれば、加湿器の外周面に巻回されたヒータへ電力を供給して発熱させることにより、極めて容易に加湿器を加熱して、オフガスの温度低下を抑制し、供給ガスへの水分の受け渡しを確実にかつ良好に行わせて、燃料電池での発電効率を確実に維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する燃料電池の概略配管図である。
【図２】  本発明の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する加湿装置の概略側面図である。
【図３】  本発明の他の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する燃料電池の概略配管図である。
【図４】  本発明の他の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する加湿装置に繋がる配管の断面図である。
【図５】  本発明の他の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する燃料電池の概略配管図である。
【図６】  本発明の他の実施の形態の燃料電池用加湿装置の構成及び構造を説明する加湿装置の概略側面図である。
【図７】  加湿装置が設けられた燃料電池を説明する燃料電池の概略配管図である。
【図８】  加湿装置を構成する加湿器の構成及び構造を説明する加湿器の斜視図である。
【図９】  加湿装置を構成する加湿器の構成及び構造を説明する加湿器の断面図である。
【図１０】  加湿器を構成する水透過膜の構造を説明する水透過膜の断面図である。
【図１１】  加湿装置における燃料電池の出力とオフガスの温度との関係を示すグラフ図である。
【図１２】  加湿装置における燃料電池の出力とオフガス中の水分の凝縮量との関係を示すグラフ図である。
【図１３】  オフガス中の水蒸気分量と加湿装置における水回収量との関係を示すグラフ図である。
【図１４】  スタッドの出力に応じたオフガスの水蒸気が凝縮した水分量と加湿装置における水回収量との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
３  スタック（燃料電池）
６  オフガス用配管（配管）
１１  加湿器
１２  中空糸
１４  ケーシング
２１  燃料電池用加湿装置
２４  加熱空間部（加熱手段）
３２  ヒータ（加熱手段）
【図１】
0003725387.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003725387.tif 000011
【図１１】
0003725387.tif 000012
【図１２】
0003725387.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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