(57)【要約】【課題】中空糸束の部分的な劣化を抑制することが可能な燃料電池システムおよび加湿器を提供する。【解決手段】酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に供給される酸化ガスおよび燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器Ａ２１と、を備えた燃料電池システムにおいて、加湿器Ａ２１は、中空糸束１０２と、中空糸束１０２の内外周をそれぞれ流通する被加湿ガスまたは加湿ガスの導入孔である貫通孔１０４が形成されたボディ１０３とを有すると共に、貫通孔１０４が形成されたボディ１０３は、中空糸束１０２との相対位置が可変となるように設けられてなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスおよび燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムであって、
前記加湿器は、内外周のいずれか一方を流通する被加湿ガスと他方を流通する加湿ガスとの間の水分交換が可能な中空糸の束と、前記中空糸の束の外周を覆いこの外周に前記被加湿ガスまたは前記加湿ガスを導入する導入孔が貫通形成されたボディと、を有すると共に、前記中空糸の束のうち当該導入孔に対応する部分と前記導入孔との相対位置が可変とされてなる燃料電池システム。
【請求項２】
前記中空糸の束および前記導入孔の少なくともいずれか一方が、前記加湿器によって加湿された被加湿ガスを利用して発電する燃料電池の電力によって駆動される請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記中空糸の束と、前記導入孔を形成されたボディとが同軸上に設けられ、
前記中空糸の束および前記導入孔の少なくともいずれか一方が、前記軸を中心として、他方に対して相対的に回動する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
内外周のいずれか一方を流通する被加湿ガスと他方を流通する加湿ガスとの間の水分交換が可能な中空糸の束と、前記中空糸の束の外周を覆いこの外周に前記被加湿ガスまたは前記加湿ガスを導入する導入孔が貫通形成されたボディと、を有する加湿器であって、
前記中空糸の束のうち当該導入孔に対応する部分と前記導入孔との相対位置が可変とされてなる加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムに関し、特に、燃料電池に供給される空気に水分を加える加湿器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムには、酸化ガスとしての空気（外気）を燃料電池の空気供給口に供給するための空気供給路に、空気に所要の水分を加える加湿器を備えるものがある。加湿器としては、その内部に、多数の中空糸からなる中空糸束と、中空糸束の周囲を取り囲むボディとを有する加湿モジュールを備えるものが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。加湿モジュールのボディ（特許文献１におけるハウジング）には、中空糸束に空気を供給するための空気供給孔と、中空糸束に供給された空気を排出するための空気排出孔とが形成されている。
【特許文献１】特開２００５−１５５９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、従来の加湿器においては、中空糸束およびボディは双方とも固定されており、両者の相対的な位置関係が変化しない。そのため、中空糸束のうち空気供給孔に対応する部分が常に同じとなり、この空気供給孔に対応する部分には供給空気が直接当たるため、他の部分よりも機械的および化学的ストレスが多く作用する。その結果、この空気供給孔に対応する部分が局部的に劣化してしまう。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、中空糸束の部分的な劣化を抑制することが可能な燃料電池システムおよび加湿器の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスおよび燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムであって、前記加湿器は、内外周のいずれか一方を流通する被加湿ガスと他方を流通する加湿ガスとの間の水分交換が可能な中空糸の束と、前記中空糸の束の外周を覆いこの外周に前記被加湿ガスまたは前記加湿ガスを導入する導入孔が貫通形成されたボディと、を有すると共に、前記中空糸の束のうち当該導入孔に対応する部分と前記導入孔との相対位置が可変とされてなる。
【０００６】
また、本発明の加湿器は、内外周のいずれか一方を流通する被加湿ガスと他方を流通する加湿ガスとの間の水分交換が可能な中空糸の束と、前記中空糸の束の外周を覆いこの外周に前記被加湿ガスまたは前記加湿ガスを導入する導入孔が貫通形成されたボディと、を有する加湿器であって、前記中空糸の束のうち当該導入孔に対応する部分と前記導入孔との相対位置が可変とされてなる。
【０００７】
以上の構成によれば、中空糸の束および導入孔の少なくともいずれか一方が、他方との相対位置が可変となるように設けられているので、中空糸の束および導入孔の少なくともいずれか一方が変位すると、中空糸の束のうち、導入孔に対応する部分が移動する。これにより、導入孔から供給される被加湿ガスまたは加湿ガスが中空糸に直接当たる部分が固定されなくなるので、中空糸の束の特定部分のみが集中的に劣化することが抑制される。
【０００８】
本発明においては、前記中空糸の束および前記導入孔の少なくともいずれか一方が、前記加湿器によって加湿された被加湿ガスを利用して発電する燃料電池の電力によって駆動されても良く、この構成によれば、中空糸の束の部分的な劣化を抑制するための機構を燃料電池システム内で完結させることができる。
【０００９】
本発明においては、前記中空糸の束と、前記導入孔を形成されたボディとが同軸上に設けられ、前記中空糸の束および前記導入孔の少なくともいずれか一方が、前記軸を中心として、他方に対して相対的に回動しても良く、この構成によれば、中空糸の束およびボディの少なくともいずれか一方が前記軸に沿って相対的に移動する場合に比して、加湿器の大型化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システムおよび加湿器によれば、中空糸束の部分的な劣化を抑制することができ、ひいては加湿器全体の耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１２】
図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気（外気、被加湿ガス）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。加湿器Ａ２１の構造については後述する。
【００１３】
燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス、加湿ガス）は、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ３を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１４】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００１５】
水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。
【００１６】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料ガスのオフガス）として水素循環路７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。
【００１７】
遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００１８】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって加湿器Ａ２１の下流側の排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池２０から排出された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００１９】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。また、ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２０】
燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２１】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００２２】
加湿器Ａ２１は、図２および図３に示すように、コンプレッサＡ３から空気供給路７１を通じて燃料電池２０に供給される空気（被加湿ガス）と、燃料電池２０から排気路７２を通じて外部に排出される空気オフガス（加湿ガス）との間で水分交換を行って空気に水分を加える。加湿器Ａ２１は、図２に示すように、加湿モジュール１００と、加湿モジュール１００を収容するケーシング１２０とを備えている。
【００２３】
加湿モジュール１００は、多数の中空糸１０１を束ねた中空糸束１０２と、中空糸束１０２の周囲を取り囲む円筒形のボディ１０３とを備えている。中空糸束１０２の外周の一部を覆うボディ１０３は、同ボディ１０３の中心軸線が中空糸束１０２の長さ方向の中心軸線と一致するように配置されている。また、中空糸束１０２とボディ１０３との間には、両者が干渉し合わないように僅かな隙間が設けられている。
【００２４】
中空糸束１０２は、両端が閉じられた円筒形のケーシング１２０の内側に、中空糸束１０２の中心軸線がケーシング１２０の中心軸線と一致するように配置されている。そして、中空糸束１０２の一端に近い外側面と、ケーシング１２０の内側面との間に、周方向に沿って無端の帯状に樹脂１３０が充填されるとともに、中空糸束１０２の他端に近い外側面と、ケーシング１２０の内側面との間に、同じように周方向に沿って無端の帯状に樹脂１３１が充填され、充填された樹脂１３０，１３１が硬化することによってケーシング１２０に中空糸束１０２が固定されている。
【００２５】
ケーシング１２０の一方の端壁には、コンプレッサＡ３から供給される空気を導入するための空気導入口１２１が形成されており、他方の端壁には、加湿された空気を燃料電池２０に向けて導出するための空気導出口１２２が形成されている空気導入口１２１および空気導出口１２２は、ケーシング１２０の各端壁の中央ではなく、周壁寄りに形成されている。また、空気導入口１２１は、空気導出口１２２に対してケーシング１２０のほぼ半周分ずれた位置に形成されている。
【００２６】
また、ケーシング１２０の周壁には、燃料電池２０から排出された空気オフガスを導入するための空気オフガス導入口１２３と、水分交換に供された空気オフガスを導出するための空気オフガス導出口１２４とが形成されている。空気オフガス導入口１２３は、中空糸束１０２の固着する一方の樹脂１３０よりも、ケーシング１２０の長さ方向の中心寄りに形成されており、空気オフガス導出口１２４は、中空糸束１０２の固着する他方の樹脂１３１よりも、ケーシング１２０の長さ方向の中心寄りに形成されている。また、空気オフガス導入口１２３は、空気オフガス導出口１２４に対してケーシング１２０のほぼ半周分ずれた位置に形成されている。
【００２７】
ケーシング１２０の内部空間は、無端状に充填された２つの樹脂１３０，１３１が隔壁となって３つに区画されている。そして、中空糸束１０２の一端が露出し、かつ空気導入口１２１が開口する空間が空気導入チャンバ１２５を構成し、中空糸束１０２の他端が露出し、かつ空気導出口１２２が開口する空間が空気導出チャンバ１２６を構成している。また、中空糸束１０２の両端を除く部分が露出し、かつ空気オフガス導入口１２３および空気オフガス導出口１２４が開口する空間が空気オフガスチャンバ１２７を構成している。
【００２８】
ボディ１０３は、中空糸束１０２とともにケーシング１２０の内側の空気オフガスチャンバ１２７に配置されている。ボディ１０３は、中空糸束１０２とケーシング１２０との間に充填された２つの樹脂１３０，１３１には固着されず、硬化した樹脂１３０と樹脂１３１との間で両端の周縁を周方向に回動自在に支持されている。つまり、ボディ１０３は、中空糸束１０２、ケーシング１２０、および硬化した樹脂１３０，１３１から大きな抵抗を受けず、中空糸束１０２のまわりを自由に回動することが可能である。
【００２９】
ボディ１０３の周壁には、複数の貫通孔（導入孔）１０４が、周方向に等間隔に離間して列をなすように形成されている。複数の貫通孔１０４の列は、ボディ１０３の長さ方向に離間して２列設けられている。各貫通孔１０４は円形で、その大きさはすべて同じである。
【００３０】
ケーシング１２０には、ボディ１０３を回動させる駆動部１４０が設けられている。駆動部１４０は、ボディ１０３の中空糸束１０２まわりの回転運動を、ラックアンドピニオン等の仕組みを利用して軸の回転に変換する変換機構１４１と、変換機構１４１の軸を回転させるモータ１４２とを備えている。モータ１４２は、燃料電池２０によって発電された電力によって駆動し、制御部５０によって制御される。
【００３１】
上記のように構成された加湿器Ａ２１においては、乾燥した空気（被加湿ガス）が、空気導入口１２１を通じてケーシング１２０の空気導入チャンバ１２５に導入される。空気導入チャンバ１２５に導入された空気は、コンプレッサＡ３の加圧作用によって中空糸束１０２の一端に露出する多数の中空糸１０１の小孔に押し込まれ、各中空糸１０１の内側を流れて中空糸束１０２の他端から流出する。
【００３２】
一方、燃料電池２０から排出された水分を多く含む空気オフガス（加湿ガス）が、空気オフガス導入口１２３を通じてケーシング１２０の空気オフガスチャンバ１２７に導入される。空気オフガスチャンバ１２７に導入された空気オフガスは、ボディ１０３に形成された複数の貫通孔１０４のいくつかを通じて中空糸束１０２（密集する中空糸１０１どうしの隙間）に流入し、ボディ１０３に形成された複数の貫通孔１０４の別のいくつかを通じて中空糸束１０２から流出する。
【００３３】
このとき、上述したようにボディ１０３は中空糸束１０２との相対位置を変化させるから、空気オフガスが流入する貫通孔１０４と、中空糸束１０２のうち当該貫通孔１０４に対応する部分とは固定されず、同様に空気オフガスが流出する貫通孔１０４と、中空糸束１０２のうち当該貫通孔１０４に対応する部分とは固定されない。また、ボディ１０３が移動しても、その前後で中空糸束１０２に流入する空気オフガスの量は変化せず、常に一定である。
【００３４】
加湿モジュール１００では、湿った空気オフガスに含まれていた水分が、乾燥した空気との蒸気圧差に依存して中空糸１０１の膜を透過し、透過した水分が乾燥した空気に付与されることによって空気が加湿される。加湿された空気は、空気導出チャンバ１２６に流入し、空気導出口１２２を通じて加湿器Ａ２１から排出される。水分を除かれた空気オフガスは、空気オフガスチャンバ１２７から空気オフガス導出口１２４を通じて加湿器Ａ２１から排出される。
【００３５】
上記構成からなる加湿器Ａ２１を備える燃料電池システム１では、貫通孔１０４を形成されたボディ１０３が駆動され、中空糸束１０２との相対位置を変化させる。ボディ１０３が変位すると、中空糸束１０２のうち、貫通孔１０４に対応する部分が移動する。これにより、中空糸束１０２のうち、貫通孔１０４から供給される空気が直接当たる部分が固定されなくなるので、中空糸束１０２の特定部分のみが集中的に劣化することがない。
【００３６】
したがって、本実施形態の燃料電池システム１によれば、中空糸束１０２の部分的な劣化を抑制することができ、ひいては加湿器Ａ２１全体の耐久性を向上させることができる。また、ボディ１０３を駆動するための電力供給源が燃料電池２０であるため、中空糸束１０２の部分的な劣化を抑制するための機構を燃料電池システム１内で完結させることができる。
【００３７】
さらに、中空糸束１０２とボディ１０３とが同軸上に設けられていると共にその軸を中心として相対的に回動するように構成されているので、中空糸束１０２とボディ１０３とが前記軸に沿って相対的に移動するように構成されている場合に比して、加湿器Ａ２１の大型化を抑制することができ、特に車両搭載上有利である。
【００３８】
ところで、本実施形態の燃料電池システム１では、中空糸束１０２がケーシング１２０に固定され、ボディ１０３が中空糸束１０２に対して回動自在に支持されているが、ボディ１０３がケーシング１２０に固定され、中空糸束１０２がボディ１０３に対して回動自在に支持されていてもよい。
【００３９】
また、本実施形態では、ケーシング１２０にボディ１０３を回動させる機構を設け、同機構を作用させてボディ１０３を強制的に回動させているが、例えば燃料電池システム１が車両に搭載される場合には、走行時等に加湿器Ａ２１に作用する振動等によって、ボディ１０３が周囲の各部材から大きな抵抗を受けることなく中空糸束１０２のまわりを自由に回動するように構成されていてもよい。
【００４０】
さらに、本実施形態では、多数の中空糸１０１の小孔（中空糸の内周）に乾燥した空気が流れ込み、密集する中空糸１０１どうしの隙間（中空糸の外周）に湿った空気オフガスが流れ込むように構成されているが、これとは逆に、密集する中空糸１０１どうしの隙間に乾燥した空気が流れ込み、多数の中空糸１０１の小孔に湿った空気オフガスが流れ込むように構成されていてもよい。また、被加湿ガスは、燃料電池２０に供給される水素ガス（燃料ガス）でもよい。
【００４１】
さらに、本実施形態では、貫通孔１０４の列が、ボディ１０３の周方向に形成されているが、複数の貫通孔１０４が螺旋を描くように配列されていてもよいし、波線を描くように配列されていてもよい。または、ボディ１０３の周壁に不規則に配置されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図２】加湿器の構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す加湿器のII−II線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池システム、１００…加湿モジュール、１０１…中空糸、１０２…中空糸束、１０３…ボディ、１０４…貫通孔（導入孔）、１２０…ケーシング、１４０…駆動部、Ａ２１…加湿器
【図１】
2008078018.tif 000003
【図２】
2008078018.tif 000004
【図３】
2008078018.tif 000005