(57)【要約】【課題】アフタークーラと加湿装置とを備える加湿システムを小型化する。【解決手段】供給ガス導入部４４からアフタークーラ４の熱交換部４１へ導入された供給ガスは、供給ガス通路４２を通過する際に冷却される。アフタークーラ４の供給ガス出口は、配管等を介さずに加湿装置５の供給ガス入口に直接接続されている。加湿装置５へ導入された供給ガス（乾燥ガス）は、中空糸膜モジュール５１の中空糸膜の内側を通流する間に、中空糸膜の外側を上方から下方へ通流する排出ガス（湿潤ガス）から水蒸気を与えられて加湿される。【選択図】    図２
2008108473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮により温度上昇した空気を冷却するアフタークーラと、アフタークーラで冷却された空気を加湿する加湿装置とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、
前記アフタークーラの空気出口が前記加湿装置の空気入口に直接結合されたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
【請求項２】
前記加湿装置は、燃料電池から排出された排出ガス中と燃料電池へ供給する供給ガスとの間で湿度交換させる中空糸膜モジュールを備えた水透過型加湿装置である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】
前記加湿装置は、中空糸膜モジュールに供給するガスが一時的に滞留する供給ガス上流側滞留部を備えた加湿装置であって、前記アフタクーラの熱交換部が前記供給ガス上流側滞留部となることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用加湿システム。
【請求項４】
前記アフタークーラーと前記加湿装置との結合部の開口面積が、前記中空糸膜モジュールの断面積とほぼ同一であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池用加湿システム。
【請求項５】
前記中空糸膜モジュールの断面積とほぼ等しい開口面積のガス導入部を有する供給ガス下流側滞留部を前記加湿装置の下流側に設けたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用加湿システム。
【請求項６】
前記アフタークーラの熱交換部、前記中空糸膜モジュール、及び前記供給ガス下流側滞留部を一方向に直列に配置したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用加湿システム。
【請求項７】
燃料電池から排出された排出ガスが、中空糸膜モジュール上流に配置された排出ガス上流側滞留部を経て中空糸膜モジュール内を上方から下方へ流れることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用加湿システム。
【請求項８】
前記中空糸膜モジュール下流側に排出ガス下流側滞留部を備え、該排出ガス下流側滞留部からガスを排出するガス排出部の位置が、前記排出ガス下流側滞留部の下端より上方にあることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用加湿システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に供給する反応ガスを加湿する燃料電池用加湿システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
このような燃料電池に用いられる固体高分子電解質に、良好な水素イオン伝導性を発揮させるためには、固体高分子電解質を湿潤状態に維持する必要がある。このため、燃料電池本体内に純水経路を設けて燃料電池本体内で電解質に加湿する内部加湿や、燃料電池に供給する水素ガスまたは空気に加湿する外部加湿が行われている。
【０００４】
外部加湿用の加湿装置としては、燃料電池から排出される高湿度の排出ガスと、燃料電池へ供給する水素または空気の乾燥した供給ガスとの間で中空糸膜を介して湿度交換させる中空糸膜型加湿装置が好んで使用される。中空糸膜型加湿装置は、加湿用水及び加湿用のエネルギーが不要であるので、特に小型軽量化が必要とされる車載用に適している。
【０００５】
燃料電池用の中空糸膜型加湿装置として、例えば、特許文献１に記載された加湿装置が知られている。この加湿装置は、円筒形のハウジング内に中空糸膜束を収容し、ハウジングの両端部で中空糸膜束の両端部を中空通路（内側ガス通路）を確保しつつハウジングの内表面に固着して中空糸膜モジュールを形成している。そして、ハウジング両端部に近い円筒側面に、それぞれ複数の開口部を設けて、一方の開口部から他方の開口部へ向かって中空糸膜の外側ガス通路を形成している。加湿装置としては、円筒状の中空糸膜モジュールを複数並列に用いて加湿装置とするとともに、各円筒間に生じる隙間に、冷却水で水素を加熱する熱交換器やガス流通管を配置することで、小型化を図ろうとしている。
【特許文献１】特開２００４−１６５０６４号公報（第６頁、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の加湿装置にあっては、複数の円筒状の中空糸膜モジュールを設けているので、中空糸膜モジュールのみならずハウジングとのシール部材など部品点数が増大し加湿装置の構造が複雑化するという問題点があった。
【０００７】
また、隣接する中空糸膜モジュール間の隙間を活用しているが、複数の円筒状中空糸膜モジュールを設けること自体が大きい実装空間を占有するという問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、中空糸膜モジュールを複数設けることで発生する余分なスペースの問題をなくし、熱交換器と加湿装置の構成を工夫することで、小型化、低圧損化、加湿性能向上を図れる加湿システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するために、本発明は、圧縮により温度上昇した空気を冷却するアフタークーラと、アフタークーラで冷却された空気を加湿する加湿装置とを備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記アフタークーラの空気出口が前記加湿装置の空気入口に直接結合されたことを要旨とする。
【００１０】
本発明においては、アフタークーラの空気出口の形状と、加湿装置の空気入口の形状とが互いに直接接続可能な形状とし、アフタークーラに隣接して加湿装置を配置することにより、アフタークーラの空気出口と加湿装置の空気入口とを、配管等を介することなく、直接結合することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成の本発明によれば、圧縮により温度上昇した空気を冷却するアフタークーラと、アフタークーラで冷却された空気を加湿する加湿装置とを備えた燃料電池用加湿システムを小型化することができるという効果がある。
【００１２】
また本発明においては、加湿装置における圧損を低減し、燃料電池へ空気供給するためのエネルギを節約して、燃料電池システムの燃費効率を高めることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池用加湿システムが適用される燃料電池システムの概略構成図である。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、燃料電池車両に好適な実施例である。
【００１４】
図１において、燃料電池システム１は、燃料ガスとして水素が供給されるアノード（燃料極）２ａと酸化剤として空気が供給されるカソード（酸化剤極）２ｂとを備えた燃料電池２を備えている。
【００１５】
燃料電池システム１は、空気系として、カソード２ｂへ供給するために空気を取り込んで圧縮するコンプレッサ３と、コンプレッサ３により圧縮されて高温となった空気を適温まで冷却するアフタークーラ４と、アフタークーラ４で冷却された空気（供給ガス）と、燃料電池２のカソード２ｂから排出された高温多湿の排空気（排出ガス）との間で湿度交換して、燃料電池へ供給する空気に加湿する加湿装置５と、加湿装置５で湿度交換後の排空気を圧力調整して排出する空気圧力調整弁６と備えている。
【００１６】
また、燃料電池システム１は、水素系として、水素ガスを高圧で貯蔵する水素タンク７と、水素タンク７から供給される高圧水素の圧力を調整する水素圧力調整弁８と、水素圧力調整弁８で圧力調整された新規供給水素ガスを駆動流として、燃料電池２のアノード２ａから排出された未反応の水素ガス（循環ガス）を吸引して新規供給水素ガスと混合してアノード２ａへ供給する流体ポンプであるエゼクタ９と、アノード２ａの出口から排出された循環ガスをエゼクタ９の吸引口へ戻す水素循環路１０と、水素循環路１０から系外へ不純物を含んだ循環ガスを排出するパージ弁１１と、を備えている。
【００１７】
さらに、燃料電池システム１は、燃料電池２の温度を適温に調整する図示しない温度調節系と、燃料電池２から電力を取り出す図示しない電力系とを備えている。
【００１８】
本発明に係る燃料電池用加湿システムは、図１におけるアフタークーラ４及び加湿装置５である。本発明の特徴は、アフタークーラ４の空気出口の形状と、加湿装置５の空気入口の形状とが互いに直接接続可能な形状であり、且つ、アフタークーラ４に隣接して加湿装置５を配置することにより、アフタークーラ４の空気出口と加湿装置５の空気入口とを配管等を介することなく、直接結合されていることである。
【００１９】
燃料電池２は、電解質膜・電極触媒複合体（ＭＥＡ）をアノード２ａとカソード２ｂとで挟んで重ね合わせた発電セルを、多段積層したスタック構造を呈し、以下の電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギへと変換する。
【００２０】
［アノード反応］：  Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋ ２ｅ-           …（化１）
［カソード反応］：  ２Ｈ+ ＋ ２ｅ-  ＋ 1/2Ｏ2 → Ｈ2Ｏ  …（化２）
アノード２ａでは、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード２ｂにそれぞれ移動する。カソード２ｂでは、供給された空気中の酸素と水素イオンおよび電子が反応して水が生成されて外部に排出される。
【００２１】
燃料電池２の電解質膜としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質を用いる。固体高分子体電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜、芳香族炭化水素樹脂系イオン交換膜など、水素イオン伝導性の高分子膜からなり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池においては水を供給して供給ガスを加湿することが必要となる。
【００２２】
加湿装置５は、燃料電池２のカソード２ｂから排出された水蒸気を豊富に含む排出ガスと、コンプレッサ３で加圧されアフタークーラ４で冷却された供給ガス（空気）との間で水蒸気透過膜を介して水蒸気を交換するためのものである。加湿装置５は、水蒸気透過膜として中空糸膜を用いた中空糸膜モジュールを備えている。
【００２３】
加湿装置５の中空糸膜モジュールは、湿潤ガス（排出ガス）と乾燥ガス（供給ガス）とを中空糸膜を介して接触させることにより、湿潤ガス中の水蒸気が中空糸膜を透過して乾燥ガス中へ移動し、乾燥ガスを加湿する作用を有する。湿潤ガスを中空糸膜の内部に流し、乾燥ガスを中空糸膜の外側に流す場合と、その逆の場合との何れの場合でも、水蒸気移動が行われる。
【００２４】
水蒸気透過型加湿装置の加湿性能を向上させるためには、中空糸膜モジュールサイズを大きくすることで向上させることも可能であるが、車両用として使用する際は、小型化が要求されるので望ましくない。本実施例では、中空糸膜モジュールにおいて、膜内側に流れるガスと膜外側に流れるガスとを直交流とする構造により、加湿効率を高めて加湿装置を小型化している。
【００２５】
中空糸膜モジュールは、例えば、両端が開放された角筒状のハウジングに中空糸膜束を軸方向に沿わせて挿入し、ハウジングの両端部で中空糸膜束の両端部を中空通路を確保しつつハウジングの内表面に樹脂等で固着して形成されている。そして角筒状のハウジングの対向する側面にそれぞれ複数の孔を設けて中空糸膜束の外側を流通するガスの通路とし、角筒の両端部間を中空糸膜束の内側を流通するガスの通路としている。
【実施例１】
【００２６】
図２は、本発明に係る加湿システムの実施例１を説明する斜視図であり、図１のアフタークーラ４と加湿装置５の詳細を示す。本実施例では、燃料電池へ供給する供給ガスを中空糸膜内側に流し、燃料電池から排出された排出ガスを中空糸膜外側に流す構成としている。
【００２７】
図２において、アフタークーラ４は、供給ガスが通過する供給ガス通路４２と供給ガスを冷却するための外気が通過する外気通路４３とが交互に積層された熱交換部４１と、熱交換部４１へ供給ガスを導入する供給ガス導入部４４とを備えている。供給ガス通路４２と外気通路４３とは、同一平面に並行でかつ互いに直交する方向に、例えば波板状のコルゲートフィンが設けられ、それぞれの通路の表面積を増加して熱抵抗を低減している。
【００２８】
供給ガス導入部４４からアフタークーラ４へ導入された供給ガスは、熱交換部４１の供給ガス通路４２を通過する際に冷却される。アフタークーラ４の供給ガス出口は、配管等を介さずに加湿装置５の供給ガス入口に直接接続されている。
【００２９】
加湿装置５は、図中横方向に中空糸膜束が配置された中空糸膜モジュール５１を中心として、その前後、上下、及び右にカバーが取り付けられた構造となっている。尚、図中では前カバーは、加湿装置内部を示すために省略されている。また、中空糸膜モジュール５１の一部の中空糸膜は、内部構造を説明するために除去されている。
【００３０】
上部カバー５２は、その内部に、中空糸膜モジュール５１へ供給する排出ガスが一時的に滞留する排出ガス上流側滞留部５２ａを形成する中空楔状のカバーであり、中空糸膜モジュール５１の上に取り付けられている。上部カバー５２の左側面には、排出ガスを導入する排出ガス導入部５３が設けられている。下部カバー５４は、中空糸膜モジュール５１を通過した排出ガスが一時的に滞留する排出ガス下流側滞留部５４ａを形成する中空楔状のカバーであり、中空糸膜モジュール５１の下に取り付けられている。下部カバー５４の左側面には、排出ガスを排出する排出ガス排出部５５が設けられている。右側カバー５６は、中空糸膜モジュール５１を通過した供給ガスが一時的に滞留する供給ガス下流側滞留部５６ａを形成する中空楔状のカバーであり、中空糸膜モジュール５１の右に取り付けられている。右側カバー５６の後側面には、供給ガスを排出する供給ガス排出部５７が設けられている。
【００３１】
加湿装置５では、中空糸膜モジュール５１の中空糸膜内側を左方向から右方向へ流れる供給ガスの流と、中空糸膜モジュール５１の中空糸膜外側を上方向から下方向へ流れる排出ガスの流とが直角に交差する直交流となっている。
【００３２】
次に、加湿システムの動作を説明する。コンプレッサ３で圧縮されて高温高圧となった供給ガス（乾燥空気）は、アフタークーラ４の供給ガス導入部４４から熱交換部４１の供給ガス通路４２へ導入される。一方、熱交換部４１の外気通路４３には、外気が導入される。そして、熱交換部４１で供給ガスと外気との熱交換が行われ、供給ガスが外気で冷却される。熱交換部４１で冷却された供給ガスは、配管等を介さずに直接加湿装置５に入り、中空糸膜モジュール５１の中空糸膜内側を左から右へ通過して加湿され、右側カバー５６の内部空間である供給ガス下流側滞留部５６ａを経て、供給ガス排出部５７から排出されて、図外の燃料電池２のカソード２ｂへ供給される。
【００３３】
一方、燃料電池２のカソード２ｂから排出された余剰の空気は、排出ガス（湿潤空気）として排出ガス導入部５３から上部カバー５２の内部に形成された排出ガス上流側滞留部５２ａを経て、中空糸膜モジュール５１の中空糸膜外側に供給される。排出ガスが中空糸膜モジュール５１の中空糸膜外側を流れる間に、排出ガス中の水蒸気が中空糸膜を透過して、中空糸膜内側の供給ガス（乾燥空気）内へ移動して、供給ガスを加湿する。
【００３４】
中空糸膜モジュール５１を上から下へ通過した排出ガスは、中空糸膜モジュール５１の下流側に配置された下部カバー５４の内部に形成された排出ガス下流側滞留部５４ａに導入される。下部カバー５４の内部では、排出ガスから凝縮した液水が分離され、気体の排出ガスが排出ガス排出部５５から図外の空気圧調整弁６を経て外部へ排出される。
【００３５】
以上説明した本実施例では、アフタークーラの空気出口と加湿装置の空気入口とを直接結合したにより、燃料電池用加湿システムを小型化することができるという効果がある。  また加湿装置に中空糸膜モジュールを備えた水透過型加湿装置を用いたことにより、加湿用水の補給を不要とし、燃料電池システムの保守管理を容易とするとともに、加湿用エネルギが不要となり、燃料電池システムの総合的な燃費効率を高めることができるという効果がある。
【００３６】
またアフタークーラの熱交換部が中空糸膜モジュールに供給するガスの一時滞留部となることにより、中空糸膜モジュール内のガス流を均一化し、加湿性能が向上するという効果がある。
【００３７】
また、本実施例においては、燃料電池から排出された排出ガスの流れは、中空糸膜モジュール５１の中空糸膜外側を加湿装置上方から、加湿装置下方に流れる構成としている。この構成により、車両停止時に残った凝縮水が中空糸膜モジュールに溜まらないので、低温時など中空糸膜モジュール内での凍結を防止できる。また走行中でも中空糸膜モジュール内に凝縮水が混入してガス流が阻害されることを防止できる。
【実施例２】
【００３８】
図３は、本発明に係る加湿システムの実施例２を説明する斜視図であり、図１のアフタークーラ４と加湿装置５の詳細を示す。本実施例では、燃料電池へ供給する供給ガスを中空糸膜内側に流し、燃料電池から排出された排出ガスを中空糸膜外側に流す構成としている。
【００３９】
実施例２の加湿システムは、図２に示した実施例１とほぼ同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【００４０】
実施例２が実施例１と相違している点は、アフタークーラ４と加湿装置５との結合部の開口面積が加湿装置５の中空糸膜モジュール５１の断面積とほぼ同一であること、及び、中空糸膜モジュール５１の開口面積が、加湿装置５下流側の供給ガス下流側滞留部５６ａの開口部面積とほぼ同一であること、アフタークーラ４の熱交換部４１、加湿装置５の中空糸膜モジュール５１、加湿装置５下流側の供給ガス下流側滞留部５６ａが一方向に直列に配置されていることである。
【００４１】
これにより、本実施例によれば、実施例１よりも更に、加湿システムにおける圧損を低減し、ガス流れの均一化が図れ、加湿効率が向上するという効果がある。
【００４２】
また、本実施例においては、下部カバー５４の内部に形成される排出ガス下流側滞留部５４ａから排出ガスが排出される排出ガス排出部５５の位置が、排出ガス下流側滞留部５４ａの下端５８より上方にある構成としている。これにより車両停止時に発生した凝縮水５９を加湿装置５の下流側にある図外の空気圧力調整弁６等の部品に流れこむことを防止することができるという効果がある。また、凝縮水５９が凍結した際に圧損上昇などの影響もない。
【実施例３】
【００４３】
図４は、本発明に係る加湿システムの実施例３を説明する斜視図であり、図１のアフタークーラ４と加湿装置５の詳細を示す。本実施例では、燃料電池へ供給する供給ガスを中空糸膜内側に流し、燃料電池から排出された排出ガスを中空糸膜外側に流す構成としている。
【００４４】
実施例３の加湿システムは、図２に示した実施例１とほぼ同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【００４５】
実施例２が実施例１と相違している点は、内部に排出ガス上流側滞留部６２ａを形成する上部カバー６２が図中右方から排出ガスを導入可能なように、左側に先端部を有する中空楔形となっていることである。そして上部カバー６２の右側面に排出ガス導入部５３が設けられている。その他の点は、実施例１と同様であり、実施例１と同様な効果がある。
【実施例４】
【００４６】
図５は、本発明に係る加湿システムの実施例４を説明する斜視図であり、図１のアフタークーラ４と加湿装置５の詳細を示す。本実施例では、実施例１〜３とは逆に、燃料電池へ供給する供給ガスを中空糸膜外側に流し、燃料電池から排出された排出ガスを中空糸膜内側に流す構成としている。
【００４７】
実施例４の加湿システムは、中空糸膜モジュール７１を除いて、図２に示した実施例１とほぼ同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【００４８】
実施例２が実施例１と相違している点は、中空糸膜モジュール７１の中空糸膜束が縦方向に配列されていることである。これにより、上部カバー５２の内部に形成された排出ガス上流側滞留部から中空糸膜モジュール７１の中空糸膜内側に、燃料電池２のカソード２ｂから排出された排出ガス（湿潤ガス）が導入され、中空糸膜の外側に、アフタークーラ４の熱交換部４３の供給ガス通路４２から供給ガス（乾燥ガス）が導入される。そして、中空糸膜モジュール７１の中空糸膜を介して、内側の排出ガスから外側の供給ガスへ水蒸気が移動して、供給ガスを加湿することができる。
【００４９】
本実施例のように、供給ガスを中空糸膜外側に流し、排出ガスを中空糸膜内側に流しても実施例１と同等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明が適用される燃料電池システムの例を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用加湿システムの実施例１におけるアフタークーラと加湿装置の構成を説明する斜視図である。
【図３】本発明に係る燃料電池用加湿システムの実施例２におけるアフタークーラと加湿装置の構成を説明する斜視図である。
【図４】本発明に係る燃料電池用加湿システムの実施例３におけるアフタークーラと加湿装置の構成を説明する斜視図である。
【図５】本発明に係る燃料電池用加湿システムの実施例４におけるアフタークーラと加湿装置の構成を説明する斜視図である。
【符号の説明】
【００５１】
４…アフタークーラ
５…加湿装置
４１…熱交換部
４２…供給ガス通路
４３…外気通路
４４…供給ガス導入部
５１…中空糸膜モジュール
５２…上部カバー
５３…排出ガス導入部
５４…下部カバー
５５…排出ガス排出部
５６…右側カバー
５７…供給ガス排出部
【図１】
2008108473.tif 000003
【図２】
2008108473.tif 000004
【図３】
2008108473.tif 000005
【図４】
2008108473.tif 000006
【図５】
2008108473.tif 000007