(57)【要約】【課題】設置スペースを低減できる燃料電池用加湿装置を提供する。【解決手段】燃料電池用加湿装置２は、ハウジング５内に収容された中空糸膜束を介して燃料用反応ガスと燃料電池からの排気ガスとの間で水分交換するように構成された燃料用反応ガス加湿モジュール３と、ハウジング６内に収容された中空糸膜束を介して酸化剤用反応ガスと燃料電池からの排気ガスとの間で水分交換するように構成された酸化剤用反応ガス加湿モジュール４と、両加湿モジュール３，４間で排気ガスを流通させるための排気ガス管１５と、を備える燃料電池用加湿装置であって、前記両加湿モジュール３，４の少なくとも一方は、奇数個の前記ハウジング５，６を軸心方向を平行にして配列して構成されており、隣接するハウジング５，６間に前記排気ガス管１５を配設して構成されている。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に収容された中空糸膜束を介して燃料用反応ガスと燃料電池からの排気ガスとの間で水分交換するように構成された燃料用反応ガス加湿モジュールと、ハウジング内に収容された中空糸膜束を介して酸化剤用反応ガスと燃料電池からの排気ガスとの間で水分交換するように構成された酸化剤用反応ガス加湿モジュールと、両加湿モジュール間で排気ガスを流通させるための排気ガス流通管と、を備える燃料電池用加湿装置であって、
前記両加湿モジュールの少なくとも一方は、奇数個の前記ハウジングを軸心方向を平行にして配列して構成されており、隣接するハウジング間に前記排気ガス流通管を配設して構成されていることを特徴とする燃料電池用加湿装置。
【請求項２】
前記両加湿モジュールを保温するための冷却水が流通する冷却水流通管を更に備え、
奇数個の前記ハウジングのうち相互に隣接するハウジングの間に前記冷却水流通管を配設して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項３】
前記燃料用反応ガス及び前記酸化剤用反応ガスを加湿した後、前記燃料電池に供給すると共に、前記燃料電池を保温するための冷却水を前記燃料電池と熱交換器との間で循環させるように構成された燃料電池に用いられる燃料電池用加湿装置であって、
奇数個の前記ハウジングのうち相互に隣接するハウジングの間に前記熱交換器を配設して構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項４】
前記燃料電池で酸化還元反応に用いられた前記酸化剤用反応ガスの排気ガスを、前記燃料用反応ガス及び前記酸化剤用反応ガスの加湿に用いた後、背圧弁を介して外部に排出するよう構成された燃料電池に用いられる燃料電池用加湿装置であって、
前記排気ガス流通管が、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスを前記背圧弁に供給するためのものであり、燃料用反応ガス加湿モジュール又は酸化剤用反応ガス加湿モジュールのハウジングから、燃料電池用加湿装置の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接する前記ハウジング間に沿って延設するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に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】
本発明は、燃料電池に供給される燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスと、燃料電池から排出される排気ガスとの間で水分交換することにより、燃料電池の両極を加湿する水透過型の燃料電池用加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が配設されてなる電極膜構造体の両側に、反応ガスの流通路を形成すると共に電極膜構造体を支持するためのセパレータを積層して構成されたものがある。
【０００３】
この燃料電池では、アノード電極に燃料用反応ガスとして水素ガスを供給すると共に、カソード電極に酸化剤用反応ガスとして酸素あるいは空気を供給して、これらのガスの酸化還元反応による化学エネルギを、直接電気エネルギとして抽出するようになっている。
【０００４】
ところで、この燃料電池では、固体高分子電解質膜が乾燥するとイオン伝導率が低下してエネルギ変換効率が低下することから、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、この種の燃料電池では、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを、加湿装置で加湿して供給することにより、固体高分子電解質膜に水分を供給して、良好な反応を維持させることが行われている。
【０００５】
燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを加湿するための加湿装置としては、ハウジング内に中空糸膜束を収容して構成された加湿モジュールを複数備え、各加湿モジュールのハウジングに収容された中空糸膜内に燃料用反応ガス又は酸化剤用反応ガスを流通させると共に、中空糸膜の外部に排気ガスを流通させることにより、燃料用反応ガスおよび酸化剤用反応ガスよりも水分濃度が高い排気ガス中の水分を、固体高分子電解質膜を透過させて燃料用反応ガスおよび酸化剤用反応ガス中に拡散させ、燃料用反応ガスおよび酸化剤用反応ガスを加湿するようになっている。（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２７３６８７号公報の〔段落００１０〕
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この燃料電池用加湿装置では、加湿モジュールを構成するハウジングを、軸心方向を平行にして複数個配列して構成する場合があるが、この場合には、平面視において隣接するハウジング間に大きな隙間が生じるため、その分広い設置スペースを必要とする。また、燃料電池用加湿装置においては、一般的に、冷却水流通管内に冷却水を流通させて水素加湿モジュール及び空気加湿モジュールを保温することが行われているため、冷却水流通管を設置するためのスペースも確保する必要がある。このように、従来の燃料電池用加湿装置では、余分なスペースが多く、その分広い設定スペースを必要としていた。
【０００８】
本発明は前記実情に鑑みてなされたものであり、設置スペースを低減できる燃料電池用加湿装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の燃料電池用加湿装置は、ハウジング内に収容された中空糸膜束を介して燃料用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換するように構成された燃料用反応ガス加湿モジュールと、ハウジング内に収容された中空糸膜束を介して酸化剤用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換するように構成された酸化剤用反応ガス加湿モジュールと、両加湿モジュール間で排気ガスを流通させるための排気ガス流通管と、を備える燃料電池用加湿装置であって、前記両加湿モジュールの少なくとも一方は、奇数個の前記ハウジングを軸心方向を平行にして配列して構成されており、隣接するハウジング間に前記排気ガス流通管を配設して構成されていることを特徴とする。
【００１０】
この燃料電池用加湿装置は、一方の加湿モジュールのハウジング内に収容された中空糸膜束を介して燃料用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換し、燃料用反応ガスを加湿して燃料電池のアノード電極に供給すると共に、他方の加湿モジュールのハウジング内に収容された中空糸膜束を介して酸化剤用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換して、酸化剤用反応ガスを加湿して燃料電池のカソード電極に供給するようになっている。
【００１１】
ここで、燃料電池用加湿装置では、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを加湿するための排気ガスを、一方の加湿モジュールのハウジング内を通過させた後、他方の加湿モジュールのハウジング内を通過させるように構成されているが、この燃料電池用加湿装置では、両加湿モジュールの少なくとも一方が、奇数個のハウジングを軸心方向を平行にして配列されると共に、隣接するハウジング間に排気ガス流通管を配設して構成されている。
【００１２】
このように、加湿モジュールを構成するハウジングを軸心方向を平行にして奇数個配列して構成する場合には、加湿モジュールを平面視すると、隣接するハウジング間に大きな隙間が生じるため、その分広い設置スペースを必要とする。しかし、この燃料電池用加湿装置のように、隣接するハウジング間に排気ガス流通管を配設する構成によれば、ハウジング間に生じた隙間を有効に利用でき、その分設置スペースを小さくできる。
【００１３】
燃料電池用加湿装置においては、前記両加湿モジュールを保温するための冷却水が流通する冷却水流通管を更に備え、奇数個の前記ハウジングのうち相互に隣接するハウジングの間に前記冷却水流通管を配設して構成してもよい。
【００１４】
両加湿モジュールを保温するための冷却水が流通する冷却水流通管を備える燃料電池用加湿装置においては、冷却水流通管を設置するためのスペースも確保する必要があることから、その分装置全体としての設置スペースも広くする必要がある。しかしながら、この燃料電池用加湿装置のように、隣接するハウジング間に冷却水流通管を配設する構成によれば、隣接するハウジング間の余分な設置スペースを有効に活用して、装置全体を小型化でき、その分設置スペースを小さくできる。
【００１５】
さらに、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを加湿した後、燃料電池に供給すると共に、燃料電池を保温するための冷却水を燃料電池と熱交換器との間で循環させるように構成された燃料電池に用いられる燃料電池用加湿装置にあっては、奇数個の前記ハウジングのうち更に相互に隣接するハウジングの間に前記熱交換器を配設して構成してもよい。
【００１６】
燃料電池を保温するための冷却水を燃料電池と熱交換器との間で循環させるように構成された燃料電池においては、熱交換器を設置するためのスペースを必要とするが、この構成によれば、隣接するハウジング間の余分なスペースに熱交換器を配設できるため、設置スペースを小さくできる。
【００１７】
さらにまた、燃料電池で酸化還元反応に用いられた酸化剤用反応ガスの排気ガスを、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いた後、背圧弁を介して外部に排出するよう構成された燃料電池に用いられる燃料電池用加湿装置にあっては、前記排気ガス流通管が、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスを前記背圧弁に供給するためのものであり、燃料用反応ガス加湿モジュール又は酸化剤用反応ガス加湿モジュールのハウジングから、燃料電池用加湿装置の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接する前記ハウジング間に沿って延設するように配置されている構成としてもよい。
【００１８】
燃料電池で酸化還元反応に用いられた燃料用反応ガスを、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスと共に背圧弁を介して外部に排出するよう構成された燃料電池においては、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスを排気ガス流通管を介して背圧弁に供給するが、排気ガスが高い水分濃度を有することから、排気ガス流通管内に排気ガスの水滴が生じて、この水滴が排気ガスと共に背圧弁に供給される虞がある。しかし、この燃料電池用加湿装置のように、排気ガス流通管が、一方の加湿モジュールのハウジングから、燃料電池用加湿装置の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接する前記ハウジング間に沿って延設する構成によれば、排気ガス流通管内に生じた水滴が、排気ガス流通管の上方に向けて延設された部分から、ハウジング間に沿って延設した部分に流入するのを避けることができ、排気ガス流通管内の水滴が背圧弁内に流入するのを防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係る燃料電池システム１の構成の概略を説明する図である。
【００２０】
燃料電池システム１は、図１に示すように、水素貯蔵タンク（Ｈ２タンク）に貯蔵された燃料用反応ガスとしての水素ガスを、水素管１６内を流通させて、熱交換器（Ｈ／Ｅ）１２、エゼクタの順で通過させて燃料電池用加湿装置２を構成するアノード加湿器３に供給し、アノード加湿器３で加湿した後、燃料電池（ＦＣスタック）１１のアノード電極に供給して酸化還元反応に供する。そして、酸化還元反応に供した水素ガスは、水素オフガスとしてＦＣスタック１１から排出して水素オフガス管１３内を流通させて、再度ＦＣスタック１１に供給し、又は適宜時間間隔をおいて流体排出用のパージ弁を介して外部に排気する。
【００２１】
一方、酸化剤用反応ガスとしての空気は、スーパーチャージャで加圧して空気管１４内を流通させ、インタークーラを介して燃料電池用加湿装置２のカソード加湿器４に供給し、カソード加湿器４で加湿した後、ＦＣスタック１１のカソード電極に供給して空気中の酸素を酸化剤として用いる。そして、酸化剤として用いた空気は、空気オフガスとしてＦＣスタック１１から排出して空気オフガス管１５内を流通させ、アノード加湿器３、カソード加湿器４の順で通過させて水素ガス及び空気を加湿し、背圧弁１８を介して外部に排気するようになっている。
【００２２】
また、燃料電池システム１は、ＦＣスタック１１を保温するための冷却水を、冷却水管１７内を流通させ、アノード加湿器３を通過させてアノード加湿器３を保温した後、一部は熱交換器１２を介してＦＣスタック１１に供給し、残りをカソード加湿器４を通過させてカソード加湿器４を保温した後にＦＣスタック１１に供給するようになっている。
【００２３】
次に、この燃料電池システム１に用いられる燃料電池用加湿装置２について図２〜図５を参照して説明する。
【００２４】
燃料電池用加湿装置２は、図２に示すように、燃料用反応ガスである水素ガスを加湿するためのアノード加湿器３と、酸化剤用反応ガスである空気を加湿するためのカソード加湿器４とから構成されている。
【００２５】
アノード加湿器３は、水素加湿用の加湿モジュールであり、複数（図では２個）のハウジング５の内部に、ＦＣスタック１１に供給される水素ガスとＦＣスタック１１から排出される空気オフガスとの間で水分交換するための中空糸膜束（水素不透過性の膜）を収容して構成されている。
【００２６】
各ハウジング５は、図３（ａ）に示すように、それぞれ略円筒形状を呈した本体部５１の長さ方向の一端部を入口ヘッド５２で閉塞すると共に本体部５１の長さ方向の他端部を出口ヘッド５３で閉塞して構成されている。
【００２７】
本体部５１は、他端側の外周面に穿設された複数のオフガス流入孔５１１を覆うように入口環状カバー５４が形成されると共に、一端側の外周面に穿設された複数のオフガス流出孔５１２を覆うように出口環状カバー５５が形成されている。入口環状カバー５４及び出口環状カバー５５には空気オフガス管１５（図１参照）が接続されている。また、各ハウジング５の入口ヘッド５２及び出口ヘッド５３には水素ガス管１６（図１参照）が接続されている。
【００２８】
アノード加湿器３は、このように構成される各ハウジング５を、図３（ａ）に示すように、本体部５１の軸心方向（長手方向）を互いに平行にして、互いに所定間隔離間した状態で配設して構成されている。そして、各ハウジング５の入口環状カバー５４が同一面上において一体となって入口環状カバーブロック５４Ａを構成し、出口環状カバー５５が同一面上において一体となって出口環状カバーブロック５５Ａを構成している。また、各ハウジング５の入口ヘッド５２は、同一面上において一体に形成されて入口ヘッドブロック５２Ａを構成し各ハウジング５の出口ヘッド５３は、同一面上において一体に形成されて出口ヘッドブロック５３Ａを構成している。
【００２９】
このような構成のアノード加湿器３は、図４（ａ）に示すように、水素ガス管１６から入口ヘッドブロック５２Ａ内の流通路を介してハウジング５の本体部５１内に流入した水素ガスが、ハウジング５内の中空糸膜束の内側を流通し、出口ヘッドブロック５３Ａ内の流通路を介して水素ガス管１６に排出されると共に、空気オフガス管１５からオフガス流入孔５１１を介してハウジング５内に流入した空気オフガスが、ハウジング５内の中空糸膜束の外側を流通し、オフガス排出孔５１２を介して空気オフガス管１５に供給されるようになっており、これにより空気オフガス中の水分が中空糸膜を介して水素ガスに受け渡されて、水素ガスが加湿されるようになっている。
【００３０】
カソード加湿器４は、空気加湿用の加湿モジュールであり、図３（ａ）に示すように、複数（図では３個）のハウジング６の内部に、ＦＣスタック１１に供給される空気とＦＣスタック１１から排出される空気オフガスとの間で水分交換するための中空糸膜束（多孔性の膜）を収容して構成されている。
【００３１】
各ハウジング６は、図３（ｂ）に示すように、それぞれ略円筒形状を呈した本体部６１の長さ方向の一端部を入口ヘッド６２で閉塞すると共に本体部の長さ方向の他端部を出口ヘッド６３で閉塞して構成されている。
【００３２】
本体部６１は、一端側の外周面に穿設された複数のオフガス流出孔６１２を覆うように出口環状カバー６４が形成されている。出口環状カバー６４には空気オフガス管１５（図１参照）が接続されている。また、各ハウジング６の入口ヘッド６２及び出口ヘッド６３には空気管１４（図１参照）が接続されている。
【００３３】
カソード加湿器４は、このように構成される各ハウジング６を、図３（ｂ）に示すように、本体部６１の軸心方向（長手方向）を互いに平行にして、互いに所定間隔離間した状態で配設して構成されている。そして、各ハウジング６の出口環状カバー６４が同一面上において一体となって出口環状カバーブロック６４Ａを構成している。また、各ハウジング６の入口ヘッド６２は、同一面上において一体に形成されて入口ヘッドブロック６２Ａを構成し、各ハウジング６の出口ヘッド６３は、同一面上において一体に形成されて出口ヘッドブロック６３Ａを構成している。
【００３４】
また、図５に断面で示すように、カソード加湿器４を構成する各ハウジング６のうち相互に隣接するハウジング６の間には、カソード加湿器４において空気の加湿に用いられた空気オフガスを排出するための空気オフガス管１５が配設されている。空気オフガス管１５は、カソード加湿器４の出口ヘッドブロック６３Ａから設置面に対して上方に延設した後、隣接するハウジング６間に沿って延設されている。また、他の隣接するハウジング６間にアノード加湿器３及びカソード加湿器４の保温に用いられる冷却水が流通するための冷却水管１７が配設されると共に、更に他の相互に隣接するハウジング６の間に熱交換器１２が配設されている。
【００３５】
このような構成のカソード加湿器４は、図４（ｂ）に示すように、空気管１４から入口ヘッドブロック６２Ａ内の流通路を介してハウジング６の本体部６１内に流入した空気が、ハウジング６内の中空糸膜束の内側を流通し、出口ヘッドブロック６３Ａ内の流通路を介して空気管１４に排出されると共に、空気オフガス管１５からオフガス流入孔６１１を介してハウジング６内に流入した空気オフガスが、ハウジング６内の中空糸膜束の外側を流通し、オフガス排出孔６１２を介して空気オフガス管１５に供給されるようになっており、これにより空気オフガス中の水分が中空糸膜を介して空気に受け渡されて、空気が加湿されるようになっている。
【００３６】
このような構成の燃料電池用加湿装置２は、アノード加湿器３の入口ヘッド５２から水素ガスがハウジング５内に流入し、中空糸膜束の内側を流通して出口ヘッド５３から水素供給管１６に排出されると共に、オフガス流入孔５１１から空気オフガスがハウジング５内に流入し、中空糸膜束の外側を流通してオフガス流出孔５１２から空気オフガス管１５に排出されることにより、アノード加湿器３内を流通する水素ガスを加湿して、ＦＣスタック１１のアノード電極に供給する。一方、カソード加湿器４の入口ヘッド６２から空気がハウジング６内に流入し、中空糸膜束の内側を流通して出口ヘッド６３から排出されると共に、オフガス流入孔６１１からオフガスがハウジング６内に流入し、中空糸膜束の外側を流通してオフガス流出孔６１２から排出することにより、カソード加湿器４内を流通する空気を加湿して、ＦＣスタック１１のカソード電極に供給するようになっている。
【００３７】
この場合、この燃料電池用加湿装置２では、図５に示すように、カソード加湿器４を構成するハウジング６を軸心方向を平行にして奇数個（図では３個）配列し、互いに隣接するハウジング６の間に空気オフガス管１５を配設しているため、ハウジング６間に生じた隙間を有効に利用でき、その分設置スペースを小さくできる。
【００３８】
また、他の隣接するハウジング６の間に冷却水管１７を配設しているため、隣接するハウジング６間の余分な設置スペースを有効に活用して、装置全体を小型化でき、その分設置スペースを小さくできる。さらに、隣接するハウジング６間の余分なスペースに熱交換器１２を配設するため、その分設置スペースを小さくできる。
【００３９】
また、水素ガス及び空気の加湿に用いられた空気オフガスを背圧弁１８に供給するための空気オフガス管１５を、カソード加湿器４のハウジング６から、燃料電池用加湿装置２の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接するハウジング６間に沿って延設するように構成しているため、空気オフガス管１５内に生じた水滴が、空気オフガス管１５の上方に向けて延設された部分から、ハウジング６間に沿って延設した部分に流入するのを避けることができ、空気オフガス管１５内の水滴が背圧弁１８内に流入するのを防止できる。
【００４０】
なお、本発明の燃料電池システムは、前記実施の形態での燃料電池システム１に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限り適宜変更して差し支えない。カソード加湿器４が備えるハウジング６の数量は奇数個であれば、３個に限らず適宜変更して差し支えない。また、前記実施の形態では、隣接するハウジング６の間に空気オフガス管１５、冷却水管１７、及び熱交換器１２を配設する構成としたが、相互に隣接するハウジング６の間に配設する部材は燃料電池システムのレイアウト等に応じて適宜変更して差し支えない。
【００４１】
また、前記実施の形態では、カソード加湿器４が備えるハウジング６の数量を奇数個として、各ハウジング６間に様々な部材を配設する構成としたが、アノード加湿器３が備えるハウジング５の数量を奇数個として、各ハウジング５間にこれらの部材を配設してもよい。前記実施の形態では、各ハウジング５，６が備える中空糸膜の内側に水素ガス又は空気を流通させると共に、中空糸膜の外側に空気オフガスを流通させる場合について説明したが、中空糸膜の外側に水素ガス又は空気を流通させると共に、中空糸膜の内側にオフガスを流通させるように構成してもよい。また、前記実施の形態では、水素オフガスを背圧弁１８を介して外部に排出するように構成したが、背圧弁１８を介して触媒燃焼器に供給して燃焼させた後に外部に排出するように構成してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池用加湿装置の設置スペースを低減できる。また、燃料電池システムの設置スペースを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図２】同燃料電池システムを構成する燃料電池用加湿装置の構成の概略を説明する図である。
【図３】同燃料電池用加湿装置を構成する加湿モジュールの構成を説明する図である。
【図４】同加湿モジュールによる反応ガスの加湿方法を説明する図である。
【図５】同加湿モジュールを構成するハウジングの配置態様を説明する図である。
【符号の説明】
１              燃料電池システム
１２            熱交換器
１５            空気オフガス管
１７            冷却水管
２              燃料電池用加湿装置
３              アノード加湿器
４              カソード加湿器
５，６          ハウジング
５１，６１      本体部
５２，６２      入口ヘッド
５２Ａ，６２Ａ  入口ヘッドブロック
５３，６３      出口ヘッド
５３Ａ，６３Ａ  入口ヘッドブロック
【図１】
2004165064.tif 000003
【図２】
2004165064.tif 000004
【図３】
2004165064.tif 000005
【図４】
2004165064.tif 000006
【図５】
2004165064.tif 000007