(57)【要約】【課題】低温時でも安定して加湿空気を供給可能な加湿器を有する燃料電池システムを提供する。【解決手段】加湿器１００は、加湿要素である中空糸膜の束からなる中空糸膜モジュール１０が樹脂層１２によって被覆され、樹脂層１２の外周には、樹脂層１２に対して一定の空間を開けて金属製外壁層１６が外装されている。また、樹脂層１２と金属製外壁層１６との間には空気断熱層１４が形成される。さらに、オフガス導入口２０ａ、乾燥空気導入口２２ａ、オフガス排出口２０ｂおよび加湿空気排出口２２ｂは、上記樹脂層１２、空気断熱層１４ならびに金属製外壁層１６とを貫通し、外部と中空糸膜モジュール１０との気体流通が可能なように配設されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に断熱層を備え、前記断熱層の外側に前記加湿器内に設けられた加湿要素より強度の高い部材により外装された加湿器を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記断熱層が、空気断熱層である燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記加湿要素の外側が樹脂によって被覆されている燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記加湿要素は、中空糸膜である燃料電池システム。
【請求項５】
加湿器を備えた燃料電池システムにおいて、
加湿器内部に中空糸膜を備え、
前記中空糸膜の外側に断熱層が設けられた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温に対する強度および衝撃に対する強度を有する加湿器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、例えば固体高分子型の燃料電池もあり、この固体高分子型の燃料電池では、燃料電池から排出される湿潤ガスであるオフガスの水分を乾燥エアに水分交換する加湿器が用いられている。
【０００３】
従来の加湿器は、図６に示すように、中空糸膜の束からなる中空糸膜モジュール１０が、金属製の容器３０内に収容され、この容器３０には、乾燥空気を導入する乾燥空気導入口２２ａと、燃料電池から排出される湿潤したオフガスを導入するオフガス導入口２０ａと、中空糸膜モジュール１０により水分が分離・除去された乾燥したオフガスを排出するオフガス排出口２０ｂと、中空糸膜モジュール１０により供給された水分によって加湿された加湿空気を排出する加湿空気排出口２２ｂとが形成されている。さらに、中空糸膜モジュール１０は、ボンディング材１３によって、両端がそれぞれ束ねられ固定されている。また、このボンディング材１３によって、容器３０の上端及び下端の気体と容器３０の中間部の気体とは仕切られ、それぞれが分離されている。
【０００４】
さらに、図６に示す加湿器５００では、燃料電池から排出された湿潤したオフガスがオフガス導入口２０ａからボンディング材１３によって仕切られた容器３０の下端部の空間に供給される。さらに、湿潤したオフガスは、この下端部の空間に端部が露出している中空糸膜モジュール１０を構成する中空糸膜内に供給される。湿潤したオフガス中の水分は、中空糸膜モジュール１０を構成する中空糸膜の毛管作用によって分離されて、中空糸膜の毛管内を通過して中空糸膜の外側に移動する。水分が分離されたオフガスは乾燥オフガスとしてオフガス排出口２０ｂから排出される。一方、乾燥空気導入口２２ａから導入された乾燥空気は、２つのボンディング材１３によって仕切られた容器３０の中間部に供給され、中空糸膜モジュール１０を構成する中空糸膜の外側を通過する。中空糸膜の外側には、湿潤オフガスから分離された水分が移動してきており、この水分によって乾燥空気は加湿されて加湿空気排出口２２ｂより排出される。排出された加湿空気は、燃料電池内の固体高分子電解質膜の乾燥を防止し、固体高分子電解質膜における水素イオンの膜中移動を促進させるため、燃料電池内に供給される。
【０００５】
しかしながら、図６に示す加湿器５００は、容器３０が金属製であって熱伝達性がよいため、中空糸膜モジュール１０の内部が外気温度の影響を受けやすい。このため、低温時、特に氷点下雰囲気では、中空糸膜内の水分が凍結し易くなり氷による目詰まりが発生したり、凍結しないまでも中空糸膜内の水分の移動速度が低下して加湿性能が低下したり、乾燥空気への加湿速度の低下に伴い燃料電池に供給される加湿空気量が減少することにより燃料電池の起動時間が長時間化するおそれがあった。
【０００６】
特許文献１には、寒冷地等でも好適に使用できるように、加湿器内の中空糸膜束に熱量を供給する発熱手段を設け、さらに、加湿器を含む燃料電池システム全体を断熱材で被った構成が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２０２９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１の構成では、発熱手段がいるために、更なる電力供給を行わなければならず、コンパクトで経済的な燃料電池を製造することは難しく、また燃料電池システム全体を断熱材で被うことから、燃料電池システム自体も大型化し、近年のコンパクト化の流れにそぐわない。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、低温時でも安定して加湿空気を燃料電池に供給することができ、かつ、低温対策のコストを抑えた加湿器を備える燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、以下の特徴を有する。
【００１１】
（１）外周に断熱層を備え、前記断熱層の外側に前記加湿器内に設けられた加湿要素より強度の高い部材により外装された加湿器を備えた燃料電池システムである。
【００１２】
外周に断熱層が形成されているため、加湿器内の加湿要素が外気温の影響を受けにくくなる。さらに、加湿器内の加湿要素内の残留水分凍結し難くなるため、従来のように凍結／溶解の繰り返しによる加湿要素の耐久性劣化を防止することができる。また、加湿要素より強度の高い部材により外装されているため、外部から加湿器に加わる衝撃に対しても耐久性を有する。
【００１３】
（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記断熱層が、空気断熱層である。
【００１４】
空気は金属に比べ熱伝達性が低いため、断熱層を空気断熱層とすることにより、安価でかつ十分な断熱性能を得ることができる。
【００１５】
（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿要素の外側が樹脂によって被覆されている。
【００１６】
樹脂は金属に比べ熱伝達性が低いため、断熱層を介して外気温が伝達されたとしても、加湿要素の外側の樹脂にて熱伝達が阻害されるため、加湿要素は外気温の影響を受けにくい。したがって、低温時でも加湿器を安定的に動作させることができる。
【００１７】
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿要素は、中空糸膜である。
【００１８】
加湿要素を中空糸膜とすることにより、効率よく、水分交換を行うことができる。
【００１９】
（５）加湿器を備えた燃料電池システムにおいて、加湿器内部に中空糸膜を備え、
前記中空糸膜の外側に断熱層が設けられている。
【００２０】
中空糸膜を用いることにより水交換性能が高い加湿器を提供できるばかりでなく、中空糸膜の外側に断熱層を設けることによって、低温時であっても外気温の影響を受けて、中空糸膜内の水分が凍結するおそれがなく、安定して加湿空気を排出させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、低温時であっても、外気温の影響を極力受けることなく安定して加湿空気を提供することができ、また外部からの衝撃にも強い加湿器を備えた燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２３】
［第１の実施の形態］
本発明の好適な実施の形態の燃料電池システムの一例は、次の通りである。
【００２４】
図５に示すように、燃料電池システム１１０内の燃料電池５０は、固体高分子電解質膜４４を挟んで水素極側と酸素極側とに分けられ、それぞれの間に白金系の触媒を含んだ電極が設けられ、水素極４６と酸素極４２とが形成されている。さらに、水素極側ガス流路４８には原燃料から発生した水素リッチな燃料ガスが流通し、一方酸素極側ガス流路４０には酸化ガスとして加湿器１００にて加湿された加湿空気が流通する。固体高分子電解質膜４４は、プロトン導伝性電解質として機能し、触媒下、水素極４６で水素がイオン化して生成したプロトンが固体高分子電解質膜４４中を移動し、酸素極４２に到達する。そして、酸素極４２に到達したプロトンが、触媒下、加湿空気中の酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水は、加湿空気とともに湿潤気体である湿潤オフガスとして燃料電池５０の酸素極側から排出される。水素極４６では水素がイオン化する際に電子ｅ-はモータ等の外部負荷Ｍを経由して酸素極４２に到達する。なお、加湿した加湿空気を酸化剤ガスとして燃料電池５０に供給するのは、固体高分子電解質膜４４が乾燥することによるプロトン導伝性の低下による発電効率の減少を防止するためである。ここで、燃料電池５０は、単セルの構造にて説明したが、単セルに限るものではなく、単セルを複数枚積層したスタック構造であってもよい。
【００２５】
次に、上記加湿器１００の構造について、図１を用いて説明する。なお、従来技術において説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２６】
本実施の形態の加湿器１００では、加湿要素である中空糸膜の束からなる中空糸膜モジュール１０は、その両端がボンディング材１３によって固定されるとともに樹脂層１２によって全体が被覆されている。また、このボンディング材１３によって、容器３０の上端及び下端の気体と容器３０の中間部の気体とは仕切られ、それぞれが分離されている。さらに、樹脂層１２の外周には、樹脂層１２に対して一定の空間を開けて金属製外壁層１６が外装されている。上記構成により、樹脂層１２と金属製外壁層１６との間には空気断熱層１４が形成される。また、乾燥空気導入口２２ａ、オフガス導入口２０ａ、オフガス排出口２０ｂおよび加湿空気排出口２２ｂは、上記樹脂層１２、空気断熱層１４ならびに金属製外壁層１６とを貫通し、外部と中空糸膜モジュール１０との気体流通が可能なように配設されている。
【００２７】
空気は金属に比べ熱伝達性が低いため、上述の空気断熱層１４を設けることにより、特に低温時における外気温の影響を極力防ぐことができる。これにより、低温時、特に氷点下雰囲気では、中空糸膜内の水分が凍結するおそれがなく、氷による目詰まりが発生するおそれもない。また、低温であっても、中空糸膜モジュール１０内の水分の移動速度が低下する可能性が少ないため、乾燥空気への加湿速度を一定に保つことができ、燃料電池に加湿空気を所定量安定的に供給することができるので、燃料電池の起動時間が長時間化するおそれもない。
【００２８】
ここで、加湿器における水交換について説明する。図１に示す加湿器１００では、燃料電池から排出された湿潤したオフガスがオフガス導入口２０ａからボンディング材１３によって仕切られた容器３０の下端部の空間に供給される。さらに、湿潤したオフガスは、この下端部の空間に端部が露出している中空糸膜モジュール１０を構成する中空糸膜内に供給される。湿潤したオフガス中の水分は、中空糸膜モジュール１０を構成する中空糸膜の毛管作用によって分離されて、中空糸膜の毛管内を通過して中空糸膜の外側に移動する。水分が分離されたオフガスは乾燥オフガスとしてオフガス排出口２０ｂから排出される。一方、乾燥空気導入口２２ａから導入された乾燥空気は、２つのボンディング材１３によって仕切られた容器３０の中間部に供給され、中空糸膜モジュール１０を構成する中空糸膜の外側を通過する。中空糸膜の外側には、湿潤オフガスから分離された水分が移動してきており、この水分によって乾燥空気は加湿されて加湿空気排出口２２ｂより排出される。排出された加湿空気は、燃料電池内の固体高分子電解質膜の乾燥を防止し、固体高分子電解質膜における水素イオンの膜中移動を促進させるため、燃料電池内に供給される。なお、上述の加湿器１００では、湿潤オフガスを中空糸膜内に導入し、乾燥空気を中空糸膜の外側を通過させる構成について説明したが、これに限るものではなく、加湿器において、中空糸膜内に乾燥空気を導入し、中空糸膜の外側に湿潤オフガスを通過させて、中空糸膜の毛管作用を利用し、水交換を行うこととしてもよい。すなわち、図１に示す乾燥空気導入口２２ａより湿潤オフガスを供給し、一方湿潤オフガス導入口２０ａより乾燥空気を導入する構成であってもよい。なお、後述する第２，第３，第４の実施の形態においても同様である。
【００２９】
上記樹脂層１２は、例えばアクリル系樹脂、エポキシ樹脂、アルキド樹脂などの硬度の高い樹脂が好ましい。また、金属製外壁層１６は、衝撃に対する耐久性および加工性を考慮して選定することが望ましく、例えば、ステンレス、アルミニウムおよびその合金などが望ましい。また、金属製外壁層１６の素材は、銅より熱伝導性の低いものが好ましい。
【００３０】
また、上記空気断熱層１４の厚みは、０．５ｍｍから２０ｃｍ、好ましくは１ｍｍから１０ｃｍである。０．５ｍｍ未満の場合には、断熱効果が十分に得られず、また２０ｃｍを超えると加湿器自体が大型化してしまい、コンパクトな燃料電池システムを形成することができない。
【００３１】
［第２の実施の形態］
本発明の好適な実施の形態の他の燃料電池システム１１０における加湿器の他の例について、図２を用いて、以下に説明する。なお、従来技術および上記第１の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
本実施の形態の加湿器２００では、図１に示す第１の実施の形態の加湿器１００の空気断熱層１４を、多孔質体断熱層３４に代わった以外は、第１の実施の形態の加湿器１００と同じ構成である。
【００３３】
多孔質体は空気を空隙内に有しており、熱伝達性は金属、多孔質体、空気の順で低くなる。したがって、金属製外壁層１６の内側に多孔質体断熱層３４を形成することによって、断熱性を得ることができる。さらに、多孔質体断熱層３４の材質が、発泡ウレタンなどのスポンジ状多孔質樹脂である場合であって、空隙率を５０％以上にすることによって、熱伝達性を低くすることができ、さらに衝撃吸収能も向上するため、図１に示す空気断熱層１４より薄い厚みでも所望の断熱性を有し、かつ衝撃吸収能を発揮することができる。さらに、金属製外壁層１６は、金属製の外装であり、多孔質体断熱層３４より強度の高い部材からなる。従って、より衝撃に対して変形しにくく、衝撃吸収能も高い。
【００３４】
［第３の実施の形態］
本発明の好適な実施の形態の他の燃料電池システム１１０における加湿器の他の例について、図３を用いて、以下に説明する。なお、従来技術および上記第１、第２の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態の加湿器３００では、図１に示す第１の実施の形態の加湿器１００における樹脂層１２が金属製内層３６に代わり、上記加湿器１００の金属製外壁層１６が樹脂外壁層３２に代わった以外は、第１の実施の形態の加湿器１００と同じ構成である。
【００３６】
本実施の形態の加湿器３００では、最外層が樹脂製の樹脂外壁層３２とした。樹脂は金属に比べ熱伝達性が低いことから、加湿器３００は、外壁層からの熱伝導性を抑えることができる。さらに、空気断熱層１４における空気は、金属および樹脂に比べ熱伝達性が極めて低い。したがって、加湿器３００では、樹脂外壁層３２と空気断熱層１４とにより十分に断熱効果を有することとなり、中空糸膜モジュール１０の外周が金属製内層３６で被われていても、断熱性は十分に確保することができる。さらに、金属製内層３６により中空糸膜モジュール１０を被うことにより、外部からの衝撃に対して中空糸膜モジュール１０の損傷を十分に防ぐことができる。
【００３７】
上記樹脂外壁層３２は、例えばアクリル系樹脂、エポキシ樹脂、アルキド樹脂などの硬度の高い樹脂が好ましい。また、金属製内層３６は、衝撃に対する耐久性および加工性を考慮して選定することが望ましく、例えば、ステンレス、アルミニウムおよびその合金などが望ましい。また、金属製内層３６の素材は、銅より熱伝導性の低いものが好ましい。
【００３８】
［第４の実施の形態］
本発明の好適な実施の形態の他の燃料電池システム１１０における加湿器の他の例について、図４を用いて、以下に説明する。なお、従来技術および上記第１、第２、第３の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
本実施の形態の加湿器４００では、図３に示す第３の実施の形態の加湿器３００の空気断熱層１４を、多孔質体断熱層３４に代えた以外は、第３の実施の形態の加湿器３００と同じ構成である。
【００４０】
上述したように、多孔質体は空気を空隙内に有しており、熱伝達性は金属、多孔質体、空気の順で低くなる。したがって、樹脂外壁層３２の内側に多孔質体断熱層３４を形成することによって、第２の実施の形態の加湿器２００に比べ、より断熱性を得ることができる。さらに、多孔質体断熱層３４の材質が、発泡ウレタンなどのスポンジ状多孔質樹脂である場合であって、空隙率を５０％以上にすることによって、熱伝達性を低くすることができ、さらに衝撃吸収能も向上するため、図３に示す空気断熱層１４より薄い厚みでも所望の断熱性を有し、かつ衝撃吸収能を発揮することができる。さらに、樹脂外壁層３２は、多孔質体断熱層３４より強度の高い部材からなる。従って、より衝撃に対して変形しにくく、衝撃吸収能も高い。
【００４１】
以上、中空糸膜モジュール１０を被う内層および外壁層として、金属製、樹脂製のものを例示して述べたがこれに限るものではなく、内層および外壁層のいずれか又は両方がセラミックであってもよい。空気伝達性は、金属、セラミック、多孔質体、空気の順で低くなる。したがって、断熱性および断熱処理された加湿器の重さを考慮して、セラミック素材を適宜使用することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池を用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、特に車両用の燃料電池に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施の形態の加湿器１００の構成を示す概略断面図である。
【図２】本実施の形態の加湿器２００の構成を示す概略断面図である。
【図３】本実施の形態の加湿器３００の構成を示す概略断面図である。
【図４】本実施の形態の加湿器４００の構成を示す概略断面図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの構成を一例を示す図である。
【図６】従来の加湿器の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  中空糸膜モジュール、１２  樹脂層、１３  ボンディング材、１４  空気断熱層、１６  金属製外壁層、２０ａ  オフガス導入口、２０ｂ  オフガス排出口、２２ａ  乾燥空気導入口、２２ｂ  加湿空気排出口、３２  樹脂外壁層、３４  多孔質体断熱層、３６  金属製内層、４０  酸素極側ガス流路、４２  酸素極、４４  固体高分子電解質膜、４６  水素極、４８  水素極側ガス流路、５０  燃料電池、１００，２００，３００，４００  加湿器、１１０  燃料電池システム。
【図１】
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【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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