(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から吐出された反応ガスの発電後のオスガスが流れる加湿復路と、
前記燃料電池に供給される発電前の反応ガスが流れる加湿往路と、
前記加湿復路及び前記加湿往路を仕切る湿分保持性及び可撓性を有する加湿部材とを有し、
前記加湿復路内のオフガスと前記加湿部材との接触により前記オフガスの湿分が前記加湿部材に与えられると共に、前記加湿往路内の発電前の反応ガスと前記加湿部材との接触により前記加湿往路内の発電前の反応ガスを加湿する燃料電池用加湿器において、
反応ガスが前記加湿器に流れていない状態において、前記加湿復路の流路断面積をＳｓとし、前記加湿往路の流路断面積をＳｆとしたとき、ＳｓはＳｆよりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池用加湿器。
【請求項２】
請求項１において、前記加湿復路及び前記加湿往路は溝状であり、前記加湿復路の溝深さをｈｓとし、前記加湿往路の溝深さをｈｆとしたとき、ｈｓはｈｆよりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池用加湿器。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記加湿復路及び前記加湿往路を互いに背向して形成する板部材を厚み方向に複数個積層させると共に、積層方向において前記加湿復路及び前記加湿往路を交互に並設させると共に、積層方向に隣設する前記板部材同士で前記加湿部材を挟むことを特徴とする燃料電池用加湿器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素含有ガス等の反応ガスを加湿する燃料電池用加湿器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池の内部が乾燥しすぎていると、発電性能が充分に発揮されないため、燃料電池に供給される発電前の反応ガスを加湿器で加湿する技術が知られている。特開平５−５４９００号公報には、加湿器内で超音波加湿器により３００μｍ以下の微粒子化した霧を反応ガスに添加する技術が開示されている。特開平１１−１８５７７７号公報には、加湿器のガス流路溝の底面に突起を形成し、加湿器内で反応ガスを乱流化させる技術が開示されている。特開２００１−２１６９８２には、湿温度交換手段により既反応ガスの水蒸気量を制御することにより、燃料電池に供給される未反応ガスの加湿量を制御する技術が開示されている。
【０００３】
加湿器によれば、燃料電池から吐出された反応ガスの発電後のオスガスは、湿分を有する。図６から理解できるように、このオフガスが加湿器２０の加湿復路２０ｓに至ると、加湿膜２０ｎに接触するため、加湿復路２０ｓを流れるオフガスの湿分が加湿膜２０ｎに移行する。燃料電池に供給される発電前の反応ガスは、加湿器２０の加湿往路２０ｆに至ると、加湿膜２０ｎに接触するため、加湿膜２０ｎにより加湿される。なお加湿器２０においては、加湿復路２０ｓ及び加湿往路２０ｆは溝深さが等しくされていると共に、溝幅も等しくされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、燃料電池の運転中においては、燃料電池に供給される発電前の反応ガスの圧力は、燃料電池から吐出される反応ガスの発電後のオスガスの圧力よりも高くなるように設定されている。このため、相対的に高い圧力を有する反応ガスが加湿往路２０ｆに流れると共に、相対的に低い圧力を有するオフガスが加湿復路２０ｓに流れる。
【０００５】
そして両者の差圧により加湿膜２０ｎが撓む。即ち、高圧側の加湿往路２０ｆの流路断面積を増加させると共に、低圧側の加湿復路２０ｓの流路断面積を減少させる方向に、加湿膜２０が矢印Ｋ１方向（図６参照）に撓む。この結果、加湿器２０の加湿復路２０ｓの流路断面積の過小化が進行する。故に、燃料電池の運転時に反応ガスを加湿器２０に流したとき、加湿復路２０ｓの流路断面積は、予め設定されている流路断面積よりも減少し、加湿器２０におけるガス通過損失が増加する不具合がある。このため、燃料電池の発電性能の向上には限界があった。
【０００６】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、加湿器におけるガス通過損失の増加を抑えるのに貢献できる燃料電池用加湿器を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池用加湿器は、燃料電池から吐出された反応ガスの発電後のオスガスが流れる加湿復路と、燃料電池に供給される発電前の反応ガスが流れる加湿往路と、加湿復路及び加湿往路を仕切る湿分保持性及び可撓性を有する加湿部材とを有し、オフガスと加湿部材との接触によりオフガスの湿分が加湿部材に与えられると共に、発電前の反応ガスと加湿部材との接触により発電前の反応ガスを加湿する燃料電池用加湿器において、
反応ガスが加湿器に流れていない状態において、加湿復路の流路断面積をＳｓとし、加湿往路の流路断面積をＳｆとしたとき、ＳｓはＳｆよりも大きく設定されていることを特徴とするものである。
【０００８】
燃料電池から吐出された反応ガスの発電後のオスガスは、湿分を有する。このオフガスが加湿器の加湿復路に流入すると加湿部材に接触するため、湿分が加湿部材に移行し、加湿部材を加湿する。燃料電池に供給される発電前の反応ガスは、加湿器の加湿往路に流入すると加湿部材に接触するため、加湿部材により加湿される。
【０００９】
燃料電池の運転の際には、燃料電池に供給される発電前の反応ガスの圧力は、燃料電池から吐出される反応ガスの発電後のオスガスの圧力よりも高くなるように設定されている。このため、両者の差圧により加湿部材が撓む。即ち、両者の差圧により、燃料電池に供給される発電前の反応ガスが流れる加湿往路の流路断面積を増加させると共に、燃料電池から吐出された発電後の反応ガスが流れる加湿復路の流路断面積を減少させる方向に加湿部材が撓む。この結果、当初には加湿復路の流路断面積が加湿往路よりも大きく設定されていたにもかかわらず、燃料電池の運転時には、加湿復路と加湿往路とは流路断面積の大きさが接近するか等応することになる。この結果、空気等の反応ガスを加湿器に流したとき、従来技術に比較して、加湿器の加湿復路の流路断面積の過小化が抑えられ、加湿器におけるガス通過損失が低減される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
・加湿器は湿分保持性及び可撓性を有する加湿部材をもつ。加湿部材は、加湿復路と加湿往路と仕切るため、発電前のガスと発電後のガスとが混合しないようにガスバリヤ性が高いことが好ましい。このような加湿部材としては、湿分保持性、可撓性及びガスバリヤ性を併有するイオン交換膜が例示される。
【００１１】
・加湿復路及び加湿往路は溝状であり、加湿復路の溝深さをｈｓとし、加湿往路の溝深さをｈｆとしたとき、反応ガスが加湿器に流れていない場合、ｈｓはｈｆよりも大きく設定されている形態を採用できる。この場合、ＳｓをＳｆよりも大きくするのに有利である。
【００１２】
・加湿復路及び加湿往路は溝状であり、加湿復路の幅をＤｓとし、加湿往路の幅Ｄｆとしたとき、加湿器に反応ガスを流さない場合には、ＤｓはＤｆよりも大きく設定されている形態を採用できる。この場合、ＳｓをＳｆよりも大きくするのに有利である。
【００１３】
・加湿復路及び加湿往路を互いに背向して形成する板部材を厚み方向に複数個積層させると共に、積層方向において加湿復路及び加湿往路を交互に並設させると共に、積層方向に隣設する板部材同士で加湿部材を挟む形態を採用できる。加湿部材の撓み性は確保されている。
【００１４】
・加湿器に供給される反応ガスとして、酸化剤ガスを採用でき、場合によっては燃料系ガスである形態を採用できる。酸化剤ガスとして一般的には空気、酸素富化ガスを用いることができる。代表的な燃料系ガスとして、炭化水素系等の燃料系ガスが挙げられる。燃料系ガスとして、例えば、メタン、プロパン、ブタン等の少なくとも１種を主要成分とするガスを用いることができ、天然ガス、メタノール改質ガス、ガソリン改質ガス、バイオガス等を例示することができる。加湿器が組み込まれる燃料電池は電池セルを積層した方式を例示できる。この燃料電池は業務用、家庭用、定置用、車載用、固定式、可動式、ポータブル式を問わない。
【００１５】
【実施例】
（第１実施例）
以下、本発明の実施例について説明する。図１は定置形の燃料電池システムに適用した概念図を示す。
【００１６】
まず全体構成から説明する。本実施例に係る燃料電池システムは、図１に示すように、燃料系ガス（燃料）と水蒸気とで改質反応を生じさせて発電に適する水素含有ガスを生成する改質部１と、水素含有ガスを生成する水蒸気を生成するために原料水を蒸発させる蒸発部２と、改質部１に熱交換部３を経て燃料系ガスを供給する燃料系ガス供給通路４（燃料系供給通路）と、改質部１で生成された水素含有ガスに含まれている一酸化炭素を除去するＣＯ除去部５と、給水源としての水道管に接続された水源６（例えば水タンク）と、水源６と蒸発部２とを接続し水源６の原料水を蒸発部２に供給する原料水供給通路７とを有する。ＣＯ除去部５は、シフト反応により一酸化炭素を低減させるＣＯシフト部と、空気を用いて一酸化炭素を低減させるＣＯ選択酸化部とを有するが、これらに限定されるものではない。
【００１７】
本実施例に係る燃料電池システムは、図１に示すように、酸素含有ガス（酸化剤）としての空気と水素含有ガスとで発電する高分子電解質膜型の燃料電池８と、改質部１で生成された水素含有ガスを弁９ａを経て燃料電池８に供給する水素供給通路（燃料系供給通路）９と、燃料電池８から排出された発電後の燃料極のオフガスを弁１０ａ、凝縮部１０、弁１０ｃを経て流す燃料オフガス通路１２と、燃料オフガス通路１２に接続され燃料電池８の燃料極のオフガスを燃焼させる燃焼部１３と、燃料系ガス供給通路４と燃焼部１３とを分岐部４ｍを介して接続すると共に燃料系ガスを燃焼のために燃焼部１３に供給する燃焼部連通路１４と、燃料オフガス通路１２において燃焼部１３と燃料電池８との間に位置するように設けられた凝縮部１０と、酸素含有ガスとしての発電用の空気を燃料電池８に供給する空気供給通路（酸化剤供給通路）１６と、燃料電池８から排出された発電後の空気のオフガスを流して排出させる空気オフガス通路１８と、空気オフガス通路１８に設けられた熱交換器１９及び加湿器２０とを有する。
【００１８】
燃焼部連通路１４には、燃料系ガスを燃焼部１３に向けて搬送するポンプ１４ｐ（燃料搬送手段）が設けられている。燃料系ガス供給通路４から供給された燃料系ガスは、燃焼部連通路１４を経て燃焼部１３に供給されて燃焼部１３で燃焼されるため、燃焼部１３が高温となる。よって、改質部１の温度を改質反応に適するように温度領域に維持することができ、ひいては改質系において水素含有ガスを効果的に発生させる。
【００１９】
燃料系ガス供給通路４は都市ガスのガス管またはガスボンベに接続されており、メタン、プロパン、ブタン等の少なくとも１種を主要成分とする燃料系ガスを供給する。燃料系ガス供給通路４には、２個並設された弁２７，２８からなる二連弁２９，燃料系ガス搬送用のポンプ４ｐ、脱硫部４ａ、弁４ｂ、合流部４ｃが設けられている。合流部４ｃは、燃料系ガス供給通路４からの燃料系ガスと蒸発部２で蒸発された水蒸気とを混合し、熱交換部３を介して改質部１に供給する。空気供給通路１６には空気清浄化用のフィルタ１６ａ、空気搬送用のファン１６ｂ（空気搬送手段）、空気加湿用の加湿器２０が設けられている。加湿器２０は、燃料電池８に供給する酸素含有ガスである空気を加湿する機能をもつ。燃料電池８の電解質膜が過剰に乾燥されると、燃料電池８の発電効率が低下するためである。原料水供給通路７には、原料水浄化用のフィルタ７ａ、弁７ｂ、弁７ｃ、原料水の浄化度を高める水精製装置７ｄ、水源６、原料水搬送用のポンプ７ｆ、開閉制御弁７ｈが設けられている。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池８の熱を奪う冷却水が流れる冷却手段として機能する電池冷却通路２２には、ポンプ２２ｐ、熱交換部２３が設けられている。燃料電池システム全体で発生する熱を奪って湯として貯留する貯湯部２６が設けられている。貯湯部２６の吐出口２６ｉから延設された熱交換通路３１には、冷却水搬送用のポンプ３１ｐ（冷却水搬送手段）、凝縮部１０が設けられており、更に適宜の部位に図略の複数の熱交換部が設けられている。従って貯湯部２６から熱交換通路３１を流れた冷却水は、凝縮部１０を経て、更に適宜の部位に設けた図略の複数の熱交換部を流れ、熱交換により加熱され、熱交換部２３を経て、貯湯部２６の吸入口２６ｏに帰還する。このため、貯湯部２６に貯留されている冷却水は熱を帯び、湯となる。貯湯部２６の冷却水である湯は、他の用途への給湯源として利用できる。貯湯部２６には給水源である水道から水が補給通路２６ｋを経て補給される。
【００２１】
図１から理解できるように、燃料電池８の燃料極の燃料出口８ｅから排出された発電後の燃料極の高温のオフガスは、弁１０ａ、凝縮部１０を経て、更に燃料オフガス通路１２を経て燃焼部１３に流れる。発電後の燃料極のオフガスは、燃料電池８の発電反応として消費されなかった未燃焼成分を有するため、燃焼部１３で燃焼される。
【００２２】
さて図２に示すように、加湿器２０の空気入口２０ａは空気供給通路１６につながり、酸化剤ガスである空気（反応ガス，酸素含有ガス）を燃料電池８のスタック８１の空気極の内部に供給する。加湿器２０の空気出口２０ｃは空気オフガス通路１８につながり、燃料電池８で発電反応に供せられた酸化剤ガスである空気（反応ガス，酸素含有ガス）を熱交換器１９を経て燃料電池８のスタック８１外に吐出する。図２に示すように、加湿器２０は、ケース２０ｍと、ケース２０ｍに保持された湿分保持性、可撓性及びガスバリヤ性を併有するイオン交換膜で形成された加湿部材として機能する加湿膜２０ｎと、燃料電池８の空気極に向かう空気が通過する空気供給通路１６に連通する加湿往路２０ｆと、燃料電池８の空気極から吐出された発電後のオフガスを通過させる空気オフガス通路１８に連通する加湿復路２０ｓとをもつ。
【００２３】
図２から理解できるように、燃料電池８の空気極から吐出された発電後の空気のオフガスは、加湿器２０の加湿復路２０ｓ，熱交換器１９を通過する。燃料電池８の空気極から吐出された発電後の空気のオフガスは、熱を有すると共に湿分を有しており、加湿器２０の加湿復路２０ｓを通過するとき加湿膜２０ｎに接触するため、加湿膜２０ｎに熱及び湿分を与え、これにより加湿膜２０ｎを加熱すると共に加湿する。
【００２４】
一方、空気供給通路１６を介して燃料電池８の空気極に向かう発電前の空気は、加湿器２０の加湿往路２０ｆを通過するとき、加湿膜２０ｎに接触して加湿膜２０ｎから熱及び湿分をもらう。これにより燃料電池８に供給される発電前の空気は加熱されると共に加湿され、燃料電池８の内部の温度及び加湿状態の維持に有利となる。
【００２５】
本実施例によれば、図３に示すように、樹脂を基材とする板部材２０ｐには、加湿復路２０ｓ及び加湿往路２０ｆが互いに背向して形成されている。ここで板部材２０ｐの片面側において加湿復路２０ｓが一体成形により形成されている。板部材２０ｐの他の片面側には、加湿往路２０ｆが加湿復路２０ｓと同数個、一体成形により形成されている。図４に示すように加湿復路２０ｓのそれぞれは溝幅寸法Ｄをもつ溝状であり、複数個並走されている。加湿往路２０ｆのそれぞれは溝幅寸法Ｄをもつ溝状であり、複数個並走されている。
【００２６】
図３に示すように板部材２０ｐを厚み方向に複数個積層させることにより、積層方向において加湿復路２０ｓ及び加湿往路２０ｆが加湿膜２０ｎを介して積層方向に交互に配置されている。従って加湿復路２０ｓ及び加湿往路２０ｆは、加湿膜２０ｎを介して対面している。積層方向に隣設する板部材２０ｐ同士で加湿膜２０ｎが挟まれている。
【００２７】
図４に示すように、加湿復路２０ｓ及び加湿往路２０ｆはそれぞれ、板部材２０ｐの表面に対して直交する方向に沿った側面２０ｗ及び板部材２０ｐの表面方向に沿った頂面２０ｘを有する突起２０ｙと、板部材２０ｐの表面方向に沿った底面２０ｚとを有する。なお突起２０ｙの頂面２０ｘは、加湿膜２０ｎに接触していても良いし、接触していなくても良い。
【００２８】
反応ガスである空気が加湿器２０に流れていない状態において、つまり、加湿膜２０ｎの撓みが生じていないとき、あるいは、実質的に生じていないとき、加湿復路２０ｓの流路断面積をＳｓとし、加湿往路２０ｆの流路断面積をＳｆとしたとき、ＳｓはＳｆよりも大きく設定されている（Ｓｓ＞Ｓｆ）。具体的には、加湿復路２０ｓの溝深さをｈｓとし、加湿往路２０ｆの溝深さをｈｆとしたとき、ｈｓはｈｆよりも大きく設定されている（ｈｓ＞ｈｆ）。なお加湿復路２０ｓ及び加湿往路２０ｆの溝幅は同様な値に設定されている。
【００２９】
本実施例によれば、Ｓｆを１００と仮定したとき、Ｓｓは１１０〜１８０、特に１２０〜１５０（Ｓｓ＞Ｓｆ）にできる。ｈｆを１００と仮定したとき、ｈｓは１１０〜１８０、特に１２０〜１５０（ｈｓ＞ｈｆ）にできる。但しこれに限定されるものではない。
【００３０】
燃料電池８の運転時には、燃料電池８の空気極に供給される発電前の空気の圧力Ｐｆは、燃料電池８の空気極から吐出された発電後の空気のオスガスの圧力Ｐｓよりも高くなるように設定されている。例えば、発電前の空気の圧力Ｐｆは、発電後の空気の圧力Ｐｓよりも３００〜５０００Ｐａ程度、殊に５００〜１５００Ｐａ程度高く設定されている。但しこれに限定されるものではない。
【００３１】
このため、本来的には、加湿往路２０ｆを流れる空気の圧力は、加湿復路２０ｓを流れる空気の圧力よりも高い。故に燃料電池８の運転時には、両者の差圧により加湿膜２０ｎが矢印Ｋ１方向（図４参照）に撓み、加湿復路２０ｓの流路断面積Ｓｓを減少させると共に、加湿往路２０ｆの流路断面積Ｓｆを増加させるようになる。
【００３２】
この結果、当初には加湿復路２０ｓの流路断面積は加湿往路２０ｆよりも大きく設定されていたにもかかわらず、空気が加湿器２０に流れるときには、加湿復路２０ｓと加湿往路２０ｆとは流路断面積の大きさが接近するか等応することになる。この結果、空気を加湿器２０に流したとき、従来技術に比較して加湿復路２０ｓの流路断面積の過小化を抑えることができ、加湿器２０におけるガス通過損失が低減される。
【００３３】
（他の実施例）
第２実施例を図５に示す。第２実施例は第１実施例と基本的には同様の構成である。以下相違する部分を中心として説明する。図５に示すように、加湿復路２０ｓ及び加湿往路２０ｆは溝状であり、加湿復路２０ｓの溝幅をＤｓとし、加湿往路２０ｆの溝幅Ｄｆとしたとき、ＤｓはＤｆよりも大きく設定されている（Ｄｓ＞Ｄｆ）。この結果、空気が加湿器２０に流れていない状態において、加湿復路２０ｓの流路断面積をＳｓとし、加湿往路２０ｆの流路断面積をＳｆとしたとき、ＳｓはＳｆよりも大きく設定されている（Ｓｓ＞Ｓｆ）。
【００３４】
本実施例においても第１実施例と同様の作用効果が得られ、空気が加湿器２０に流れるときには、加湿膜２０ｎの撓みにより加湿復路２０ｓの流路断面積は小さくなるものの、加湿復路２０ｓの流路断面積は加湿往路２０ｆよりも予め大きめに形成されているため、加湿復路２０ｓと加湿往路２０ｆとは流路断面積の大きさが接近するか等応することになる。この結果、空気を加湿器２０に流したとき、加湿器２０におけるガス通過損失が低減される。なお第２実施例では、Ｄｆを１００と仮定したとき、Ｄｓは１１０〜１３０、特に１１０〜１２０（Ｄｓ＞Ｄｆ）にできる。但しこれに限定されるものではない。第２実施例においては加湿復路２０ｓの溝深さをｈｓとし、加湿往路２０ｆの溝深さをｈｆとしたとき、ｈｆはｈｓと等しいか、あるいは、ほぼ等しく設定されている。
【００３５】
（その他）
上記した実施例では燃料電池８の空気極に供給される反応ガスである空気を加湿する加湿器２０に適用されているが、場合によっては、図示はしないものの、燃料電池８の燃料極に供給される反応ガスである燃料系ガスの圧力如何、加湿の程度の如何によっては、燃料系ガスを加湿する加湿器に適用することにしても良い。上記した実施例は定置用の燃料電池システムに適用しているが、これに限らず、車両に搭載される燃料電池システムに適用しても良い。上記した実施例は高分子電解質形の膜を有する燃料電池システムに適用しているが、これに限られるものではない。酸化剤ガスとして空気を用いているが、酸素富化ガスでも良い。燃料として燃料系ガス（都市ガス等）を用いているが、これに限られるものではない。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【００３６】
上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
・反応ガスにより発電される燃料電池と、燃料電池に供給する反応ガスを加湿する加湿器とを具備する燃料電池発電システムにおいて、加湿器は、
燃料電池から吐出された反応ガスの発電後のオスガスが流れる加湿復路と、
前記燃料電池に供給される発電前の反応ガスが流れる加湿往路と、
前記加湿復路及び前記加湿往路を仕切る湿分保持性及び可撓性を有する加湿部材とを有し、前記加湿復路内のオフガスと前記加湿部材との接触により前記オフガスの湿分が前記加湿部材に与えられると共に、前記加湿往路内の発電前の反応ガスと前記加湿部材との接触により前記加湿往路内の発電前の反応ガスを加湿するものであり、
反応ガスが前記加湿器に流れていない状態において、前記加湿復路の流路断面積をＳｓとし、前記加湿往路の流路断面積をＳｆとしたとき、ＳｓはＳｆよりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池発電システム。加湿器におけるガス通過損失の増加を抑えるのに貢献できる
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池用加湿器によれば、加湿復路の流路断面積は、相対的に高圧側の加湿往路よりも大きめに形成されているため、反応ガスを加湿器に流す際に加湿部材が撓んだとしても、加湿復路の流路断面積の過小化が抑制される。故に、加湿器におけるガス通過損失の増加を抑えるのに貢献でき、燃料電池の所定の性能を確保するのに有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの概念図である。
【図２】加湿器付近の配管を示す配管図である。
【図３】加湿復路及び加湿往路付近の断面図である。
【図４】加湿復路及び加湿往路付近の拡大断面図である。
【図５】第２実施例に係り、加湿復路及び加湿往路付近の拡大断面図である。
【図６】従来技術に係り、加湿復路及び加湿往路付近の拡大断面図である。
【符号の説明】
図中、２０は加湿器、２０ｎは加湿膜（加湿部材）、２０ｓは加湿復路、２０ｆは加湿往路、２０ｐは板部材を示す。
【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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