JP2002075419A

JP2002075419A - 燃料電池用加湿装置

Info

Publication number: JP2002075419A
Application number: JP2000264704A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kusano; 佳夫草野; Toshikatsu Katagiri; 敏勝片桐; Hiroshi Shimanuki; 寛士島貫; Mikihiro Suzuki; 幹浩鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁距離を確保できる締結構造を有する燃料
電池用加湿装置を提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池から排出された排気ガスが出入
りする入口端と出口端とを備え、前記排気ガス中に含ま
れる水分を前記燃料電池に供給されるガスに与えて加湿
する加湿ユニットを複数備えた燃料電池用加湿装置にお
いて、前記複数の加湿ユニット（中空糸膜モジュール
２）の前記各入口端に渡り設けられる第１プレート（外
側プレート３ａ）と、前記複数の加湿ユニット（中空糸
膜モジュール２）の前記各出口端に渡り設けられる第２
プレート（外側プレート４ａ）間とを絶縁性を有する部
材６により連結したことを特徴とする燃料電池用加湿装
置１を解決手段とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中空糸膜を使用し
た燃料電池用加湿装置に関し、更に詳しくは、好適な絶
縁構造を有する複数の加湿ユニットを備えた燃料電池用
加湿装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池用の中空糸膜を使用した
加湿装置としては、例えば特願２０００−１０９７１号
が知られている。この加湿装置１００は、図５（ａ）に
示すような２本の中空糸膜モジュール１０１，１０１を
備えた全体が略直方体の形状をした加湿装置である。図
５（ｂ）に示すように、加湿ユニットである中空糸膜モ
ジュール１０１のハウジング１０１ａの端面Ａ２から反
対側の端面Ａ１へと燃料電池から排出される湿潤したオ
フガスを中空糸膜の内側に通流し、中空糸膜モジュール
１０１のハウジング１０１ａの端面Ａ１に近接した側面
の周方向に開けた孔Ｃから反対側の端面Ａ２に近接した
側面の周方向に開けた孔Ｄへとスイープガス（乾燥空
気）を中空糸膜の外側に通流することにより、湿潤した
オフガス側からスイープガス（乾燥空気）側に水蒸気を
透過させてスイープガス（乾燥空気）を加湿し、燃料電
池の酸素極に加湿空気を供給する装置である。

【０００３】この加湿装置１００は、中空糸膜モジュー
ル１０１を少なくとも２本以上並列接続で使用する場
合、それぞれの中空糸膜モジュール１０１を繋ぐ配管が
必要となり、配管と中空糸膜モジュール１０１を固定、
シールする機構が必要となる。また、配管部分と中空糸
膜モジュール１０１とを組み立てたときにコンパクトに
するための配管ヘッド構造を採用している。この構造
は、図５（ｂ）に示すように、ヘッドブロックＨＢ１，
ＨＢ２の中にスイープガス通路、オフガス通路、モジュ
ール保持及びモジュールシール用の穴を、中ぐり加工に
て彫り込んだ穴とそれぞれの中ぐり加工穴とを繋ぐ連通
孔を設けて、オフガス通路及びスイープガス通路の各通
路を独立して区画形成したものである。

【０００４】一方、複数の中空糸膜モジュールをユニッ
ト化する技術としては、例えば特願２０００−１０９７
４号が知られている。この加湿装置２００は、図６
（ａ）に示すように、複数の中空糸膜モジュール２０１
Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃをケース２０２内に並列に並
べ、図６（ｂ）に示すように、それぞれのスイープガス
通路、オフガス通路を中空糸膜モジュールの中を流れる
ガス流に対して直角方向に集積分配する通路構成と、ケ
ース２０２の側面に通路開口部を有する仕様となってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
特願２０００−１０９７１号のような複数の中空糸膜モ
ジュール１０１の両端に設置されたヘッドブロック（ガ
ス通路）ＨＢ１，ＨＢ２を組みたてた加湿装置１００に
おいては、通常ガスが加圧状態で運転されるため受圧面
積の関係によりヘッド間を開こうとする力が加わる。こ
のため、両端のヘッド間の開きを防止するために、図７
に示すように、加湿装置１００の上面の４隅と下面の４
隅に設けられるボス１０３，１０３・と４本の構造部材
（具体的には金属棒）１０２，１０２・とを螺子にて締
結した構造を持っている。燃料電池３００を運転した場
合、カソードガス側に水素と酸素が反応した生成水が出
てくる。特に高分子膜を利用した低温型燃料電池の場
合、生成された水は、オフガスと一緒に蒸気と水が混じ
った状態で燃料電池３００から排出されるため、この水
を通じて燃料電池３００を支えている構造体と地絡を起
こす場合がある（以下、この地絡を「液絡」という）。
このとき絶縁を確保するために、鉛直方向では燃料電池
３００を含む他の補機類を構造体より電気的に浮かす絶
縁シート、絶縁カラーを介して、構造体と締結してい
る。また、燃料電池３００から構造体までの水平方向の
絶縁性を考慮した場合、図７で示される構造体との接続
部Ｓでの短絡が考えられるが、接続部Ｓに挿入される配
管を樹脂配管として接続し、絶縁性能を確保している。
特に燃料電池３００から構造体までの距離を絶縁性能を
確保している距離として絶縁距離Ｌと定義すれば、液絡
は距離を充分に確保するほど発生しにくくなることか
ら、この絶縁距離Ｌの大きさが液絡回避の重要な要素と
なっている。燃料電池のオフガス出口直後に設置される
加湿装置１００の加湿ユニットである中空糸膜モジュー
ル１０１は、中空糸膜そのものが絶縁材料であることで
水平方向の絶縁性を有し、鉛直方向の取り付けは絶縁材
料を用いて固定されて鉛直方向への液絡を防止してい
る。しかしながら、前記したようにヘッド間の開き防止
のために金属部品をもちいると、その導電性から加湿装
置１００が物理的に持っている水平方向の絶縁距離Ｌｐ
が利用できなくなるため、燃料電池−加湿装置−圧力調
整弁−構造体間の絶縁距離Ｌが短くなり、充分に確保で
きなくなるという問題がある。尚、図７中の圧力調整弁
は、圧力調整弁の上流側の配管及び機器に背圧をかける
ための弁である。また、図７中のマフラーは、排気ガス
を外部に排出したときに排出部で騒音が発生するのを防
止するためのものである。

【０００６】本発明は前記問題を解決するためになされ
たものであって、絶縁距離を確保できる締結構造を有す
る燃料電池用加湿装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
になされた本発明の請求項１に係る燃料電池用加湿装置
は、燃料電池から排出された排気ガスが出入りする入口
端と出口端とを備え、前記排気ガス中に含まれる水分を
前記燃料電池に供給されるガスに与えて加湿する加湿ユ
ニットを複数備えた燃料電池用加湿装置において、前記
複数の加湿ユニットの前記各入口端に渡り設けられる第
１プレートと、前記複数の加湿ユニットの前記各出口端
に渡り設けられる第２プレート間とを絶縁性を有する部
材により連結したことを特徴とするものである。

【０００８】前記複数の加湿ユニットの前記各入口端に
渡り設けられる第１プレートと、前記複数の加湿ユニッ
トの前記各出口端に渡り設けられる第２プレート間とを
絶縁性を有する部材により連結したことにより、燃料電
池―加湿装置―圧力調整弁―構造体間の絶縁性が良好な
燃料電池用加湿装置が得られる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明に係る燃料電池用加湿装置
の１実施形態について図１から図４を参照して説明す
る。第１実施形態の燃料電池用加湿装置１は、図１に示
すように、複数の加湿ユニットである５本の中空糸膜モ
ジュール２，２・と、前記５本の中空糸膜モジュール
２，２・のハウジング２ａ，２ａ・の両端をシール及び
保持し、内部にスイープガス通路及びオフガス通路を設
けた２つのヘッドブロック３，４と、前記２つのヘッド
ブロック３，４間を、上面及び下面の外側に設けられた
８つのボス５，５・を介して締結する絶縁性の構造部材
６と、から主要部が構成される。

【００１０】中空糸膜モジュール２，２・は、図２に示
すように円筒形をしており、中空糸膜モジュール２，２
・のハウジング２ａ，２ａ・内の長手方向には複数の中
空糸膜ＨＦが充填されている。複数の中空糸膜ＨＦの両
端部は樹脂で固められており、両端部はハウジング２ａ
内に固定されている。このように固定することによりハ
ウジング２ａ内を通流する燃料電池から排出された排気
ガスであるオフガスと燃料電池に供給されるスイープガ
ス（乾燥空気）とが混合しないように区画できる。一
方、ハウジング２ａ，２ａ・の両端部に近い周方向には
それぞれ一定間隔を有して複数の孔が設けられている。

【００１１】ヘッドブロック３，４は、どちらもプラス
チック製であり、形状は全体が略矩形をしており、射出
成形法で製造される。ヘッドブロック３，４の内部に
は、図２に示すように、スイープガス通路及びオフガス
通路がそれぞれ独立して区画形成されている。ヘッドブ
ロック３は、第１プレートである外側プレート３ａ，中
間プレート３ｂ，内側プレート３ｃを積層して形成され
る。ヘッドブロック４は、同様に、第２プレートである
外側プレート４ａ、中間プレート４ｂ、内側プレート４
ｃを積層して構成される。２つの外側プレート３ａ，４
ａのそれぞれの上面及び下面には、４つのボス５，５・
が上下左右対称の位置となるように設けられている。ハ
ウジング２ａ，２ａ・は、両端部を中間プレート３ｂ，
４ｂ及び内側プレート３ｃ，４ｃによりシール・支持さ
れている。

【００１２】次に、燃料電池用加湿装置１内を流れるガ
スの流れについて図２を参照して説明する。加湿装置１
の第１プレートである外側プレート３ａの外側上方に設
けられたオフガス導入口Ｏ_inから加湿装置１に導入され
たオフガスは、中空糸膜モジュール２のハウジング２ａ
内の中空糸膜ＨＦの内側を通り、加湿装置の第２プレー
トである外側プレート４ａの外側上方に設けられたオフ
ガス排出口Ｏ_outから排出される。一方、加湿装置１の
第２プレートである外側プレート４ａの外側下方に設け
られたスイープガス導入口Ｓ_inから加湿装置１に導入さ
れたスイープガス（乾燥空気）は、中空糸膜モジュール
２のハウジング２ａ内の中空糸膜ＨＦの外側を通り、加
湿装置の第１プレートである外側プレート３ａの外側下
方に設けられたスイープガス排出口Ｓ_outから加湿空気
として排出される。尚、中空糸膜モジュール２に通流さ
せるガスの流れは、向流ではなく並流で流しても良い。
また、オフガス及びスイープガスは、中空糸膜ＨＦの外
側に流しても内側に流してもよい。

【００１３】次に、本発明に係る燃料電池用加湿装置１
の第１プレートである外側プレート３ａと第２プレート
である外側プレート４ａとを連結する場合の締結方法に
ついて図３を参照して説明する。尚、図３は、絶縁性の
構造部材６を用いて第１プレートである外側プレート３
ａと第２プレートである外側プレート４ａとを締結する
場合の模式図を示したものである。第１プレートである
外側プレート３ａと第２プレートである外側プレート４
ａとを締結するのに使用される絶縁性の構造部材６、プ
ラスチック製の４本のボルト６ａ，６ａ・と、プラスチ
ック製の中空円筒形の４本のスペーサ６ｂ，６ｂ・と、
プラスチック製の４個のナット６ｃ，６ｃ・とから構成
される。尚、ボルト６ａは、６角ボルトを使用している
が、スタッドボルト等を使用しても良い。

【００１４】これら絶縁性の構造部材６を使用して第１
プレートである外側プレート３ａと第２プレートである
外側プレート４ａとを連結する方法について説明する。（１）最初に外側プレート３ａ，４ａ間の間隔を略一定
にするため、４組（８個）のボス５，５・の孔に４本の
スペーサ６ｂ，６ｂ・を燃料電池用加湿装置１の長手方
向にお互いに平行となるように嵌装する。（２）次に、４本のボルト６ａ，６ａ・を順番に、ボス
５の孔の外側から内側へ挿通したのち、さらにスペーサ
６ｂの孔を貫通し、対向する他方のボス５の孔の内側か
ら外側にボルト６ａの端部に設けられた螺子部を挿通・
突出させ、それぞれのボルト６ａにナット６ｃを螺合さ
せて締結し、連結する。このように、従来、燃料電池用
加湿装置の第１プレートと第２プレートとを締結してい
た金属製の構造部材を、絶縁性を有するプラスチック製
の構造部材にしたことにより、加湿装置全体の絶縁性が
向上する。

【００１５】燃料電池用加湿装置１の第１プレートと第
２プレートとを締結するのに用いられる絶縁性を有する
構造部材の材料としては、エンジニアリングプラスチッ
クといわれるナイロン６６，ＰＣ（ポリカーボネー
ト），ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド），ＰＥＥＫ
（ポリエーテルエーテルケトン）等が使用できる。これ
らの樹脂の絶縁破壊強さは１３．４〜１８．５ｋＶ／ｍ
ｍ、引張り強さは５．６〜９．３ｋｇ／ｍｍ²の範囲で
ある。また、構造部材の引張り強さをより強くするた
め、硝子クロスエポキシ樹脂板とＰＴＦＥ（フッ素樹
脂）のスリーブを組み合わせた絶縁ボルトや硝子繊維や
シリカで強化したプラスチック等を使用しても良い。さ
らに構造部材の引張り強度を強くするために、ＳＳ材の
表面に樹脂のコーティングを施した構造部材を使用して
も良い。また、前記ＳＳ材よりも引張り強さを強くし、
かつ、絶縁を確実にするためにセラミックス製の構造部
材を使用しても良い。このように第１プレートと第２プ
レート間とを絶縁性を有する構造部材であるプラスチッ
ク製品を使用して連結すれば中空糸膜モジュール２の長
手方向（図７の水平方向）は、絶縁性を備えることにな
る。

【００１６】次に、本発明に係る燃料電池用加湿装置１
を図１に示す孔の開いたブラケット７，８，９を使用し
て車両等の金属製の構造体に取り付ける場合の締結方法
について図４を参照して説明する。尚、３つのブラケッ
ト７，８，９のどれを使用しても締結構造は同じなの
で、図４では、ブラケット７を使用して金属製の構造体
２４に取り付ける場合の締結方法を示す。本発明に係る
燃料電池用加湿装置１を図１に示す孔の開いたブラケッ
ト７を使用して金属製の構造体２４に取り付ける場合に
使用される構造部材は、ボルト２０と、前記ボルト２０
に嵌装されるスリーブ２１と、座金２２と、ブラケット
７と、絶縁性の円筒状の部材２３と、前記ボルト２０に
より締結される金属製の構造体２４とから主要部が構成
される。

【００１７】ボルト２０は、金属製であり、先端部に雄
螺子部２０ａを有する６角ボルトである。スリーブ２１
は、ボルト２０の外周に嵌め込んで用いるプラスチック
製の部品である。スリーブ２１は、ボルト２０の頭部側
面から雄螺子部２０ａの上部まで嵌装される。座金２２
は、アルミ製の座金であり、中央部にスリーブ２１を嵌
装したボルト２０が挿通できる円形の孔２２ａが開いて
いる。座金２２は、金属製のボルト２０で構造体２４を
締めつけたときに、面圧を低くして締めつけ強度を強く
するために設けられる。ブラケット７は、本発明に係る
燃料電池用加湿器１を構造体２４に取り付け支持するた
めのプラスチック製の支持具であり、中央部にスリーブ
２１を嵌装したボルト２０が挿通できる円形の孔７ａが
開いている。絶縁性の円筒状の部材２３は、金属製のボ
ルト２０と金属製の構造体２４とを絶縁するために設け
られる部材である。円筒状の部材２３の底部中央にはス
リーブ２１を嵌装したボルト２０が挿通できる円形の孔
２３ａを有する。金属製の構造体２４には、金属製のボ
ルト２０の雄螺子部２０ａと螺合する雌螺子部２４ａが
設けられている。

【００１８】尚、これらの構造部材のうちプラスチック
製品が使用されるスリーブ２１及び円筒状の部材２３の
材料としては、前記したエンジニアリングプラスチック
といわれるナイロン６６，ＰＣ（ポリカーボネート），
ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド），ＰＥＥＫ（ポリ
エーテルエーテルケトン）等が使用できる。

【００１９】次に、これらの構造部材を使用して、本発
明に係る燃料電池用加湿装置１を図１に示す円形の孔７
ａの開いたブラケット７を使用して金属製の構造体２４
に取り付ける締結方法について説明する。（１）最初に、金属製のボルト２０にプラスチック製の
スリーブ２１を嵌装させる。（２）次に、プラスチック製のスリーブ２１を嵌装させ
た金属製のボルト２０を、座金２２の円形の孔２２ａ、
ブラケット７の円形の孔７ａ、円筒状の部材２３の円形
の孔２３ａと順番に挿通して、金属製のボルト２０の雄
螺子部２０ａと金属製の構造体２４の雌螺子部２４ａと
を螺合することにより締結する。

【００２０】このように第１プレートと第２プレート間
とを絶縁性を有する構造部材であるプラスチック製品を
使用して連結し、かつ、燃料電池用加湿装置全体を絶縁
性を有するブラケットを介して金属製の構造体に図４の
ような締結構造で固定することによりさらに好適に絶縁
ができる。

【００２１】本発明は、以上説明した発明の実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱
しない範囲で適宜変更して実施可能である。例えば、ヘ
ッドブロック３，４は、発明の実施の形態ではプラスチ
ック製としたが、金属製であっても全体として絶縁性が
確保されるので良い。

【００２２】

【発明の効果】以上の構成と作用からなる本発明によれ
ば、以下の効果を奏する。第１プレートと第２プレート
間とを、従来の金属部品を使用せずに、絶縁性を有する
構造部材であるプラスチック製品を使用して連結するよ
うにしたことにより、加湿装置が物理的に持っている水
平方向の絶縁距離を確保することができる。その結果、
燃料電池から構造体までの絶縁距離を充分に確保するこ
とができる。従って液絡が発生しにくくなる。その結
果、燃料電池−加湿装置−圧力調整弁−構造体間の絶縁
距離を確保できる燃料電池用加湿装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池用加湿装置の１実施形態
を示す斜視図である。

【図２】本発明に係る燃料電池用加湿装置の中空糸膜モ
ジュール内へのオフガス及びスイープガスの流れを説明
するための図である。

【図３】本発明に係る燃料電池用加湿装置の第１プレー
トと第２プレートの締結方法を説明するための模式図で
ある。

【図４】本発明に係る燃料電池用加湿装置をブラケット
を使用して車両等の金属製の構造体に固定するときの締
結方法を説明するための模式図である。

【図５】（ａ）従来の燃料電池用加湿装置の斜視図であ
る。（ｂ）従来の燃料電池用加湿装置内のガスの流れを説明
するための断面図である。

【図６】（ａ）従来の他の燃料電池用加湿装置の斜視図
である。（ｂ）従来の他の燃料電池用加湿装置内のガスの流れを
説明するための断面図である。

【図７】従来の燃料電池用加湿装置の絶縁距離を説明す
るための図である。

【符号の説明】

１燃料電池用加湿装置２中空糸膜モジュール２ａハウジング３，４ヘッドブロック３ａ外側プレート（第１プレート）３ｂ中間プレート３ｃ内側プレート４ａ外側プレート（第２プレート）４ｂ中間プレート４ｃ内側プレート５ボス６絶縁性の構造部材６ａボルト６ｂスペーサ６ｃナット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者島貫寛士埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者鈴木幹浩埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池から排出された排気ガスが出入
りする入口端と出口端とを備え、前記排気ガス中に含ま
れる水分を前記燃料電池に供給されるガスに与えて加湿
する加湿ユニットを複数備えた燃料電池用加湿装置にお
いて、前記複数の加湿ユニットの前記各入口端に渡り設けられ
る第１プレートと、前記複数の加湿ユニットの前記各出口端に渡り設けられ
る第２プレート間とを絶縁性を有する部材により連結し
たことを特徴とする燃料電池用加湿装置。