JP2002075423A - 燃料電池用加湿装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水透過型加湿器を効率良く機能させて加湿効
率を高めると共に排出ガスが保有する水分の回収率を高
めることのできる燃料電池用加湿装置の提供。 【解決手段】 燃料電池１の排出空気Ａｅが保有する水
分を燃料電池１への供給空気Ａ側へ透過させる中空糸膜
モジュール２１ａ，２１ｂを直列に接続し、その間に供
給空気Ａを暖める熱交換器２２を備えた燃料電池用加湿
装置２。燃料電池の排出空気が保有する水分を燃料電池
への供給空気側へ透過させる中空糸膜モジュールを直列
に接続し、その間に排出空気を暖める熱交換器を備えた
燃料電池用加湿装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水透過型加湿器を
使用した燃料電池用加湿装置に関し、殊に加湿効率を高
めると共に排出ガスが保有する水分の回収率を高めるこ
とのできる燃料電池用加湿装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車の動力源などとして、
クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池（固体高分子
型燃料電池）が注目されている。この燃料電池は、燃料
ガス（水素）及び酸化剤ガス（空気）が供給されると、
電気化学的に発電する一種の発電器である。固体高分子
型の燃料電池は、その内部にプロトン導電性の固体高分
子からなる電解質膜を備えるが、該電解質膜は加湿され
ることによりその性能を良好に発揮する。一方、電解質
膜は、乾燥するとプロトン導伝性が低下すると共に、最
悪損傷につながることもある。このため、燃料電池に供
給される酸化剤ガスなどの加湿が行われる。例えば、特
開平８−２７３６８７号公報には、中空糸膜を用いた加
湿装置が開示されている。

【０００３】中空糸膜は断面ドーナッツ型をした中空繊
維であり、中空糸膜の外側に湿った気体や水（乾燥した
気体）を通流し内側に乾燥した気体（湿った気体や水）
を通流すると乾燥した気体側に水分が移動し、乾燥した
気体が加湿される。通常、中空糸膜は、これを数千本束
にしてハウジングに詰めた中空糸膜モジュール（水透過
型加湿器）の形で使用される。

【０００４】ところで、燃料電池用の加湿装置として
は、図５（ａ）に示すように、中空糸膜モジュール２０
１を並列（Parallel）に接続した構成の加湿装置２００
Ｐが知られている。また、図５（ｂ）に示すように、中
空糸膜モジュール２０１（２０１ａ，２０１ｂ）を直列
（Series）に接続した構成の加湿装置２００Ｓが知られ
ている。なお、この図５の（ａ）及び（ｂ）の加湿装置
２００Ｐ，２００Ｓは、燃料電池１の電気化学的反応に
より生成する生成水を含んだ排出空気Ａｅの水分を利用
して供給空気Ａを加湿するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５
（ａ）に示す中空糸膜モジュール２０１を並列に接続し
た加湿装置２００Ｐでは、中空糸膜モジュール２０１に
おける被加湿ガスである供給空気Ａの滞留時間が短く、
供給空気Ａの加湿を充分に行うことができない。また、
排出空気Ａｅが保有する水分の回収を多くすることがで
きない。一方、図５（ｂ）に示す中空糸膜モジュール２
０１を直列に接続した加湿装置２００Ｓでは、中空糸膜
モジュール２０１における供給空気Ａの滞留時間が長く
なる分、供給空気Ａの露点を高めたり排出空気Ａｅが保
有する水分の回収を多くすることができて好ましいが、
中空糸膜モジュール２０１の数を増やしたほどの加湿効
率や水分の回収率の向上はない。つまり、最初の中空糸
膜モジュール２０１ａを通流した供給空気Ａはある程度
まで加湿されているため、燃料電池１の側の中空糸膜モ
ジュール２０１ｂでの加湿量を多くすることができない
（つまり水分の回収を多くすることができない）。

【０００６】また、図５（ｂ）の加湿装置２００Ｓを、
湿潤気体（加湿源）である排出空気Ａｅの側から見れ
ば、燃料電池１を出たばかりの排出空気Ａｅは保有する
水分が多いことから供給空気Ａを加湿する能力は大き
い。しかし、下流側の中空糸膜モジュール２０１ａで
は、中空糸膜モジュール２０１ｂでの排出空気Ａｅの温
度低下による水分の凝縮などに起因して、排出空気Ａｅ
の供給空気Ａを加湿する能力が中空糸膜モジュール２０
１ｂのときよりも小さくなっている（つまり水分の回収
を多く行うことができない）。したがって、中空糸膜モ
ジュール２０１の数を増やしたほどの加湿効率や水分の
回収率の向上はない。

【０００７】そこで、本発明は、水透過型加湿器を効率
良く機能させて加湿効率を高めると共に排出ガスが保有
する水分の回収率を高めることの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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題に鑑み本発明者
らは鋭意研究を行い、中空糸膜モジュール（水透過型加
湿器）を直列に接続する場合において、次の中空糸膜モ
ジュールに向かう供給ガスの温度を上昇させると供給ガ
スとしての保有可能な水分量が多くなり、結果として加
湿効率（水分の回収率）を高めることができること、ま
た、次の中空糸膜モジュールに向かう排出ガスの温度を
上昇させると排出ガス中の水分の凝縮が防止され、結果
として水分の回収率（加湿効率）を高めることができる
ことに着目し、本発明を完成するに至った。

【０００９】即ち、前記課題を解決した本発明のうち請
求項１に記載の燃料電池用加湿装置は、燃料電池から排
出される排出ガス中の水分を前記燃料電池に供給する供
給ガス側へ透過させる水透過型加湿器を複数直列に備え
ると共に、この複数の水透過型加湿器の間の供給ガスを
暖める加熱手段を備える構成とした。この構成によれ
ば、直列に接続された水透過型加湿器における供給ガス
の流れを基準として、前段の水透過型加湿器から後段
（燃料電池側）の水透過型加湿器に向かう供給ガスが加
熱手段により暖められ、相対湿度が下がる。このため、
後段の水透過型加湿器に向かう供給ガスとしての保有可
能な水分量が増える。したがって、後段の水透過型加湿
器においても供給ガスを充分加湿することができ、燃料
電池用加湿装置全体としての加湿効率（水分の回収率）
が高くなる。

【００１０】また、本発明のうち請求項２に記載の燃料
電池用加湿装置は、燃料電池から排出される排出ガス中
の水分を前記燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させ
る水透過型加湿器を複数直列に備えると共に、この複数
の水透過型加湿器の間の排出ガスを暖める加熱手段を備
える構成とした。この構成によれば、直列に接続された
水透過型加湿器における排出ガスの流れを基準として、
前段（燃料電池側）の水透過型加湿器から後段の水透過
型加湿器に向かう排出ガスが加熱手段により暖められ
る。つまり、排出ガスは、前段の水透過型加湿器で供給
ガスを加湿すると（水分を抜かれると）、該排出ガスの
温度が下がって保有する水分が凝縮してしまう。する
と、後段の水透過型加湿器での加湿を効率良く行うこと
ができない。しかし、加熱手段により排出ガスを暖める
と、凝縮した水分を再び蒸気化して排出ガス中に含ませ
ることができる。したがって、後段の水透過型加湿器に
おいても排出ガスにおける供給ガスを加湿する能力が高
い。このため、燃料電池用加湿装置全体としての水分の
回収率（加湿効率）が高くなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池用加湿装
置（以下「加湿装置」という）の実施形態を、図面を参
照して詳細に説明する。なお、本発明の実施形態は、加
湿装置の構成の違いから、以下の２つの実施形態に分け
て説明する。

【００１２】≪第１実施形態≫第１実施形態の加湿装置
を、図面を参照して詳細に説明する。第１実施形態の加
湿装置は、２本の中空糸膜モジュール（水透過型加湿
器）を直列に接続し、その間の供給空気（供給ガス）を
暖める熱交換器（加熱手段）を備える構成を有する。な
お、第１実施形態で参照する図１は、第１実施形態の加
湿装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。図
２は、図１の燃料電池の構成を模式化した説明図であ
る。図３は図１の加湿装置における、（ａ）は中空糸膜
モジュールの構造を示す斜視図であり、（ｂ）は中空糸
膜の構造を示す斜視図である。

【００１３】図１に示す燃料電池システムＦＣＳは、燃
料電池１、空気供給装置ＡＳ、水素供給装置ＨＳ、及び
制御装置ＣＵなどから構成される燃料電池１を中核とし
た発電システムである。

【００１４】〔燃料電池〕図２に示すように、燃料電池
１は、電解質膜１ｃを挟んでカソード極側（酸素極側）
とアノード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの
側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電
極１ｂ及びアノード電極１ｄを形成している。電解質膜
１ｃとしては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であ
るパーフロロカーボンスルホン酸膜が使われる。この電
解質膜１ｃは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持
ち、飽和含水することにより低い比抵抗を示し、プロト
ン導伝性電解質として機能する。なお、カソード電極１
ｂに含まれる触媒は酸素から酸素イオンを生成する触媒
であり、アノード電極１ｄに含まれる触媒は水素からプ
ロトンを生成する触媒である。

【００１５】また、カソード電極１ｂの外側にはカソー
ド電極１ｂに酸化剤ガスとしての供給空気Ａを通流する
カソード極側ガス通路１ａが設けられ、アノード電極１
ｄの外側にはアノード電極１ｄに燃料ガスとしての供給
水素Ｈを通流するアノード極側ガス通路１ｅが設けられ
ている。カソード極側ガス通路１ａの入口及び出口は空
気供給装置ＡＳに接続され、アノード極側ガス通路１ｅ
の入口及び出口は水素供給装置３に接続されている。な
お、この図２における燃料電池１は、その構成を模式化
して１枚の単セルとして表現してあるが、実際の燃料電
池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構
成される。また、燃料電池１は、発電の際に電気化学的
反応により発熱するため、燃料電池１を冷却する図示し
ない冷却装置を有する。

【００１６】この燃料電池１は、カソード極側ガス通路
１ａに供給空気Ａが通流され、アノード極側ガス通路１
ｅに供給水素Ｈが供給されると、アノード電極１ｄで水
素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成し
たプロトンは、電解質膜１ｃ中を移動してカソード電極
１ｂに到達する。そして、カソード電極１ｂに到達した
プロトンは、触媒の存在下、供給空気Ａ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（生成水）及び未使用の酸素を含む供給空気Ａは、
排出空気Ａｅとして燃料電池１のカソード極側の出口か
ら排出される。また、アノード電極１ｄでは水素がイオ
ン化する際に電子ｅ^-が生成するが、この生成した電子
ｅ^-は、モータなどの外部負荷Ｍを経由してカソード電
極１ｂに達する。

【００１７】〔空気供給装置〕次に、図１に示すよう
に、空気供給装置ＡＳは、加湿装置２、エアクリーナ
３、空気圧縮機４、圧力制御弁５、インタークーラ６、
流量センサＱ、温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３、湿度セン
サＨ、圧力センサＰなどから構成される。

【００１８】図１及び図３を参照して本発明に係る第１
実施形態の加湿装置２を説明する。第１実施形態の加湿
装置２は、中空糸膜モジュール２１を直列に２本接続し
て備えると共に、２本の中空糸膜モジュール２１ａ，２
１ｂの間に供給空気Ａを暖める加熱手段たる熱交換器２
２を備える。なお、中空糸膜モジュール２１における供
給空気Ａと排出空気Ａｅの流れは、向流になっている。

【００１９】中空糸膜モジュール２１は、図３（ａ）に
示すように、ハウジング３１を有し、ハウジング３１の
内側には、その長手方向に沿って配した水透過性の中空
糸膜ＨＦ（図３(b)参照）を束ねて構成された中空糸膜
束３２が収納されている。中空糸膜ＨＦは、その内側か
ら外側に達する口径数ｎｍ（ナノメートル）の微細な毛
管を多数有しており、毛管中では、蒸気圧が低下して容
易に水分の凝縮が起こる。凝縮した水分は、水分の多い
方から少ない方に毛管現象 により吸い出されて中空糸
膜ＨＦを透過する。なお、中空糸膜ＨＦの直径は数ミリ
あるいはそれ以下で、長さ数十ｃｍである。

【００２０】ハウジング３１は、両端が開放された中空
円筒形状をしており、その長手方向の一端部側に供給空
気Ａをハウジング３１内に導入する複数の供給空気流入
口３３，３３…が周方向に離間して形成されている。ま
た、ハウジング３１における長手方向の他端部側には、
加湿された供給空気Ａの流出口となる複数の供給空気流
出口３４，３４…が周方向に離間して形成されている。

【００２１】一方、ハウジング３１に収納される中空糸
膜束３２は、中空通路を有する水透過性の中空糸膜ＨＦ
を数千本束ね、一端部側にポッティング部３５、他端部
側にポッティング部３６を設けるようにしてポッティン
グされている。ハウジング３１の一端部側に設けられた
ポッティング部３５は、供給空気流入口３３，３３…が
形成されている位置より若干端部側に位置している（ポ
ッティング部３６についても同様の位置である）。

【００２２】また、ポッティング部３５の外側には排出
空気流出口３８が形成され、ポッティング部３６の外側
には排出空気流入口３７が形成されている。こうして、
ポッティング部３５，３６を隔てた場合に、排出空気流
入口３７及び排出空気流出口３８は中空糸膜束３２を形
成する各中空糸膜ＨＦの内側を介して連通する状態にな
っている。こうして、中空糸膜ＨＦの内側である中空通
路を通流する排出空気Ａｅと中空糸膜ＨＦの外側を通流
する供給空気Ａが混合しないようになっている。

【００２３】熱交換器２２は、低温流体側流路及び高温
流体側流路を備えるプレート式熱交換器やシェル＆チュ
ーブ式熱交換器などから構成される。この熱交換器２２
は、２つの中空糸膜モジュール２１ａ，２１ｂの間に設
置され、燃料電池１から排出された冷却水（約９０℃程
度）と中空糸膜モジュール２１ａで加湿された供給空気
Ａを熱交換して供給空気Ａを暖め、これを燃料電池１の
側の中空糸膜モジュール２１ｂに導く。これにより、中
空糸膜モジュール２１ｂでの供給空気Ａの増湿を容易に
する。

【００２４】次に、エアクリーナ３は、フィルタなどか
ら構成され、燃料電池１のカソード極側に供給される供
給空気Ａをろ過して、供給空気Ａに含まれるごみなどを
取り除く。

【００２５】空気圧縮機４は、スーパーチャージャ及び
これを駆動するモータなどから構成され、エアクリーナ
３でろ過された供給空気Ａを圧縮して後段のインターク
ーラ６を介して加湿装置２に送出する。送出された供給
空気Ａは、中空糸膜モジュール２１ａの供給空気流入口
３３から加湿装置２に入る。供給空気Ａはこの空気圧縮
機４により断熱圧縮されることで加熱される。ちなみ
に、供給空気Ａは、図示しない熱交換器により８０℃前
後に温度調整された後、加湿器２に供給される。これは
中空糸膜ＨＦの熱的特性などの理由から、該中空糸膜Ｈ
Ｆを安定的に使用するためである。なお、空気圧縮機４
は、後述する圧力制御弁５の弁開度が一定の場合、空気
圧縮機４を駆動するモータの回転速度を速くすることに
より吐出される供給空気Ａの圧力（吐出圧）が高くな
り、これに対応して供給空気Ａの温度が上昇する。一
方、モータの回転速度を遅くすることにより該供給空気
Ａの圧力が低くなり、これに対応して供給空気Ａの温度
が低下する。

【００２６】圧力制御弁５は、バタフライ弁及びこれを
駆動するステッピングモータなどから構成され、空気圧
縮機４から吐出される排出空気Ａｅの圧力を圧力制御弁
５の弁開度を減少・増加することにより制御する。第１
実施形態での圧力制御弁５は、排出空気Ａｅが通流する
ラインにおける加湿器２の後段に設けられる。ちなみ
に、圧力制御弁５の弁開度を減少すると空気圧縮機４の
吐出圧が高くなり、これに対応して排出空気Ａｅの温度
が上昇する。また、圧力制御弁５の弁開度を増加すると
空気圧縮機４の吐出圧が低くなり、これに対応して排出
空気Ａｅの温度が低下する。

【００２７】インタークーラ６は、供給空気Ａが通流す
るラインにおける空気圧縮機４と加湿器２の間に設けら
れる水冷式又は空冷式の熱交換器であり、空気圧縮機４
で圧縮された供給空気Ａを温度調節した後、中空糸膜モ
ジュール２１ａの供給空気流入口３３に導く。

【００２８】流量計Ｑは、差圧流量計などから構成さ
れ、エアクリーナ３を通流した後の供給空気Ａの流量を
検出し、検出信号を制御装置ＣＵに送信する。

【００２９】温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、サーミス
タあるいは熱電対などから構成される。このうち、温度
センサＴ１は、空気圧縮機４から吐出された供給空気Ａ
の温度を検出し、検出信号を制御装置ＣＵに送信する。
温度センサＴ２は、中空糸膜モジュール２１ｂの供給空
気流入口３３における供給空気Ａの温度を検出し、検出
信号を制御装置ＣＵに送信する。温度センサＴ３は、燃
料電池１のカソード極側の入口における供給空気Ａの温
度を検出し、検出信号を制御装置ＣＵに送信する。

【００３０】湿度センサＨは、高分子膜系の湿度センサ
などから構成され、燃料電池１のカソード極側入口にお
ける供給空気Ａの湿度を検出し、検出信号を制御装置Ｃ
Ｕに送信する。

【００３１】圧力センサＰは、ブルドン管、ベローズ、
ダイヤフラムあるいはストレインゲージなどから構成さ
れ、燃料電池１のカソード極側の入口における供給空気
Ａの圧力を検出し、検出信号を制御装置ＣＵに送信す
る。

【００３２】〔水素供給装置〕図１に示すように、水素
供給装置ＨＳは、水素ガスボンベ１１、レギュレータ１
２、水素循環ポンプ１３、三方弁１４などから構成され
る。

【００３３】水素ガスボンベ１１は、高圧水素容器から
構成され、燃料電池１のアノード極側に導入される供給
水素Ｈを貯蔵する。貯蔵する供給水素Ｈは純水素であ
り、圧力は１５〜２０ＭＰｅ（１５０〜２００kg/cm
²Ｇ）である。なお、水素ガスボンベ１１は、水素吸蔵
合金を内蔵し１ＭＰｅ（１０kg/cm²Ｇ）程度の圧力で水
素を貯蔵する水素吸蔵合金タイプである場合もある。

【００３４】レギュレータ１２は、ダイヤフラムや圧力
調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵された供給水素
Ｈを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使用できるよ
うにする圧力制御弁である。このレギュレータ１２は、
ダイヤフラムに入力する基準圧を大気圧にすると、水素
ガスボンベ１１に貯蔵された供給水素Ｈの圧力を大気圧
近辺にまで減圧することができる。

【００３５】水素循環ポンプ１３は、エジェクタなどか
ら構成され、燃料電池１のアノード極側に向かう供給水
素Ｈの流れを利用して、燃料電池１で燃料ガスとして使
用された後の供給水素Ｈ、つまり燃料電池１のアノード
極側から排出され三方弁１４を通流する排出水素Ｈｅを
吸引し循環させる。排出水素Ｈｅを循環させることで、
大気に放出する水素の量が減るので燃費の向上につなが
る。

【００３６】三方弁１４は、流路切替器から構成され、
排出水素Ｈｅの流路を切り替えて、排出位置、循環位置
にする。三方弁１４を排出位置にした場合には、排出水
素Ｈｅは水素供給装置３の系外に排出される。また、三
方弁１４を循環位置にした場合には、排出水素Ｈｅは水
素循環ポンプ１３に導かれる。

【００３７】〔制御装置〕次に、制御装置ＣＵは、図示
しないＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェイス、Ａ／Ｄ
変換器、バスなどから構成され、燃料電池システムＦＣ
Ｓを統括的に制御すると共に、燃料電池１に供給する供
給空気Ａの流量、温度、湿度、そして燃料電池１の運転
圧力を制御する。

【００３８】〔動作〕以上説明した燃料電池システムＦ
ＣＳについて、本発明に係る第１実施形態の加湿装置２
の動作を中心に説明する。

【００３９】空気圧縮機４が作動し、外気が供給空気Ａ
としてエアクリーナ３から空気供給装置ＡＳに取り込ま
れる。圧縮された供給空気Ａは、インタークーラ６で温
度調節された後、供給空気流入口３３から中空糸膜モジ
ュール２１ａに流入し、中空糸膜束３２の間（中空糸膜
ＨＦの外側）を通流して供給空気流出口３４から流出す
る。なお、中空糸膜ＨＦの内側には湿潤空気である燃料
電池１の排出空気Ａｅが通流しており、この排出空気Ａ
ｅが保有している水分が、中空糸膜モジュール２１ａ内
の中空糸膜ＨＦを介して乾燥空気である供給空気Ａの側
に移動し、供給空気Ａを加湿する。

【００４０】ちなみに、通常運転時の中空糸膜モジュー
ル２１ａの供給空気流入口３３における供給空気Ａの温
度（インタークーラ６で温度調節された供給空気Ａの温
度）は８０℃程度であり、供給空気流出口３４における
供給空気Ａの温度は約７５℃程度である。一方、排出空
気流入口３７における排出空気Ａｅの温度は約８０℃程
度であり、排出空気流出口３８における排出空気Ａｅの
温度は約７５℃程度である。このような温度になるの
は、中空糸膜モジュール２１ａにおける水分移動の際
に、熱が吸収されるからである（つまり中空糸膜モジュ
ール２１ａから熱が持ち出される）。

【００４１】最初の中空糸膜モジュール２１ａを通流し
加湿された供給空気Ａは、熱交換器２２で燃料電池１か
ら排出された冷却水と熱交換が行われ暖められる。供給
空気Ａを暖めると該供給空気Ａの湿度が相対的に低下す
るので、次の中空糸膜モジュール２１ｂにおける供給空
気Ａの加湿（増湿）が容易になる。

【００４２】ちなみに、通常運転時の熱交換器２２の入
口における供給空気Ａの温度は約７５℃程度であり、同
出口における供給空気Ａの温度は約８５℃程度であり、
供給空気Ａは約１０℃暖められる。一方、熱交換器２２
の入口における燃料電池１から排出された冷却水の温度
は約９０℃程度であり、熱交換器２２の出口における同
冷却水の温度もほぼ９０℃程度である。なお、冷却水は
液体であるので、供給空気Ａに比べて入口と出口での温
度変化は小さい。ちなみに、熱交換器２２による供給空
気Ａの温度上昇幅が多い方が次の中空糸膜モジュール２
１ｂでの加湿効率が良くなるが、この第１実施形態のよ
うに温度上昇幅が約１０℃あれば、加湿効率を良くする
点からは充分である。

【００４３】熱交換器２２で暖められた供給空気Ａは、
供給空気流入口３３から中空糸膜モジュール２１ｂに流
入し、中空糸膜ＨＦの外側を通流して供給空気流出口３
４から流出する。なお、中空糸膜ＨＦの内側には燃料電
池１の排出空気Ａｅが通流しており、この排出空気Ａｅ
が保有している水分が、中空糸膜ＨＦを介して供給空気
Ａの側に移動して、供給空気Ａをさらに加湿する。とこ
ろで、最初の中空糸膜モジュール２２ａで加湿された供
給空気Ａは、熱交換器２２で暖められているので、さら
なる加湿（増湿）が容易になっている。したがって、単
に中空糸膜モジュール２０１を直列に接続した従来例の
加湿装置２００Ｓ（図５(b)参照）に比べて、殊に燃料
電池１の側の中空糸膜モジュール２１ｂでの加湿が効率
良く行われる。

【００４４】ちなみに、通常運転時の中空糸膜モジュー
ル２１ｂの供給空気流入口３３における供給空気Ａの温
度は約８５℃程度であり、供給空気流出口３４における
供給空気Ａの温度は約８０℃程度である。一方、排出空
気流入口３７における排出空気Ａｅの温度（燃料電池１
から排出された排出空気Ａｅの温度）は約８５℃程度で
あり、排出空気流出口３８における排出空気Ａｅの温度
は約８０℃程度である。このような温度になるのは、既
に述べたように、中空糸膜モジュール２１ｂにおける水
分移動の際に、熱が吸収されるからである。

【００４５】加湿装置２により、このようにして加湿さ
れた供給空気Ａは燃料電池１に供給され、電解質膜１ｃ
（図２参照）を適度に加湿する。そして、供給空気Ａ中
の酸素と供給水素Ｈが電気化学的に反応して発電する。
この際に生成した生成水は、供給空気Ａから転じた排出
空気Ａｅに同伴（保有）されて燃料電池１から排出され
る。

【００４６】燃料電池１から排出された排出空気Ａｅ
は、生成水に起因する多くの水を保有しており、この排
出空気Ａｅは、排出空気流入口３７から燃料電池１の側
の中空糸膜モジュール２１ｂに流入し、中空糸膜ＨＦの
内側を通流して排出空気流出口３８から流出する。中空
糸膜ＨＦの外側には、前記した供給空気Ａが通流してお
り、排出空気Ａｅが保有している水分が、中空糸膜ＨＦ
を介して乾燥空気である供給空気Ａの側に移動し、供給
空気Ａが加湿される。なお、供給空気Ａが熱交換器２２
により暖められているので、図５（ｂ）を参照して説明
した従来例の加湿装置２００Ｓに比べて、排出空気Ａｅ
が保有する水分の回収が多く行われる。

【００４７】燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１
ｂを通流した排出空気Ａｅは、排出空気流入口３７から
次の中空糸膜モジュール２１ａに流入し、中空糸膜ＨＦ
の内側を通流して排出空気流出口３８から流出する。中
空糸膜ＨＦの外側には、前記した供給空気Ａが通流して
おり、排出空気Ａｅが保有している水分が、中空糸膜Ｈ
Ｆを介して供給空気Ａの側に移動し、供給空気Ａが加湿
される。

【００４８】このように、第１実施形態の加湿装置２に
よれば、供給空気Ａの加湿が効率良く行われると共に、
排出空気Ａｅが保有する水分の回収が多く行われる。

【００４９】≪第２実施形態≫第２実施形態の加湿装置
を、図面を参照して詳細に説明する。第２実施形態の加
湿装置は、２本の中空糸膜モジュール（水透過型加湿
器）を直列に接続し、その間の排出空気（排出ガス）を
暖める熱交換器（加熱手段）を備える構成を有する。な
お、第２実施形態で参照する図４は、第２実施形態の加
湿装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。

【００５０】図４に示す燃料電池システムＦＣＳ’は、
燃料電池１、空気供給装置ＡＳ’、水素供給装置ＨＳ、
及び制御装置ＣＵなどから構成される燃料電池１を中核
とした発電システムである。この第２実施形態での燃料
電池システムＦＣＳ’は、加湿装置２’を除き、その構
成は第１実施形態と同じである。したがって、第１実施
形態と同一性の有る要素・部材などについては、第１実
施形態と同一の符号を付し、その説明を省略する。以
下、異なる構成の加湿装置２’のみを説明する。なお、
温度センサＴ２は、中空糸膜モジュール２１ａの排出空
気流入口３７における排出空気Ａｅの温度を検出し、検
出信号を制御装置ＣＵに送信するものである。

【００５１】〔加湿装置〕図４に示すように、本発明に
係る第２実施形態の加湿装置２’は、中空糸膜モジュー
ル２１を直列に２本接続して備えると共に、２本の中空
糸膜モジュール２１ａ，２１ｂの間に排出空気Ａｅを暖
める加熱手段たる熱交換器２２’を備える。この点が第
１実施形態の加湿装置２と異なる。

【００５２】この加湿装置２’における中空糸膜モジュ
ール２１（２１ａ，２１ｂ）の構成は、第１実施形態と
同じであるのでその説明を省略する。

【００５３】熱交換器２２’は、第１実施形態と同様
に、低温流体側流路及び高温流体側流路を備えるプレー
ト式熱交換器やシェル＆チューブ式熱交換器などから構
成される。この熱交換器２２’は、２つの中空糸膜モジ
ュール２１ａ，２１ｂの間に設置され、燃料電池１から
排出された冷却水（約９０℃程度）と燃料電池１の側の
中空糸膜モジュール２１ｂで生成水を回収された排出空
気Ａｅを熱交換して排出空気Ａｅを暖め、これを中空糸
膜モジュール２１ａに導く。これにより排出空気Ａｅが
保有する水分の凝縮が防止され、中空糸膜モジュール２
１ａにおける水分の回収が促進される。

【００５４】〔動作〕以上説明した燃料電池システムＦ
ＣＳ’について、本発明に係る第２実施形態の加湿装置
２’の動作を中心に説明する。

【００５５】空気圧縮機４が作動し、外気が供給空気Ａ
としてエアクリーナ３から空気供給装置ＡＳ’に取り込
まれる。圧縮された供給空気Ａは、インタークーラ６で
温度調節された後、供給空気流入口３３から中空糸膜モ
ジュール２１ａに流入し、中空糸膜束３２の間（中空糸
膜ＨＦの外側）を通流して供給空気流出口３４から流出
する。なお、中空糸膜ＨＦの内側には湿潤空気である燃
料電池１の排出空気Ａｅが通流しており、この排出空気
Ａｅが保有している水分が、中空糸膜モジュール２１ａ
内の中空糸膜ＨＦを介して乾燥空気である供給空気Ａの
側に移動し、供給空気Ａを加湿する。ところで、排出空
気Ａｅは、熱交換器２２’で暖められているので、加湿
能力に優れている。したがって、単に中空糸膜モジュー
ル２０１を直列に接続した従来例の加湿装置２００Ｓ
（図５(b)参照）に比べて、殊に空気圧縮機４の側の中
空糸膜モジュール２１ａでの供給空気Ａの加湿が効率良
く行われる。換言すると、排出空気Ａｅからの水分の回
収が多く行われる。

【００５６】ちなみに、通常運転時の中空糸膜モジュー
ル２１ａの供給空気流入口３３における供給空気Ａの温
度（空気圧縮機４で圧縮された供給空気Ａの温度）は約
８０℃程度であり、供給空気流出口３４における供給空
気Ａの温度も約８０℃程度である。一方、排出空気流入
口３７における排出空気Ａｅの温度は約８５℃程度であ
り、排出空気流出口３８における排出空気Ａｅの温度は
約８０℃程度である。このような温度になるのは、中空
糸膜モジュール２１ａにおける水分移動の際に、熱が吸
収されるからである。なお、供給空気流出口３４におけ
る供給空気Ａの温度は、第１実施形態の場合よりも約５
℃高い約８０℃程度である。これは、排出空気流入口３
７における排出空気Ａｅの温度が、熱交換器２２’の作
用により第１実施形態の場合よりも約５℃高くなってい
るからである。

【００５７】最初の中空糸膜モジュール２１ａで加湿さ
れた供給空気Ａは、供給空気流入口３３から燃料電池１
の側の中空糸膜モジュール２１ｂに流入し、中空糸膜Ｈ
Ｆの外側を通流して供給空気流出口３４から流出する。
中空糸膜ＨＦの内側には燃料電池１の排出空気Ａｅが通
流しており、この排出空気Ａｅが保有している水分が中
空糸膜ＨＦを介して供給空気Ａの側に移動して、供給空
気Ａをさらに加湿する。

【００５８】ちなみに、通常運転時の中空糸膜モジュー
ル２１ｂの供給空気流入口３３における供給空気Ａの温
度は約８０℃程度であり、供給空気流出口３４における
供給空気Ａの温度も約８０℃程度である。一方、排出空
気流入口３７における排出空気Ａｅの温度（燃料電池１
から排出された排出空気Ａｅの温度）は約８５℃程度で
あり、排出空気流出口３８における排出空気Ａｅの温度
は約８０℃程度である。このような温度になるのは、既
に述べたように、中空糸膜モジュール２１ｂにおける水
分移動の際に、熱が吸収されるからである。

【００５９】加湿装置２’により、このようにして加湿
された供給空気Ａは燃料電池１に供給され、電解質膜１
ｃ（図２参照）を適度に加湿する。そして、供給空気Ａ
中の酸素と供給水素Ｈが電気化学的に反応して発電す
る。この際に生成した生成水は、供給空気Ａから転じた
排出空気Ａｅに同伴（保有）されて燃料電池１から排出
される。

【００６０】燃料電池１から排出された排出空気Ａｅ
は、生成水に起因する多くの水を保有しており、この排
出空気Ａｅは、排出空気流入口３７から燃料電池１の側
の中空糸膜モジュール２１ｂに流入し、中空糸膜ＨＦの
内側を通流して排出空気流出口３８から流出する。中空
糸膜ＨＦの外側には、前記した供給空気Ａが通流してお
り、排出空気Ａｅが保有している水分が中空糸膜ＨＦを
介して乾燥空気である供給空気Ａの側に移動し、供給空
気Ａが加湿される。

【００６１】燃料電池１の側の中空糸膜モジュール２１
ｂを通流した排出空気Ａｅは、熱交換器２２’で燃料電
池１から排出された冷却水と熱交換が行われ暖められ
る。排出空気Ａｅを暖めると該排出空気Ａｅ中の水分の
凝縮が防止され、次の中空糸膜モジュール２１ａにおけ
る供給空気Ａの加湿（増湿）が容易になる。換言する
と、排出空気Ａｅからの水分回収が良好に行われる。な
お、本発明者らの実験から、温度条件が一定の場合、中
空糸膜ＨＦの内側（外側）を通流する流体による加湿効
率は、水＞水蒸気＞気液混合水の順になることが判明し
た。つまり、排出空気Ａｅに含まれる水分が凝縮して気
液混合状態になると、凝縮しない場合に比べて加湿効率
が劣ることが判明した（水分の回収率が劣る）。かかる
知見から、次の中空糸膜モジュール２１ａに向かう排出
空気Ａｅを熱交換器２２’で暖めることとした。

【００６２】ちなみに、通常運転時の熱交換器２２’の
入口における排出空気Ａｅの温度は約８０℃程度であ
り、同出口における供給空気Ａの温度は約８５℃程度で
あり、排出空気Ａｅは約５℃暖められる。一方、熱交換
器２２の入口における燃料電池１から排出された冷却水
の温度は約９０℃程度であり、熱交換器２２’の出口に
おける同冷却水の温度もほぼ９０℃程度である。冷却水
は液体であるので、供給空気Ａに比べて入口と出口での
温度変化は小さい。なお、第１実施形態での熱交換器２
２（図１参照）における供給空気Ａの温度上昇幅は約１
０℃であるが、この第２実施形態での熱交換器２２’に
おける排出空気Ａｅの温度上昇幅は約５℃である。これ
は、両空気Ａ，Ａｅが保有する水分の差などに起因する
ものである。ちなみに、排出空気Ａｅの温度上昇幅が少
ない場合は、排出空気Ａｅから凝縮分離した水分の再蒸
発量が少なくなるが、第２実施形態のように温度上昇幅
が約５℃あれば、凝縮分離した水分を良好に再蒸発させ
ることができる。

【００６３】熱交換器２２’で暖められた排出空気Ａｅ
は、排出空気流入口３７から次の中空糸膜モジュール２
１ａに流入し、中空糸膜ＨＦの内側を通流して排出空気
流出口３８から流出する。中空糸膜ＨＦの外側には、前
記した供給空気Ａが通流しており、排出空気Ａｅが保有
している水分が中空糸膜ＨＦを介して乾燥空気である供
給空気Ａの側に移動し、供給空気Ａを加湿する。ところ
で、排出空気Ａｅは、熱交換器２２’で暖められ水分の
凝縮が防止されているので、さらなる水回収が容易にな
る（加湿が効率よく行われる）。したがって、単に中空
糸膜モジュール２０１を直列に接続した従来例の加湿装
置２００Ｓ（図５(b)参照）に比べて、殊に排出空気Ａ
ｅにとって後段側の中空糸膜モジュール２１ａでの水分
の回収が多く行われる（加湿が良好に行われる）。

【００６４】このように、第２実施形態の加湿装置２’
によれば、排出空気Ａｅが保有する水分の回収が多く行
われる共に、供給空気Ａの加湿が良好に行われる。

【００６５】なお、本発明は、前記した発明の実施の形
態に限定されることなく、幅広く変形実施することがで
きる。例えば、中空糸膜モジュール内における供給空気
と排出空気は向流ではなく、並流としてもよい。また、
燃料電池は、固体高分子型のものに限定されることな
く、他の型式の燃料電池にも、本発明の燃料電池用加湿
装置を適用することができる。また、空気圧縮機を燃料
電池の後段に設ける構成としてもよい。また、加熱手段
としては、前記した熱交換器に代えてあるいは前記した
熱交換器に加えて、例えば電気ヒータや水素燃焼器など
の別デバイスを付加する（適宜組み合わせる）構成とし
てもよい。電気ヒータや水素燃焼器などの別デバイスを
付加することで、例えば燃料電池の始動時など、燃料電
池の冷却水の温度が低いときでも適切な温度まで供給ガ
スや排出ガスを暖めることができる。したがって、燃料
電池の状態によらず、燃料電池へ供給される供給ガスの
加湿量を高めることが可能になる。また、例えば燃料電
池の上流側に、加湿装置から燃料電池へ向かう供給ガス
の温度を調整するインタークーラなどの冷却手段（温度
調節手段）を設置する構成としてもよい。インタークー
ラを設置することで、加湿装置（中空糸膜モジュール）
が備える温度調整機能を補完して、燃料電池を好適な温
度条件で運転することが可能になる。

【００６６】さらに、水素供給装置は、水素タンクから
燃料電池に水素を供給する構成としたが、メタノールな
どの液体原燃料を改質器により改質して水素リッチな燃
料ガスを製造し、これを燃料電池に供給する構成として
もよい。また、排出水素を循環使用する／しないにかか
わらず、本発明を水素供給装置側に適用してもよい。ま
た、加湿装置の水透過型加湿器も中空糸膜に限定される
ことはく、他の型式の水透過型加湿器でもよい。また、
前記した第１実施形態と第２実施形態を組み合わせて実
施する構成としてもよい。

【００６７】

【発明の効果】以上説明した本発明のうち請求項１に記
載の燃料電池用加湿装置によれば、加熱手段により暖め
られた供給ガスが通流する水透過型加湿器における加湿
が効率良く行われる。同時に排出ガスが保有する水分の
回収も多く行われる。したがって、燃料電池システムを
適切な状態で運転することが可能になる。また、請求項
２に記載の燃料電池用加湿装置によれば、加熱手段によ
り暖められた排出ガスが通流する水透過型加湿器におけ
る排出ガスが保有する水分の回収が多く行われる。同時
に、供給ガスの加湿が効率良く行われる。したがって、
燃料電池システムを適切な状態で運転することが可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る第１実施形態の加湿装置を含む
燃料電池システムの全体構成図である。

【図２】 図１の燃料電池の構成を模式化した説明図で
ある。

【図３】 図１の加湿装置における、（ａ）は中空糸膜
モジュールの構造を示す斜視図であり、（ｂ）は中空糸
膜の構造を示す斜視図である。

【図４】 本発明に係る第２実施形態の加湿装置を含む
燃料電池システムの全体構成図である。

【図５】 従来例に係る加湿装置を含む燃料電池システ
ムの構成図であり、（ａ）は中空糸膜モジュールを並列
に接続した加湿装置、（ｂ）は中空糸膜モジュールを直
列に接続した加湿装置を示す。

【符号の説明】

１…燃料電池 ２，２’…加湿装置（燃料電池用加湿装置） ２１（２１ａ，２１ｂ）…中空糸膜モジュール（水透過
型加湿器） ２２，２２’…熱交換器（加熱手段） Ａ … 供給空気（供給ガス） Ａｅ … 排出空気（排出ガス）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２４Ｆ 6/04 Ｆ２４Ｆ 6/04 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｗ (72)発明者 土屋 智洋 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 沼田 英雄 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） 3L055 AA10 BA01 4D006 GA41 HA02 HA07 KA02 KA71 KB30 KE01P KE01Q KE16P KE16Q KE30P KE30Q MA01 MC05 MC28 MC74 PB65 PB66 PC80 5H027 AA06 BA01 BA13 BA14 BA19 CC06 CC11 KK00 KK02 KK22 KK44 MM03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池から排出される排出ガス中の
   水分を前記燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる
   水透過型加湿器を備えた燃料電池用加湿装置において、 前記水透過型加湿器を複数直列に備えると共に、この複
   数の水透過型加湿器の間の供給ガスを暖める加熱手段を
   備えたことを特徴とする燃料電池用加湿装置。
2. 【請求項２】 燃料電池から排出される排出ガス中の
   水分を前記燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる
   水透過型加湿器を備えた燃料電池用加湿装置において、 前記水透過型加湿器を複数直列に備えると共に、この複
   数の水透過型加湿器の間の排出ガスを暖める加熱手段を
   備えたことを特徴とする燃料電池用加湿装置。