JP2002216814A

JP2002216814A - 加湿部を有する燃料電池システムおよびこれを用いた加湿方法

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Publication number: JP2002216814A
Application number: JP2001012740A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shimanuki; 寛士島貫; Toshikatsu Katagiri; 敏勝片桐; Yoshio Kusano; 佳夫草野; Mikihiro Suzuki; 幹浩鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2002-08-02
Anticipated expiration: 2021-01-22
Also published as: US20020098395A1; CA2368727A1; US7087328B2; DE10201302A1; CA2368727C; DE10201302B4; JP5189719B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池の固体電解質膜に十分な水分を供給
するための加湿部を設けると共に、この加湿部において
燃料ガスと酸化剤ガスが混合することを防止する。【解決手段】燃料電池２のアノード極２ｂに供給する
水素ガスＨｄを第一の加湿装置２１で加湿し、燃料電池
２のカソード極２ａに供給する空気Ａｄを第二の加湿装
置２２で加湿する。第一の加湿装置２１は、燃料電池２
のカソード極２ａから排出されたカソードオフガスＣＯ
Ｇのうちの水分のみを透過する非多孔質型の水透過膜を
備え、第二の加湿装置２２は、カソードオフガスＣＯＧ
の水分を透過する多孔質型の水透過膜を備える構成とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料ガスおよび酸
化剤ガスを加湿してから燃料電池に供給する加湿部を有
する燃料電池システムおよびこれを用いた加湿方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車の動力源などとして開
発されている固体電解質型燃料電池（以下、単に燃料電
池という）は、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応を
利用して発電を行うものである。つまり、燃料電池は、
燃料ガスをアノード極でイオン化し、酸化剤ガスをカソ
ード極でイオン化し、燃料ガスのイオン（プロトン、水
素イオン）を固体電解質膜で移動させ、カソード極側の
酸素イオンと反応させて水を生成する際に発生する電気
エネルギを取り出すものである。ここで、このような燃
料電池の発電効率を左右するパラメータの一つとして、
固体電解質膜内を移動する水素イオンのイオン伝導率が
あげられる。このイオン伝導率が高いと単位時間当たり
に固体電解質膜内を移動できる水素イオンの数が増える
ので、その分だけ電気化学反応に伴う発電量を多くする
ことができる。一方、イオン伝導率が低いと、単位時間
当たりに固体電解質膜内を移動できる水素イオンの量が
減ることになるので発電量は減ってしまう。

【０００３】そこで、従来、固体電解質膜のイオン伝導
率を高くするための工夫が種々なされており、これらの
中には、特願平８−２７３６８７号公報に記載の燃料電
池の加湿装置がある。特願平８−２７３６８７号公報に
記載の加湿装置は、燃料電池の冷却水を用いて燃料ガス
を加湿するもので、加湿した燃料ガスを燃料電池に供給
することで固体電解質膜の乾燥を防止するものである。
この加湿装置は、中空糸膜（水透過膜）を備え、この中
空糸膜の内側に燃料ガスを通流させ、中空糸膜の外側に
水を通流させる構成を有している。この中空糸膜は、中
空糸膜の外側の液相と、中空糸膜の内側の気相を分離す
る役割と、液相中の水分を水蒸気分圧の高い液相側か
ら、相対的に水蒸気分圧の低い気相側に透過させる役割
を有している。中空糸膜を透過して液相側から気相側に
移動した水分は、燃料ガスの流れにより蒸発するので、
燃料ガスは所定量の水蒸気を含む加湿燃料ガスとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料ガ
スの加湿を燃料電池水から排出されるオフガスに含まれ
る水分で行おうとすると、このようなオフガスは未反応
の酸素ガスを含む酸化剤ガスと共に排出されるので、中
空糸膜の種類によっては、酸素ガス等のガス分子が中空
糸膜を透過してしまう可能性があった。オフガス中の酸
素ガスが中空糸膜を透過して燃料ガスと混合されると、
アノード極に酸素ガスを含む燃料ガスが供給されること
になる。このような場合には、アノード極の白金電極を
触媒として燃料ガスと酸素ガスが電気化学反応をする前
に反応してしまう可能性があり、このとき発生する熱は
固体電解質膜や白金電極の劣化等の原因となることがあ
った。さらに、このような中空糸膜を用いた場合は、燃
料電池の運転停止時間が長くなると、この間に中空糸膜
を介して燃料ガスや酸素ガスが混合する可能性があるの
で、燃料電池の始動時に配管中のガスのパージを行うパ
ージラインや制御装置を設ける必要があった。また、加
湿により発電効率を高く維持するためには、酸化剤ガス
の加湿を積極的に行うなど、燃料電池システム全体とし
ての加湿手段の最適化が望まれていた。従って、本発明
の解決しようとする課題は、燃料電池の固体電解質膜の
イオン伝導率を高く維持するために設けられた加湿部に
おいてガスの混合を防止すること、および、加湿部にお
けるガスの加湿を効率良く安定して行うことである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決する本
発明の請求項１に係る発明は、アノード極に供給された
燃料ガスおよびカソード極に供給された酸化剤ガスの電
気化学反応により発電を行う燃料電池と、水透過膜を用
いてガスを加湿する加湿部を有する燃料電池システムで
あって、加湿部は第一の加湿装置を有し、第一の加湿装
置は、燃料電池から排出された水分を含むオフガスを用
いて、アノード極に供給する燃料ガスを加湿する非多孔
質型の水透過膜を備える構成とした。このように構成す
ることで、燃料ガスを適切かつ充分に加湿することがで
きる。ここに言う非多孔質型の水透過膜とは、孔径が１
０ｎｍ程度の細孔を備えず、例えばイオン水和作用で流
体中の水分のみを透過させる膜である。非多孔質型の水
透過膜は、オフガスが未反応の酸化剤ガスを含む場合で
あっても、水分のみを透過するので、加湿部において燃
料ガスと酸化剤ガスが混合することを確実に防止するこ
とができる。

【０００６】また、本発明の請求項２に係る発明は、請
求項１に記載の加湿部を有する燃料電池システムにおい
て、加湿部は、第二の加湿装置を有し、第二の加湿装置
は、オフガスを用いてカソード極に供給する酸化剤ガス
を加湿する多孔質型の水透過膜を備える構成とした。こ
のように構成することで、酸化剤ガスを充分に加湿する
ことができる。ここに言う多孔質型の水透過膜とは、水
分子が透過可能な細孔（例えば孔径１０ｎｍ程度）を多
数備え、例えば毛管凝集作用で流体中の水分を透過させ
る膜である。多孔質型の水透過膜は、水分の透過を速や
かに行うことができると共に、耐熱性に優れるので、酸
化剤ガスが加圧圧縮により高温となっている場合であっ
ても、水透過膜を劣化させることなく加湿を行うことが
できる。従って、燃料電池に充分な水分を安定して供給
することが可能となる。なお、水透過膜は、多孔質型で
あるためオフガス中の未反応の酸化剤ガスを透過するこ
ともあるが、加湿されるガスも酸化剤ガスであるため問
題はない。

【０００７】さらに、本発明の請求項３に係る発明は、
請求項２に記載の加湿部を有する燃料電池システムにお
いて、燃料電池および第一の加湿装置ならびに第二の加
湿装置はオフガスの流れに対して直列に配置されている
構成とした。燃料電池、第一の加湿装置、第二の加湿装
置をオフガスの流れに対して直列に配列すると、オフガ
スの分配器等の複雑な配管手段を設ける必要がないの
で、簡単な構成で燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ加湿
することができる。なお、燃料電池に対して第一の加湿
装置を前段に配置しても良いし、第二の加湿装置を前段
に配置することもできる。

【０００８】そして、本発明の請求項４に係る発明は、
燃料電池に供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスを加湿部
において加湿する加湿方法であって、燃料電池から排出
された水分を含むオフガスを加湿部に導入するステップ
と、燃料ガスが加湿部において非多孔質型の水透過膜を
介して、オフガスから水分を受け取るステップと、酸化
剤ガスが加湿部において水透過膜を介して、オフガスか
ら水分を受け取るステップと、加湿後の燃料ガス、およ
び、加湿後の酸化剤ガスのそれぞれを燃料電池に供給す
るステップとを有することを特徴とする加湿部を有する
燃料電池システムの加湿方法とした。このような加湿方
法によれば、オフガスを導入した加湿部は、非多孔質型
の水透過膜を介して酸化剤ガスとの混合を防止しつつも
燃料ガスを加湿することができる。また、同様に酸化剤
ガスも水透過膜により加湿することができる。従って、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの両方により充分な水分を燃
料電池に供給することができる。なお、酸素ガスの加湿
に用いる水透過膜は、多孔質型であっても良いし、非多
孔質型とすることもできる。

【０００９】また、本発明の請求項５に係る発明は、請
求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池シ
ステムにおいて、非多孔質型の水透過膜は、イオン水和
作用を用いて水分を透過させる膜である構成とした。こ
のような非多孔質型の水透過膜は、イオン水和作用によ
りオフガス中のガス分子を透過させずに、水分のみを透
過させる。従って、ガスの混合を確実に防止しつつ、燃
料ガスを加湿できる。

【００１０】そして、本発明の請求項６に係る発明は、
請求項１から請求５のいずれか一項に記載の燃料電池シ
ステムにおいて、多孔質型の水透過膜は、毛管凝縮作用
を用いて水分を透過させる膜である構成とした。このよ
うな多孔質型の水透過膜は、毛管凝縮作用を用いること
で、確実に水分を透過させることができる。また、多孔
質型の水透過膜は耐熱性に優れるため、酸化剤ガスの温
度が高い場合であっても安定して加湿することができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して詳細に説明する。まず、図１を参照して、本実施の
形態における加湿部を有する燃料電池システムの全体構
成について説明する。燃料電池システム１は、燃料電池
２、加湿部３、空気圧縮機５、水素貯蔵タンク６などか
ら構成されている。

【００１２】燃料電池２は、固体電解質膜を用いたもの
であり、酸化剤ガスとしての加湿空気Ａｗが供給される
カソード極２ａ（酸素極）と、燃料ガスとしての加湿さ
れた水素ガス（以下、加湿水素ガスＨｗとする）が供給
されるアノード極２ｂ（水素極）とを有しており、それ
ぞれの極に供給された加湿水素ガスＨｗと、加湿空気Ａ
ｗ中の酸素ガスを電気化学反応させて電気エネルギを抽
出するものである。加湿空気Ａｗは、低湿度の空気Ａｄ
を外気から取り込み、空気圧縮機５で加圧圧縮すると共
に、加湿部３で加湿することにより得られる。加湿水素
ガスＨｄは、水素ガスステーション等で水素貯蔵タンク
６に充填された水素ガスＨｄを加湿部３で加湿すること
により得られる。なお、加湿部３による空気Ａｄや、水
素ガスＨｄの加湿は、燃料電池２のカソード極２ａから
排出された水分を多く含むカソードオフガスＣＯＧから
空気Ａｄや、水素ガスＨｄが水分を受け取ることにより
行われるが、その詳細は後に説明するので、ここでは省
略する。

【００１３】ここで、燃料電池２のカソード極２ａ側で
は、加湿水素ガスＨｗと酸素ガスの反応生成物である水
を多量に含むカソードオフガスＣＯＧが発生し、このカ
ソードオフガスＣＯＧは加湿部３に導かれた後に排出さ
れる。一方、アノード極２ｂ側では、未反応の水素ガス
Ｈｄを含むアノードオフガスＡＯＧが発生し、このアノ
ードオフガスＡＯＧは水素ガスＨｄのインジェクタ７に
導入され、再び燃料電池２に供給される。なお、このア
ノードオフガスＡＯＧを排出する際には、燃料電池２の
後段に設けられたバルブ８が開放される。

【００１４】次に、燃料電池２の構成および作用につい
て説明する。燃料電池２は、図示しない固体電解質膜を
挟んでアノード極２ｂとカソード極２ａを有し、そのそ
れぞれには白金系の触媒を有する電極が設けられてい
る。そして、アノード極２ｂには加湿水素ガスＨｗが通
流され、カソード極２ａには加湿空気Ａｗが通流され
る。ここで、固体電解質膜は、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を電
解質として用いたものが知られている。この固体電解質
膜は、高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水
することにより常温で高いプロトン伝導率を示すもので
ある。従って、触媒によりアノード極２ｂで発生したプ
ロトン（水素イオン）は、容易に固体電解質中を移動し
てカソード極２ａ側に到達することができる。そして、
カソード極２ａ側に到達したプロトンがアノード極２ｂ
で発生した酸素イオンと反応して水を生成する。生成し
た水は未反応成分を含む加湿空気Ａｗと共にカソードオ
フガスＣＯＧとしてカソード極２ａ側の出口から排出さ
れる。このとき、アノード極２ｂとカソード極２ａを外
部負荷を介して電気的に接続して回路を形成すると、水
素のイオン化の際に発生する電子がこの回路に流れ、こ
の電子の量が燃料電池２の発電量となる。

【００１５】ここで、燃料電池２の発電量を決定するパ
ラメータとしては、電極および固体電解質膜からなるセ
ルの数や大きさ、加湿水素ガスＨｗおよび加湿空気Ａｗ
の供給量、固体電解質膜のプロトン伝導率等があげられ
る。これらのうち、固体電解質膜のプロトン伝導率につ
いて説明する。プロトン伝導率は、固体電解質膜内での
プロトンの移動しやすさを表している。従って、プロト
ン伝導率が大きいほど、プロトン（水素イオン）がアノ
ード極２ｂ側からカソード極２ａ側に移動しやすくなる
ので、プロトン（水素イオン）と酸素イオンの反応頻度
が増大し、発電量を増加させることができる。一方、プ
ロトン伝導率が低くなると、プロトンの透過率が減少す
るので、プロトン（水素イオン）と酸素イオンの反応が
減り、発電量が減少する。なお、このプロトン伝導率
は、固体電解質膜が乾燥していると低くなる。従って、
本実施の形態においては、加湿部３で水素ガスＨｄおよ
び空気Ａｄを加湿することで、固体電解質膜に充分な水
分を供給し、固体電解質膜のプロトン伝導率を大きく
し、発電効率の向上および安定を図っている。

【００１６】次に、本実施の形態における加湿部３につ
いて図２、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図２
に示すように、加湿部３は、カソードオフガスＣＯＧの
流れる方向を基準として燃料電池２の近くに設けられた
第一の加湿装置３１と、第一の加湿装置３１の後段に配
置されている第二の加湿装置３２とを有しており、燃料
電池２から排出されるオフガス（カソードオフガスＣＯ
Ｇ）を用いて、アノード極２ｂを充分に加湿することを
目的としている。なお、理解の便宜上、以下においてカ
ソードオフガスＣＯＧは加湿用オフガスＭＧとして説明
する。

【００１７】第一の加湿装置３１は、燃料電池２のカソ
ード極２ａの出口と配管２１で接続され、配管２４によ
り供給される水素ガスＨｄを加湿する装置である。な
お、加湿後の加湿水素Ｈｗは、配管２５を通って燃料電
池２のアノード極２ｂに供給される。第一の加湿装置３
１の構成は、図３（ａ）、（ｂ）に例示するように、略
円柱形をした中空糸膜モジュール３３を並列に四本備え
ると共に、その各々の端部を一端側分配器３４および他
端側分配器３５で保持した直方体形状となっている。中
空糸膜モジュール３３は、円筒形状のハウジング３６
と、ハウジング３６に束ねて収納されている多数の水透
過膜である第一の中空糸膜Ｐ１を有している。第一の中
空糸膜Ｐ１は、外径が十分の数ミリ程度であり、第一の
中空糸膜Ｐ１の外側を通流する水素ガスＨｄとの接触面
積を確保するために、互いにハウジング３６内で離間す
るように配置されている。また、ハウジング３６には円
周上に複数の開口３７ａ，３７ｂを有しており、この開
口３７ａ，３７ｂは、水素ガスＨｄが中空糸膜モジュー
ル３３の内部に流入するための流入口３７ａ、および、
加湿水素ガスＨｗが中空糸膜モジュール３３から流出す
る流出口３７ｂとなっている。一方、加湿用オフガスＭ
Ｇは、各中空糸膜モジュール３３の一端面３３ａから第
一の中空糸膜Ｐ１の内側の中空部分に流入し、中空糸膜
モジュール３３の他端面３３ｂから流出する。

【００１８】一端側分配器３４は、図２に示す配管２１
を流れてきた加湿用オフガスＭＧを各中空糸膜モジュー
ル３３に導入するためのオフガス導入口３８が側面に形
成されており、上面および底面には加湿水素ガスＨｗを
排出するための水素ガス排出口３９が形成されている。
また、他端側分配器３５は、中空糸膜モジュール３３を
通流した後の加湿用オフガスＭＧを配管２２に排出する
オフガス排出口４０が側面に形成されており、上面およ
び底面には中空糸膜モジュール３３に水素ガスＨｄを導
入するための水素ガス導入口４１が形成されている。な
お、水素ガス導入口４１は、図２に示す配管２４に連結
され、水素排出口３９は、配管２５に連結されている。

【００１９】ここで、第一の加湿装置３１に備えられて
いる第一の中空糸膜Ｐ１は、高分子電解質膜から構成さ
れている。この高分子電界質膜は、イオン水和型の水透
過膜であって、その代表例としてはパーフルオロカーボ
ンスルフォン酸を用いたデュポン社のＮＡＦＩＯＮ膜が
あげられる。このような高分子電解質膜は、後述する多
孔質型の高分子膜が有する孔径１０ｎｍ程度の細孔を備
えていないので、加湿用オフガスＭＧや空気Ａｄに含ま
れるガス以外の成分を透過させない性質を有している。
また、このような高分子電荷質膜は、ポリマー構造とし
て疎水性の強い主鎖部分と親水性の交換基を共存させて
おり、この親水性の交換基が水分子と水素結合を行うこ
とで水分を捉える、イオン水和作用を有している。従っ
て、このような高分子電界質膜からなる第一の中空糸膜
Ｐ１の内側に水分を多く含んだ加湿用オフガスＭＧを通
流させ、第一の中空糸膜Ｐ１の外側に水分をほとんど含
まない水素ガスＨｄを通流させると（図３（ａ）参
照）、第一の中空糸膜Ｐ１の内周面で、例えばイオン水
和作用により、加湿用オフガスＭＧに含まれている水分
が次々に捉えられ、第一の中空糸膜Ｐ１の内部に浸透し
つつ、その外周面に送り出される、いわゆる水の輸送現
象が起こる。そして、この外周面に沁み出した水分は水
素ガスＨｄの通流により気化して水蒸気になり、この水
蒸気が水素ガスＨｄに混合されて、加湿水素ガスＨｗと
なる。ここにおいて、加湿用オフガスＭＧの水分以外の
成分である酸素ガスや窒素ガス等の気体は、上述のよう
な細孔を備えない高分子電解質膜内を通過することがで
きないので、水素ガスＨｄに酸素ガス等が混入すること
はない。なお、このような高分子電解質膜からなる第一
の中空糸膜Ｐ１が、特許請求の範囲に記載の非多孔質型
の水透過膜に相当する。

【００２０】また、図２に示すように、第二の加湿装置
３２は、第一の加湿装置３１と配管２２により連結され
ており、空気圧縮機５から配管２６を通って供給される
空気Ａｄを加湿するための加湿装置である。なお、加湿
後の空気Ａｄ、つまり、加湿空気Ａｗは、配管２７によ
り燃料電池２のカソード極２ａに供給される。第二の加
湿装置３２の構成は、第一の加湿装置３１と同様の構成
を有している。第二の加湿装置３２が第一の加湿装置３
１と異なる点は、第一の中空糸膜Ｐ１とは異なる第二の
中空糸膜Ｐ２を用いている点であり、第二の中空糸膜Ｐ
２は中空糸膜モジュール３３に収納されている。第二の
加湿装置３２に用いられる中空糸膜モジュール３３のハ
ウジング３６に束ねて収納されている第二の中空糸膜Ｐ
２は、多孔質型、すなわち、分子が拡散可能な大きさの
細孔（孔径１０ｎｍ程度）を多数備えている高分子膜か
ら構成されている。この高分子膜は、細孔を通じて、例
えば毛管凝縮作用により、水分を透過させることができ
る。従って、このような高分子膜からなる第二の中空糸
膜Ｐ２の内側に水分を多く含んだ加湿用オフガスＭＧを
通流させ、第二の中空糸膜Ｐ２の外側に水分をほとんど
含まない空気Ａｄを通流させると（図３（ａ）参照）、
第二の中空糸膜Ｐ２の内周面で凝縮し、または、細孔内
に分散した水分が、例えば毛管凝縮作用により、第二の
中空糸膜Ｐ２の内部に浸透し、その外周面に沁み出す。
そして、外周面に沁み出した水分は、空気Ａｄの通流に
より気化して水蒸気となり、この水蒸気が空気Ａｄと混
合されて加湿空気Ａｗとなる。このような高分子膜から
なる水透過膜は、細孔を通じて水分の他、酸素ガス等を
透過させることができが、特に気化した水分を確実に輸
送できる特徴がある。なお、この第二の中空糸膜Ｐ２
が、特許請求の範囲に記載の多孔質型の水透過膜に相当
する。また、このような水透過膜の細孔の孔径は、水分
子が自由に透過できるものであれば１０ｎｍ以上であっ
ても良い。

【００２１】ここで、加湿部３におけるガスの流れを加
湿用ガスＭＧ、水素ガスＨｄ、空気Ａｄの順番に説明す
る。まず、燃料電池２のカソード極２ａからカソードオ
フガスＣＯＧとして排出された水分を多く含む加湿用オ
フガスＭＧは、配管２１を通り加湿部３を構成する第一
の加湿装置３１のオフガス導入口３８に導入され、ここ
で、四本の中空糸モジュール３３に収納された多数の第
一の中空糸膜Ｐ１の中空部分に分流する。そして、加湿
用オフガスＭＧに含まれている水分の一部は、第一の中
空糸膜Ｐ１の中空部分を通流する際に、第一の中空糸膜
Ｐ１の内周面に凝縮する。なお、この凝縮した水分は前
記のようにして水素ガスＨｄに回収される。そして、中
空糸膜モジュール３３の他端面３３ｂから流出した加湿
用オフガスＭＧは、第一の加湿装置３１のオフガス排出
口４０から排出され、配管２２を通り、第二の加湿装置
３２に導かれる。第二の加湿装置３２に導かれた加湿用
オフガスＭＧは、四本の中空糸モジュールに収納された
多数の第二の中空糸膜Ｐ２の中空部分に分流する。そし
て、加湿用オフガスＭＧに含まれている水分は、その一
部が第二の中空糸膜Ｐ２の中空部分を通流する際に、第
二の中空糸膜Ｐ２の内周面に凝縮する。また、水分の一
部が第二の中空糸膜Ｐ２の細孔内に拡散する。なお、こ
の凝縮したり、細孔内に拡散した水分は前記のようにし
て空気Ａｄに回収される。そして、中空糸膜モジュール
３３から流出した加湿用オフガスＭＧは、第二の加湿装
置３２から排出され、配管２３から排出される。

【００２２】水素ガスＨｄは、インジェクタ１１から配
管２４を経て、加湿部３の第一の加湿装置３１の水素ガ
ス導入口４１に導入される。そして、流入口３７ａから
中空糸膜モジュール３３のハウジング３６の内側に入
り、中空糸膜モジュール３３の長軸方向に沿って流れ
る。この際に、水素ガスＨｄは、第一の中空糸膜Ｐ１の
外周面に沁み出した水分を受け取ることで加湿され、流
出口３７ｂから流出し、さらに、水素ガス排出口３９か
ら加湿水素ガスＨｗとして排出され、配管２５を通り燃
料電池２のアノード極２ｂに導入される。一方、空気Ａ
ｄは、空気圧縮機５から配管２６を通り、加湿部３の第
二の加湿装置３２に導入され、中空糸膜モジュール３３
の内部を流れる。この際に、空気Ａｄは、第二の中空糸
膜Ｐ２の外周面に沁み出した、または、細孔を拡散して
きた水分を受け取ることで加湿され、加湿空気Ａｗとな
る。そして、第二の加湿装置３２から排出された加湿空
気Ａｗは、配管２７を通って燃料電池２のカソード極２
ａに導入される。ここで、第二の中空糸膜Ｐ２は酸素ガ
ス等のガス成分も透過することがあるが、第二の加湿装
置３２で加湿されるガスである空気Ａｄに酸素ガスが混
入しても燃料電池２に悪影響を及ぼすことはない。

【００２３】なお、第二の中空糸膜Ｐ２に用いられてい
る多孔質型の水透過膜は、一般に耐熱性が高く、２００
℃程度に加熱されても安定であるため、空気圧縮機５で
加圧圧縮された際に圧縮熱で高温となった空気Ａｄを、
冷却することなく第二の加湿装置３２に導入することが
できる。導入される空気Ａｄの温度が高いと、第二の中
空糸膜Ｐ２の外周面で水分が蒸発しやすく、また、空気
Ａｄが含有できる水蒸気量も増えることが予想されるの
で、より多くの水分を燃料電池２に供給できるから、発
電効率を向上させることができる。さらに、第二の中空
糸膜Ｐ２の細孔も水分の透過を促進する役割を有してい
るため、発電効率の向上に寄与している。なお、第二の
加湿装置３２にも非多孔質型の水透過膜からなる第一の
中空糸膜Ｐ１を使用することが可能である。

【００２４】次に、本発明の別の実施の形態を図４を参
照して説明する。なお、図２と同じ構成要素については
同一の符号を付して、その説明を省略する。図４に示す
ように、加湿部４０は、第一の加湿装置３１と、第二の
加湿装置３２とを有しており、第一の加湿装置３１は水
素ガスＨｄを加湿し、第二の加湿装置３２は空気Ａｄを
加湿する点では図２に示す実施の形態と同様であるが、
本実施の形態においては、燃料電池２からの加湿用オフ
ガスＭＧは、まず、第二の加湿装置３２に導入され、次
に第一の加湿装置３１に導入される。

【００２５】加湿用オフガスＭＧは、ガス温度の高い状
態で比較的高温の空気Ａｄを加湿することになるので、
より大量の水分を、空気をキャリアガスとして燃料電池
２に供給することが可能となる。特に第二の加湿装置３
２が細孔を有する第二の中空糸膜Ｐ２を備えている場合
は、水分の透過効率が高いので、大量の水分を燃料電池
２に供給することができる。従って、本実施の形態にお
いては、カソード極２ａを充分に加湿することができ
る。そして、このような場合は、第二の加湿装置３２に
おける加湿用オフガスＭＧの温度低下は少ないか、若し
くは、空気Ａｄにより却って加熱されることもあるの
で、第二の加湿装置３２の後段に配置された第一の加湿
装置３１においても、充分に水素ガスＨｄを加湿するこ
とが可能である。なお、第一の加湿装置３１に用いられ
る中空糸膜は、前記の実施の形態と同様に非多孔質の高
分子膜からなる水透過膜である第一の中空糸膜Ｐ１であ
るため、この実施の形態においても、水素ガスＨｄの加
湿時に水素ガスＨｄに酸素ガスが混入することはない。
また、第二の加湿装置３２に用いられる中空糸膜も実施
の形態と同様に、耐熱性の高い、多孔質の高分子膜から
なる水透過膜である第二の中空糸膜Ｐ２であるため、空
気圧縮機５の圧縮熱で高温になった空気Ａｄを第二の加
湿装置３２に導入することができる。

【００２６】さらに、本発明の別の実施の形態を図５を
参照して説明する。なお、図２と同じ構成要素について
は同一の符号を付して、その説明を省略する。図５に示
すように、加湿部５０は、第一の加湿装置５１と、第二
の加湿装置５２を有し、第一の加湿装置５１は水素ガス
Ｈｄを加湿し、第二の加湿装置５２は空気Ａｄを加湿す
る点、および、第一の加湿装置５１および第二の加湿装
置５２の位置関係は図２に示す実施の形態と同様である
が、本実施の形態において、加湿部５０は、ガス等を加
熱する加熱手段を有している。加熱手段は、第一の加湿
装置５１に設けられた熱交換手段５３と、第二の加湿装
置５２に設けられた熱交換手段５４、ならびに、第一の
加湿装置５１と第二の加湿装置５２の間の配管２２に設
けられた熱交換器５５とから構成されている。なお、第
一の加湿装置５１および第二の加湿装置５２は熱交換手
段５３，５４を有する他は、図３（ａ）、（ｂ）に示す
構成と同様の構成を有しているものとする。

【００２７】ここで、加湿部５０の加熱手段について、
熱交換手段５３，５４、熱交換器５５の順番に説明す
る。熱交換手段５３，５４は、例えば、図３（ａ）に示
した中空糸膜モジュール３３の外周面を覆うように設け
られたチューブからなり、中空糸膜モジュール３３の一
端部から他端部まで循環水ＣＷを中空糸膜モジュール３
３の長手方向に沿って流す、いわゆるジャケットタイプ
のものを使用することができる。このような構成にする
と、循環水ＣＷが保有する熱を中空糸膜モジュール３３
のハウジング３６を介して、水素ガスＨｄや、空気Ａ
ｄ、加湿用オフガスＭＧや、第一、第二の中空糸膜Ｐ
１，Ｐ２に伝達することで、これらを加熱することがで
きる。また、この熱交換手段５３，５４への循環水ＣＷ
の導入および排出は、燃料電池２に連結された循環水ラ
イン５６により行われている。なお、熱交換手段５３，
５４は、循環水ＣＷの保有する熱を、水素ガスＨｄ等に
伝達できる構成であれば、図に示すものに限定されず
に、種々の構成とすることができる。

【００２８】熱交換器５５は、第一の加湿装置５１と第
二の加湿装置５２の間に設けられ、第一の加湿装置５１
を通過した加湿用オフガスＭＧが流れる配管２２を覆う
ように設けられたチューブや、配管２２の外周に螺旋状
に巻かれた配管等から構成されている。この熱交換器５
５によれば、第二の加湿装置５２に導入する加湿用オフ
ガスＭＧが保有する水分の凝縮を防止し、再蒸発を促す
ことができるので、第二の加湿装置５２における空気Ａ
ｄの加湿の効率を向上させることができる。熱交換器５
５への循環水ＣＷの導入や排出も前記の循環水ライン５
６により行われる。

【００２９】このような加熱手段を設けて、加湿用オフ
ガスＭＧ、水素ガスＨｄ、空気Ａｄを加熱することで、
水素ガスＨｄおよび空気Ａｄに含有される水分量を増や
すことができる。従って、燃料電池２の固体電解質膜に
水分を安定して供給できるので、プロトン伝導率が高く
なり、固体電界質膜を透過するプロトン（水素イオン）
の数を増やし、発電効率を向上させることができる。こ
こで、循環水ＣＷは、熱交換手段５３，５４および熱交
換器５５における熱交換により冷却される。そして、こ
の冷却された循環水ＣＷが再び燃料電池２の冷却に用い
られるので、燃料電池２の廃熱を有効に利用する効果も
兼ねている。

【００３０】なお、本発明は前記の各実施の形態に限定
されずに、広く応用することが可能である。例えば、加
湿部３において、第一の加湿装置３１と第二の加湿装置
３２の配置を図２、図４、図５に示すような直列とする
替わりに、加湿用オフガスＭＧの流れに対して並列に配
置することも可能である。また、水透過膜は中空糸膜Ｐ
１，Ｐ２に限定されずに、シート形状等の任意の形状で
用いることができる。さらに、加湿用オフガスＭＧは、
カソードオフガスＣＯＧとしたが、アノードオフガスＡ
ＯＧが水分を多く含む場合は、アノードオフガスＡＯＧ
を加湿用オフガスＭＧとすることができる。この場合
は、加湿用オフガスＭＧに未反応の水素ガスＨｄが含ま
れる可能性があるので、空気Ａｄを加湿する第二の加湿
装置３２には、非多孔質型の水透過膜を用いることが望
ましい。

【００３１】そして、図５において加熱手段は、第一の
加湿装置５１や、第二の加湿装置５２、または、配管２
２のみに設けることもできる。また、燃料電池２と第一
の加湿装置５１との間の配管２５や、燃料電池２と第二
の加湿装置３２との間の配管２７に加熱手段を設けるこ
ともできる。特に、配管２５および配管２７を加熱する
と、加湿水素ガスＨｗや加湿空気Ａｗが燃料電池２に供
給されるまでに冷却されて、水が配管２５，２７中に凝
縮することを防止できる。さらに、加熱手段は、熱交換
手段５３，５４および熱交換器５５のほかに、所定の構
造を有するヒータとすることもできる。ヒータを用いる
場合は、加湿用オフガスＭＧ、水素ガスＨｄ、空気Ａｄ
をより高温に加熱することができるので、充分な水分を
燃料電池２の固体電解質膜に供給することができる。ま
た、空気圧縮機５と第二の加湿装置５２との間に、空気
Ａｄを所定温度まで冷却する冷却装置を設けても良い。
空気Ａｄの温度が所定温度よりも高くなる場合であって
も、水透過膜の耐久性を維持することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る発明は、アノー
ド極に供給する前の燃料ガスを燃料電池から排出された
水分を含むオフガスを用いて加湿する際に、この加湿に
用いる水透過膜に、水分のみを透過し、酸素ガス等のガ
ス成分を透過しない非多孔質型の水透過膜を用い、燃料
ガスと酸化剤ガスが混合しない構成とした。従って、燃
料ガスの加湿により、燃料電池内の固体電界質膜のプロ
トン伝導率を向上させ、発電効率を向上させることがで
きると共に、燃料電池のアノード極側の電極におけるプ
ロトン（水素ガス）と酸素ガスの反応による電極等の劣
化を防止できる。また、請求項２に係る発明は、これに
加えて、カソード極に供給する前の酸化剤ガスを多孔質
型の水透過膜により加湿する構成とした。これにより、
酸化剤ガスの加湿を効率的に行うことができるので、燃
料電池の発電効率を向上できる。さらに、請求項３に係
る発明は、燃料電池および水素ガスの加湿装置ならびに
酸化剤ガスの加湿装置をオフガスの流れに対して直列に
配置したので、簡単な構成で燃料ガス、酸化剤ガスをそ
れぞれを効果的に加湿することができる。そして、請求
項４に係る発明は、燃料電池から排出されたオフガスを
加湿部に導入し、燃料ガスを非多孔質型の水透過膜を用
いて加湿し、酸化剤ガスを水透過膜を用いて加湿する加
湿方法としたので、燃料電池のアノード極およびカソー
ド極のそれぞれを充分に加湿することができ、特に、燃
料ガスにオフガス中のガス成分が混入することを防止で
きる。また、請求項５に係る発明は、前記のような燃料
電池システムに用いられる非多孔質型の水透過膜を、イ
オン水和作用を有する膜としたので、ガスの混合を確実
に防ぎつつも、燃料ガスを加湿でき、安定して高い発電
効率を得ることができる。そして、請求項６に係る発明
は、前記のような燃料電池システムに用いられる多孔質
型の水透過膜を、毛管凝縮作用を有する膜としたので、
酸化剤ガスを確実に加湿することができ、安定して高い
発電効率を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システム
の全体構成図である。

【図２】本発明の実施の形態における燃料電池および加
湿部の構成を示す構成図である。

【図３】（ａ）第一の加湿装置の側部断面図、（ｂ）第
一の加湿装置の斜視図である。

【図４】本発明の実施の別の形態における燃料電池およ
び加湿部の構成を示す構成図である。

【図５】本発明の実施の別の形態における燃料電池およ
び加湿部の構成を示す構成図である。

【符号の説明】

１燃料電池システム２，４０，５０加湿部５空気圧縮機３１，５１第一の加湿装置３２，５２第二の加湿装置３３中空糸膜モジュール５３，５４熱交換手段５５熱交換器Ｐ１第一の中空糸膜（非多孔質型の水透過
膜）Ｐ２第二の中空糸膜（多孔質型の水透過膜）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者草野佳夫埼玉県和光市中央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 BA13 BA19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アノード極に供給された燃料ガスおよび
カソード極に供給された酸化剤ガスの電気化学反応によ
り発電を行う燃料電池と、水透過膜を用いてガスを加湿
する加湿部を有する燃料電池システムであって、前記加湿部は第一の加湿装置を有し、前記第一の加湿装
置は、前記燃料電池から排出された水分を含むオフガス
を用いて、前記アノード極に供給する前記燃料ガスを加
湿する非多孔質型の水透過膜を備えることを特徴とする
加湿部を有する燃料電池システム。
【請求項２】前記加湿部は、第二の加湿装置を有し、
前記第二の加湿装置は、前記オフガスを用いて前記カソ
ード極に供給する前記酸化剤ガスを加湿する多孔質型の
水透過膜を備えたことを特徴とする請求項１に記載の加
湿部を有する燃料電池システム。
【請求項３】前記燃料電池および前記第一の加湿装置
ならびに前記第二の加湿装置は前記オフガスの流れに対
して直列に配置されていることを特徴とする請求項２に
記載の加湿部を有する燃料電池システム。
【請求項４】燃料電池に供給する燃料ガスおよび酸化
剤ガスを加湿部において加湿する加湿方法であって、前記燃料電池から排出された水分を含むオフガスを前記
加湿部に導入するステップと、前記燃料ガスが前記加湿部において非多孔質型の水透過
膜を介して、前記オフガスから水分を受け取るステップ
と、前記酸化剤ガスが前記加湿部において水透過膜を介し
て、前記オフガスから水分を受け取るステップと、加湿後の前記燃料ガス、および、加湿後の前記酸化剤ガ
スのそれぞれを前記燃料電池に供給するステップと、を有することを特徴とする加湿部を有する燃料電池シス
テムの加湿方法。
【請求項５】前記非多孔質型の水透過膜は、イオン水和
作用を用いて水分を透過させる膜であることを特徴とす
る請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電
池システム。
【請求項６】前記多孔質型の水透過膜は、毛管凝縮作用
を用いて水分を透過させる膜であることを特徴とする請
求項１から請求５のいずれか一項に記載の燃料電池シス
テム。