JP2004165062A - 燃料電池用加湿器およびその加温方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換の向上を実現して適切に加温できる燃料電池の加湿器及び加湿器の加温方法を提供することを課題とする。
【解決手段】燃料電池２に供給される供給ガスと燃料電池から排出されるオフガスとの間で水分を移動させて供給ガスを加湿する中空糸膜モジュール１４、１５を複数備えたアノード加湿器２５および中空糸膜モジュール１１、１２、１３を複数備えたカソード加湿器２６からなる加湿器３であって、中空糸膜モジュールの両端を保持する一対のヘッド６，７と、ヘッド６，７のおのおのを連結する連結部材８、９と、ヘッド６，７が有する供給ガスの出口と供給ガスの入口を温めるようにした温水ライザー１８とを備えるように構成する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に使用される水透過型の中空糸膜を使用した加湿器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極とを備えた電極膜構造体と、この電極膜構造体の両側にそれぞれ反応ガスを供給するためのガス通路を形成するとともに電極膜構造体を両側から支持するセパレータとを積層して構成されている。また、固体高分子電解質膜中での水素イオンを流れやすくするために燃料電池内に供給する水素や酸素を加湿する加湿器が設けられている。
【０００３】
この燃料電池では、アノード電極に燃料用供給ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤用反応ガスとして酸素を含む空気を供給して、これらのガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギーを直接電気エネルギーとして抽出し、電気モータに供給して電気モータを駆動する。つまり、アノード電極側で水素ガスをイオン化させて固体高分子電解質中に移動させ、電子をカソード電極側に移動させて酸素と反応させて水を生成する一連の電気化学反応により、電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００４】
そして、燃料電池の加湿器は、燃料電池に供給される供給ガスと、燃料電池から排出される排気ガス（オフガス）との間で水分を移動させて供給ガスを加湿する加湿モジュールを複数個備えており、燃料電池のカソード電極とアノード電極の両極を加湿するようになっている。
【０００５】
従来の技術では、本出願人は、特開２００２−２１６８１６号公報（特許文献１）の燃料電池システムを提案している。以下、図面を参照して詳細に説明する。図５は従来技術の燃料電池システム４０の構成を示す構成図である。図５に示すように、従来技術の燃料電池システム４０は、燃料電池（以下、ＦＣという）４１に空気供給系４２、空気排出系４３、水素ガス供給系４４、水素ガス排出系４５および冷却系４６が付設された構成である。
【０００６】
ＦＣ４１は、発電単位であるセルが多数積層された構造のＰＥＭ型燃料電池であり、例えば７０〜８０°Ｃの温度環境において、最も安定した出力状態が得られる。このＦＣ４１は、図示しない出力電流制御装置を介してバッテリおよび走行用モータの駆動ユニットに給電するように回路構成されている。
空気供給系４２は、空気をＦＣ４１のカソード極入口側に供給する。空気供給系４２には、その上流側から下流側へ向かって過給機（Ｓ／Ｃ）４２Ａ、インタークーラ（Ｉ／Ｃ）４２Ｂ、熱交換器（Ｈ／Ｅ）４２Ｃおよび水透過膜型の加湿装置としてのカソード加湿器４２Ｄが配設されている。
空気排出系４３は、ＦＣ４１のカソード極出口側から反応水を含んだ余剰空気である高湿潤のオフガスを排出する。
【０００７】
水素ガス供給系４４は、供給ガスとしての水素ガスをＦＣ４１のアノード極入口側に供給する。このため、水素ガス供給系４４には、水素タンク４４Ａ、熱交換器（Ｈ／Ｅ）４４Ｃおよびエゼクタ４４Ｂおよび水透過膜型の加湿装置としてのアノード加湿器４４Ｄが配設されている。また、このアノード加湿器４４Ｄと並列に、前記Ｈ／Ｅ４４Ｃの下流側とアノード加湿器４４Ｄの下流側との間には、水吸引用のエゼクタ（Ｅ／Ｊ）４４Ｅが介設されている。
水素ガス排出系４５は、ＦＣ４１のアノード極出口側から反応水を含んだ余剰水素ガスである高湿潤のアノードオフガスを排出する。
冷却系４６は、ＦＣ４１と熱交換器４６Ａとの間を循環する冷却液によりＦＣ４１を適温範囲に冷却するようになっている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２１６８１６号公報（図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池（ＦＣ）自体の温度と供給ガスとの間に温度差があり、同等に近い温度にして供給することができないという問題があった。また、燃料電池システムにおいては、理論熱効率に対して、まだ大きな隔たりがあり、さらなる熱効率向上が求められていた。
【００１０】
そこで、本発明は、供給ガスの熱交換の向上を実現して適切に加温できる燃料電池の加湿器及び加湿器の加温方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載された本発明の加湿器は、燃料電池に供給される供給ガスと前記燃料電池から排出されるオフガスとの間で水分を移動させて前記供給ガスを加湿する中空糸膜モジュールを複数備えたアノード加湿器およびカソード加湿器からなる燃料電池用加湿器であって、前記中空糸膜モジュールの両端を保持する一対のヘッドと、前記ヘッドのおのおのを連結する連結部材と、前記ヘッドが有する供給ガスの出口と供給ガスの入口を温めるようにした温水ライザーとを備えることを特徴とする。
【００１２】
この請求項１に記載された本発明によれば、中空糸膜からなる中空糸膜モジュールの両端を保持するヘッドと、前記ヘッドのおのおのを連結する連結部材と、温水ライザーとから構成したことにより、高効率な熱交換による加湿効率の向上と適切な加温を実現した燃料電池用加湿器を提供することができる。
【００１３】
請求項２に記載された本発明の加湿器の加温方法は、燃料電池に供給される供給ガスと前記燃料電池から排出されるオフガスとの間で水分を移動させて前記供給ガスを加湿する中空糸膜モジュールを複数備えたアノード加湿器およびカソード加湿器からなる加湿器を加温する方法であって、前記燃料電池から排出された冷却水を前記カソード加湿器の供給ガス出口側に導いて分岐し、分岐した一方の冷却水で該供給ガス出口側を加温したのち、分岐した他方の冷却水を前記供給ガス出口側とは反対側の供給ガス入口側のヘッドに導いて該供給ガス入口側を加温することを特徴とする。
【００１４】
この請求項２に記載された本発明によれば、温水ライザーを付設した加湿器の加温方法においては、燃料電池から出たばかりの温められた冷却水によってカソード加湿器の供給ガスの出口側から先に温めることができることから、燃料電池に供給する直前の供給ガスの温度を、燃料電池自体の温度に略同じ温度にして供給できるので、酸素と水素を反応させて電気エネルギーを取り出す電気化学反応の効率を向上させることができる。
また、燃料電池から出たばかりの温められた冷却水によってカソード加湿器の供給ガスの出口側から先に温めることができるので、放熱がしにくく、さらに、その入口側を温めることにより、さらなる熱の有効利用ができる。そのため、加温効率の向上が熱交換の向上につながり、熱交換の向上を実現した燃料電池を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る加湿器の一実施の形態を図１〜図３の図面を参照して詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）自動車に搭載される燃料電池用加湿器（以下、加湿器という）に適用した態様である。図１は、加湿器を備えた燃料電池システムを示す斜視図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、ＦＣ（燃料電池）２と、供給ガスである空気と水素を加湿する加湿器３と、電気を蓄えるコンデンサであるキャパシタ（図示せず）とから構成されている。
なお、温水ライザーとは、温水を挿通してＦＣ２へ供給する供給ガスを温める装置をいう。
【００１６】
図１は、燃料電池ＦＣ２と温水ライザー付き加湿器３から構成された燃料電池システム１を示す斜視図である。図１に示すように、加湿器３は、ＦＣ２に供給される供給ガスと、ＦＣ２から排出される排気ガス（オフガス）との間で水分を移動させて供給ガスを加湿し、ＦＣ２のカソード、アノードの両極を加湿する装置である。加湿器３は、アノード加湿器２５とカソード加湿器２６とから構成されている。アノード加湿器２５には、中空糸膜からなる中空糸膜モジュール１４，１５が２本備えられ、カソード加湿器２６には中空糸膜からなる中空糸膜モジュール１１，１２，１３が３本備えられている。中空糸膜モジュール１１，１２，１３の両端には、左側ヘッド６と右側ヘッド７が設けられ、左側ヘッド６と右側ヘッド７は上部連結部材８と側部連結部材９（図２参照）によって連結されている。
上部連結部材８には、本実施形態の加湿器３を温めるための温水が通る流路として細い管路８ｃ（図１参照）と、オフガス（湿った空気）の流路としての径の太い管路８ｄとの２管路が形成されている。
また、側部連結部材９は、オフガスを通す管路（図示せず）が形成されており、この管路としては、前記した管路８ｃと管路８ｄとの中間の太さのものが使用されている。
温水ライザー１８は、右側ヘッド７の外周と、左側ヘッド６の外周にパイプの配管によって設けられ、上部連結部材８と一体に付設されている。
【００１７】
図２は、図１に示す温水ライザー付き加湿器３のＡ矢視（右側面）図である。図２に示すように、温水ライザー１８は、１８ａと１８ｂ、１８ｃ（図１参照）で構成されている。
温水ライザー１８ａは、右側ヘッド７の外周に設けられており、ＦＣ２から排出された７０〜８０°Ｃの温かい冷却水を利用してカソード加湿器２６のＦＣ２側である出口側をまず加温する。流路ａの冷却水の流れは矢印で示すように、右側ヘッド７の上部で下方向の流路ｂに分岐されて矢印で示す下方に流れ、さらに、流路ｃは分岐されて矢印に示す方向へ流れる。このようにして、ＦＣ２自体の温度と供給ガスとは温度差がないようにカソード加湿器２６の供給ガスの出口側を最初に温めて同等の温度にしてＦＣ２へ供給する。
温水ライザー１８ｂは、右側ヘッド７の上部に位置し、冷却水の流路ａは、上部接続部材８（図１参照）の細い管路８ｃに流入し、カソード加湿器２６の反対側の左側ヘッド６に導かれる。
【００１８】
図３は、図１に示す温水ライザー付き加湿器３のＢ矢視（左側面）図である。図３に示すように、温水ライザー１８ｃは、上部接続部材８の温水ライザー１８ｂとフランジ部６ａを介して接続され、略Ｚ字状または逆Ｓ字状に屈曲されたパイプであるが、左側ヘッド６の外周面に巻き付くように配管されている。このように、温水ライザー１８ｃにより、カソード加湿器２６の入口側に入るオフガスを温めるようになっている。なお、この配管を延長してアノード加湿器２５の入口側に入る水素オフガスを温めるようにしてもよい。
【００１９】
図４は、本発明の温水ライザー付き加湿器３を用いた燃料電池システム１の構成を示す構成図である。図４に示すように、水素Ｈ_２（以下、Ｈという）は細線で示している。水素貯蔵タンクＴから供給される供給ガスとしての水素ガスＨは、水素供給管２２を通り、遮断弁３７、レギュレータ３８を通り、水素供給管２２ａからエゼクタ（Ｅ／Ｊ）２４、水素供給管２２ｂを通って加湿器３のアノード加湿器２５に入り、アノード加湿器２５において加湿された後、出口である水素供給管２２ｃを経由して燃料電池（以下、ＦＣという）２のアノード電極に供給される。
【００２０】
アノード電極に供給された水素Ｈは、酸化還元反応に供された後、水素ガスの一部が水素オフガスとなってＦＣ２から排出され、水素オフガス戻り管２２ｄから水素排出管２２ｆに入り、流体排出用のパージ弁３６を開くことでこれを経由して水素排出管２２ｇから大気に放出可能とされる。
【００２１】
エゼクタ２４は、水素供給管２２ａから供給された水素ガスの流れによって生じる負圧により、水素オフガス戻り管２２ｄから導入される水素オフガスを吸引し、水素ガスと水素オフガスの混合ガスをアノード加湿器２５に供給する。
【００２２】
空気の経路は、図４に示す太線で示している。酸化剤用反応ガスとしての空気Ａｉｒ（以下、Ａという）は、スーパーチャージャＳＰによって加圧され、空気供給管ｄからインタークーラー２９を介し、空気供給管ｅ、ｆを経由してカソード加湿器２６に供給され加湿される。その後、空気供給管ｇを通りＦＣ２のカソード電極に供給される。そして、カソード電極に供給された空気中の酸素が酸化剤として消費された後、空気はオフガスとなって空気排気管ｈから排出され、アノード加湿器２５を通り、空気排出管ｉ、カソード加湿器２６、空気排出管ｊ、背圧弁Ｖ２、空気排出管ｋを流通して大気に放出される。
【００２３】
冷却水の流通経路は、図４に示すように二重線で示している。ＦＣ２は、例えば７０〜８０°Ｃの温度環境にあるため、ＦＣ２から出てきた冷却水は、同等温度を有しており、この冷却水の温かさを有効利用して加湿器３の出口、特にカソードの出口を最初に温め、次にカソードの入口を温めることができる温水ライザー１８が構成されている。なお、カソード加湿器２６の出口を最初に温めた後、アノード加湿器２５の出口も温め、それから、カソード加湿器２６の入口を温めた後、アノード加湿器２５の入口を温めても構わない。
温水ポンプＨＰは、冷却水ＣＷを選択的にラジエータＲＡＤに供給したのち、最初はカソード加湿器２６の出口に流し、次に反対側に位置するカソード加湿器２６の入口側に流して、ＦＣ２に戻り循環させる。
【００２４】
ＦＣ２に向う供給ガス（空気）は、たくさん加湿されることから、ＦＣ２にたどり着くまでに温度が下がると電気化学反応の効率が下がるため、ＦＣ２から出たばかりの温かい冷却水でカソード加湿器の出口（ＦＣ２）側を加温することが重要である。また、アノード加湿器２５で水素と熱交換した後の空気オフガスで加温されるので、より適切に加温することが重要である。つまり、ＦＣ２から出たばかりの冷却水の温度は、ＦＣ内部の温度と同等なので、そのようなＦＣ２から出たばかりの温かい冷却水によって、カソードの供給ガスを加温することは都合がよい。水素の加温の優先順位を２番目にする理由は、水素は空気に比べて加湿を必要としないためである。
その結果、出口側を先に温め、熱の有効利用を図ると共に、熱効率の向上を図ることができる。また、放熱する前に供給ガスを温めることから、熱効率の向上を図ることができる。
【００２５】
なお、本発明は前述した実施の形態に限られるものではなく、技術思想を同じくして変形、改造が可能である。例えば、加湿器のヘッドの両側に温水ライザーを付設したが、ヘッド内に設けても構わないし、ヘッドの肉厚内に設けても構わない。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載された本発明によれば、中空糸膜からなる中空糸膜モジュールの両端を保持するヘッドと、前記ヘッドのおのおのを連結する連結部材と、温水ライザーとから構成したことにより、高効率な熱交換による加湿効率の向上を実現した燃料電池を提供することができる。
【００２７】
請求項２に記載された本発明によれば、温水ライザーを付設した加湿器の加温方法においては、燃料電池から出たばかりの温められた冷却水によってまず先にカソード加湿器の供給ガスの出口側から温めることができることから、燃料電池に供給する供給ガスの温度を、燃料電池自体の温度に略同じ温度にして供給できるので、酸素と水素を反応させて電気エネルギーを取り出す電気化学反応の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池と温水ライザー付き加湿器から構成された燃料電池システムを示す斜視図である。
【図２】図１に示すＡ矢視の温水ライザー付き加湿器の右側面図である。
【図３】図１に示すＢ矢視の温水ライザー付き加湿器の左側面図である。
【図４】本発明の温水ライザー付き加湿器を用いた燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図５】従来の燃料電池システム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 ＦＣ（燃料電池）
３ 燃料電池用加湿器
６ 左側ヘッド
６ａ フランジ部
７ 右側ヘッド
８ 上部連結部材
８ｃ、８ｄ 管路
９ 側部連結部材
１１、１２、１３、１４、１５ 中空糸膜モジュール
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 温水ライザー
２５ アノード加湿器
２６ カソード加湿器
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 水素供給管
２２ｄ 水素オフガス戻り管
２２ｆ、２２ｇ 水素排出管
２４ エゼクタ
２９ インタークーラー
３３ 逆止弁
３６ パージ弁
３７ 遮断弁
３８ レギュレータ
ａ、ｂ、ｃ 流路
ｄ，ｅ，ｆ，ｇ 空気供給管
ｈ，ｉ，ｊ，ｋ 空気排出管
Ｖ２ 背圧弁
ＨＰ 温水ポンプ
ＲＡＤ ラジエータ

Claims (2)

1. 燃料電池に供給される供給ガスと前記燃料電池から排出されるオフガスとの間で水分を移動させて前記供給ガスを加湿する中空糸膜モジュールを複数備えたアノード加湿器およびカソード加湿器からなる燃料電池用加湿器であって、
   前記中空糸膜モジュールの両端を保持する一対のヘッドと、
   前記ヘッドのおのおのを連結する連結部材と、
   前記ヘッドが有する供給ガスの出口と供給ガスの入口を温めるようにした温水ライザーと、
   を備えることを特徴とする燃料電池用加湿器。
2. 燃料電池に供給される供給ガスと前記燃料電池から排出されるオフガスとの間で水分を移動させて前記供給ガスを加湿する中空糸膜モジュールを複数備えたアノード加湿器およびカソード加湿器からなる加湿器を加温する方法であって、
   前記燃料電池から排出された冷却水を前記カソード加湿器の供給ガス出口側に導いて分岐し、分岐した一方の冷却水で該供給ガス出口側を加温したのち、分岐した他方の冷却水を前記供給ガス出口側とは反対側の供給ガス入口側のヘッドに導いて該供給ガス入口側を加温することを特徴とする燃料電池用加湿器の加温方法。

Images