JP2004207022A - 燃料電池用加湿装置および燃料電池の空気加湿方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の反応ガスである供給空気を飽和加湿させる。
【解決手段】透湿膜９の一方の主面に燃料電池１の排気流路１１を、他方の主面に給気流路１０を設ける。排気流路１１には燃料電池１の排気中に含有される水分を回収するトラップが設けられており、回収された水分は燃料電池１の冷却部４から排出される冷却水で加温される。排気中の水蒸気は透湿膜９を通って給気流路１０を流れる供給空気を加湿する。さらに、回収された水分が加温されて発生した水蒸気が透湿膜９を通って給気流路１０を流れる供給空気を加湿する。したがって、排気中の水分がフルに供給空気の加湿に利用され、外部から給水することなく水蒸気飽和した空気を燃料電池１に供給することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】透湿膜９の一方の主面に燃料電池１の排気流路１１を、他方の主面に給気流路１０を設ける。排気流路１１には燃料電池１の排気中に含有される水分を回収するトラップが設けられており、回収された水分は燃料電池１の冷却部４から排出される冷却水で加温される。排気中の水蒸気は透湿膜９を通って給気流路１０を流れる供給空気を加湿する。さらに、回収された水分が加温されて発生した水蒸気が透湿膜９を通って給気流路１０を流れる供給空気を加湿する。したがって、排気中の水分がフルに供給空気の加湿に利用され、外部から給水することなく水蒸気飽和した空気を燃料電池１に供給することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給する空気または燃料を加湿する燃料電池用加湿装置および空気加湿方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に燃料電池では、固体高分子電解質膜を水素イオンが通過することによる発電反応を行う際に、固体高分子膜中に水が存在する必要があった。この水分を供給する方法として種々の方法があり、たとえば特許文献１には燃料電池のオフガスに含まれる発電生成水により反応ガスを加湿する構成が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１１１６９７号公報（第３ページ［００１０］および図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の方法は生成水および生成熱が反応ガスの供給量に比例するので、加湿および予熱が停滞なく行われ、負荷の変動に対応して加湿された反応ガスを燃料電池に供給することができる。しかし、燃料電池のオフガスに含まれる水蒸気の加湿のみでは十分な加湿量が得にくい。また、燃料電池を冷却し温水とした冷却水を用いた加湿を行う方法があるが、冷却水からの加湿には冷却水に純水を用いなくてはならないが、冷却水の凍結防止のためには不凍液を用いる事が望ましいため冷却水による加湿は不適応である。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するものであり、反応ガスである供給空気を飽和状態の加湿が可能な燃料電池を提供することを目的とするものである。
【０００６】
また、燃料電池の冷却水の水質に無関係に供給空気の加湿が可能な燃料電池を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の燃料電池用加湿装置は、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第１の主面に設けられ空気を流す空気流路と、前記透湿膜の第２の主面に設けられた純水または水蒸気を供給する補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路に供給された流体を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用加湿装置において、流体供給手段により燃料電池の排気を供給し、この供給された排気中に含まれる水分を回収する水分回収手段を備え、前記水分回収手段により回収された水分を加熱手段により加熱することを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用加湿装置において、流体供給手段により補給路に燃料電池の排気を供給し、前記補給路内に水分回収手段であるトラップを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用加湿装置において、水分回収手段は排気を供給する補給路内に気水分離部を備え、前記気水分離部の下部に水滞留部を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項５に記載の燃料電池用加湿装置は、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第１の主面に設けられた空気流路と、前記透湿膜の第２の主面に設けられた純水または水蒸気の補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路を流れる流体を加熱する加熱手段を一体化したユニットを１つまたは複数個積層したことを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池用加湿装置において、加熱手段は燃料電池を冷却した冷却水であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用加湿装置において、水分回収手段が透湿膜の第２の主面に設けられた補給路内に設けられ、加熱手段が前記水分回収手段に隣接して配されたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池用加湿装置において、水分回収手段は補給路に連結した排気通路内に設けられたトラップであり、前記トラップが複数のユニットに対して共通に形成されたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項９に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池用加湿装置において、水分回収手段は補給路内に配された１つまたは複数のトラップであり、前記トラップが複数のユニットの各々に形成されたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池用加湿装置において、水滞留部の透湿膜に接する面積が透湿膜の面積の１０〜５０％であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項１１に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用加湿装置において、補給路における流体の流れ方向と空気流路における供給空気の流れの方向が互いに対向した方向であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項１２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用加湿装置において、加熱手段が燃料電池を冷却した冷却水であり、前記冷却水の温度と流体流路を流れる加湿水の温度差を低減させる低減手段を備えたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置において、温度差を低減させる低減手段が補給路内流体流路に加湿水を循環させる手段であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項１４に記載の発明は、請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置において、温度差を低減させる低減手段が流体流路と加熱手段の接触面積を拡大する手段であることを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項１５に記載の発明は、請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置において、温度差を低減させる低減手段が空気流路に供給する空気の一部を分岐させて補給路内に供給する手段であり、前記補給路内の加湿水を攪拌し熱伝達の促進を図ることを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項１６に記載の発明は、請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置において、加熱手段と補給路間の伝熱面を振動させる振動手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項１７に記載の発明は、請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置において、空気流路と補給路間の伝熱面を振動させる脈動手段を備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項１８に記載の燃料電池の空気加湿方法は、燃料電池の排気から水分を回収する第１のステップと、前記回収された水分を加熱する第２のステップと、排気中の水蒸気により燃料電池に供給する空気を加湿する第３のステップと、前記第２のステップで発生した水蒸気により前記空気を加湿する第４のステップを有することを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項１９に記載の発明は、請求項１８に記載の燃料電池の空気加湿方法において、第３のステップの後第４のステップで加湿することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池用加湿装置は、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第１の主面に設けられ空気を流す空気流路と、前記透湿膜の第２の主面に設けられた純水または水蒸気を供給する補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路に供給された流体を加熱する加熱手段を備えたものである。
【００２７】
本発明によれば、反応ガスである供給空気を簡単な構成の加湿系により飽和加湿させることができる。また、燃料電池の冷却水の水質に無関係に供給空気の加湿をすることができ、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。
【００２８】
また、他の実施の形態は、流体供給手段により燃料電池の排気を供給し、この供給された排気中に含まれる水分を回収する水分回収手段を備え、前記水分回収手段により回収された水分を加熱手段により加熱するものである。そして本発明によれば、排気中の水蒸気による加湿に加え、排気中の水分を回収して発生させた水蒸気により供給空気を加湿することができるので、反応ガスである供給空気を無給水で飽和加湿させることができる。
【００２９】
また、他の実施の形態は、流体供給手段により補給路に燃料電池の排気を供給し、前記補給路内に水分回収手段であるトラップを備えたものである。そして本発明によれば、排気空気中に含有されている水分を簡単な方法で回収することができる。
【００３０】
また、他の実施の形態は、水分回収手段は排気を供給する補給路内に気水分離部を備え、前記気水分離部の下部に水滞留部を備えたものである。そして本発明によれば、排気空気中に含有されている水分を簡単な方法で回収することができる。
【００３１】
また、他の実施の形態は、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第１の主面に設けられた空気流路と、前記透湿膜の第２の主面に設けられた純水または水蒸気の補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路を流れる流体を加熱する加熱手段を一体化したユニットを１つまたは複数個積層したものである。そして本発明によれば、燃料電池用加湿装置を簡単な構成で小型にすることができる。
【００３２】
また、他の実施の形態は、加熱手段は燃料電池を冷却した冷却水としたものである。そして本発明によれば、燃料電池が発生する熱を有効利用しているので新たな熱源を必要としない。
【００３３】
また、他の実施の形態は、水分回収手段が透湿膜の第２の主面に設けられた補給路内に設けられ、加熱手段が前記水分回収手段に隣接して配されたものである。そして本発明によれば、燃料電池用加湿装置を簡単な構成で小型にすることができる。
【００３４】
また、他の実施の形態は、水分回収手段は補給路に連結した排気通路内に設けられたトラップであり、前記トラップが複数のユニットに対して共通に形成されたものである。そして本発明によれば、回収した水分による加湿機構を外付けで取り付けることができるので、この装置を備えていない既存の装置でも簡単に加湿機構を付加することができる。
【００３５】
また、他の実施の形態は、水分回収手段は補給路内に配された１つまたは複数のトラップであり、前記トラップが複数のユニットの各々に形成されたものである。そして本発明によれば、空気加湿ユニットの数を調整することにより空気加湿量を自由に制御することができる。
【００３６】
また、他の実施の形態は、水滞留部の透湿膜に接する面積が透湿膜の面積の１０〜５０％としたものである。そして本発明によれば、簡単な構成で確実に飽和加湿を行うことができる。
【００３７】
また、他の実施の形態は、補給路における流体の流れ方向と空気流路における供給空気の流れの方向が互いに対向した方向としたものである。そして本発明によれば、供給空気の加湿が効率よく行うことができる。
【００３８】
また、他の実施の形態は、加熱手段が燃料電池を冷却した冷却水であり、前記冷却水の温度と流体流路を流れる加湿水の温度差を低減させる低減手段を備えたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、供給空気流路を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【００３９】
また、他の実施の形態は、温度差を低減させる低減手段が補給路内流体流路に加湿水を循環させる手段としたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【００４０】
また、他の実施の形態は、温度差を低減させる低減手段を流体流路と加熱手段の接触面積を拡大する手段としたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【００４１】
また、他の実施の形態は、温度差を低減させる低減手段が空気流路に供給する空気の一部を分岐させて補給路内に供給する手段であり、前記補給路内の加湿水を攪拌し熱伝達の促進を図るものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【００４２】
また、他の実施の形態は、加熱手段と補給路間の伝熱面を振動させる振動手段を備えたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【００４３】
また、他の実施の形態は、空気流路と補給路間の伝熱面を振動させる脈動手段を備えたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【００４４】
また、本発明の燃料電池の空気加湿方法は、燃料電池の排気から水分を回収する第１のステップと、前記回収された水分を加熱する第２のステップと、排気中の水蒸気により燃料電池に供給する空気を加湿する第３のステップと、前記第２のステップで発生した水蒸気により前記空気を加湿する第４のステップを有するものである。そして本発明によれば、排気中の水蒸気による加湿に加え、排気中の水分を回収して発生させた水蒸気により供給空気を加湿することができるので、反応ガスである供給空気を無給水で飽和加湿させることができる。
【００４５】
また、他の実施の形態は、第３のステップの後第４のステップで加湿するものである。そして本発明によれば、供給される空気量に応じて加湿量を自由に制御することができる。
【００４６】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００４７】
（実施例１）
本発明の第１の実施例における燃料電池およびその空気供給系の概念図を図１に示す。燃料電池１は、たとえば、特許文献１の図２に記載されているように固体高分子膜の両面に燃料電極および酸化剤電極が配され、燃料としての水素と酸化剤としての酸素（空気）を反応させて発電する。発電する際発生した熱はポンプ２から冷却水通路Ａ３を通って燃料電池１の冷却部４に供給された冷却水により冷却される。冷却水は冷却部４で燃料電池１で発生した熱により加温され、冷却水通路Ｂ５を通って加湿器６の温水流路７に供給され、温水流路７を通った冷却水は冷却水通路Ｃ８を通ってポンプ２に循環する。
【００４８】
加湿器６は透湿膜９の一側に酸化剤としての空気を通過させる給気流路１０および燃料電池１からの排気を通過させる排気流路１１が形成されており、排気流路１１に隣接して冷却部４からの温水を通過させる温水流路７が設けられている。加湿器６の給気流路１０にはブロワ１２から酸化剤としての空気が供給され、空気はさらに空気通路１３を通って燃料電池１に供給され、水素ボンベ１４から燃料通路１５を通って供給される水素と空気中の酸素が反応して発電するとともに水を生成する。この水は排気空気中に含有されて排気通路１６を通って加湿器６の排気流路１１に供給される。燃料電極側の排ガスは排ガス通路１７により排気される。
【００４９】
加湿器６の構造を図２に示す。加湿器６は図２（ａ）に示すように単ユニット１８ａを１個または複数個積層したユニット構造により構成される。単ユニット１８ａでは図２（ｂ）に示すように排気空気と給気空気が対向するように流路が形成される。温水路は中央部から流入し、単ユニット１８ａ内をジグザグ状に流れるように形成される。
【００５０】
透湿膜９はきわめて薄くやわらかいので、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、透湿膜９の全面を多孔性またはメッシュ状の支持体１９で覆い、これをリブ２０に固定する。支持体１９は透湿膜９の伝熱面となるので、伝熱性および耐腐食性が高く金属イオンの流出しない材料であるステンレス鋼が好適である。多孔性またはメッシュ状の格子としては、ネット、クロス、パンチングプレート、不繊布などが利用可能である。リブ２０はポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリイミドなどの樹脂で作成される。
【００５１】
図２（ａ）に戻り、給気流路１０は透湿膜９の一主面側に形成され、図２（ｃ）に示すように壁面２１に形成された仕切板２２で仕切られた複数の給気流路１０から構成されている。単ユニット１８ａを積層したものを垂直になるように設置した場合、給気流路１０は図４（ａ）に示すように、供給空気が下方から上方に流れる事が無いように空気入口２３および空気出口２４を配置する。
【００５２】
各給気流路１０は隣接する仕切板２２同士および壁面２１および透湿膜９で囲まれた領域に形成され、図２（ａ）のように単ユニット１８ａが垂直方向になるようにユニット構造を配置した場合、仕切板２２相互間の間隔ｈ（図２（ｃ）参照）の高さと、壁面２１および透湿膜９間の間隔ｔ（図２（ａ）参照）の幅を有し、これらは５ｍｍ以下程度にすることが好ましい。
【００５３】
透湿膜９の反対側の主面には排気流路１１が形成されている。排気流路１１は図２（ｃ）に示すように壁面Ａ２５に形成された仕切板Ａ２６で仕切られた複数の排気流路１１から構成されている。図４（ａ）に示すように、排気空気が下方から上方に流れる事が無いように排気入口２７および排気出口２８を配置する。
【００５４】
仕切板Ａ２６には排気中の水分を回収する１個または複数のトラップ２９が形成されており、水分を含む排気空気が各仕切板Ａ２６間の排気流路１１を通過するとき、水分がトラップ２９に捕獲され、排気空気中から水分が分離される。
【００５５】
図２（ｂ）に示すように、排気流路１１を流れる排気空気の流れ３０の方向は給気流路１０を流れる供給空気の流れ３１の方向とは逆方向とした対向流とすることが好ましい。また、排気空気は水分を含有するので、排気流路１１は重力直下または水平方向に流れるように配され、上から下、右から左、左から右に、またはストレートもしくは折り返しを複数設けて上向きの流れ方向を含まないように形成する。
【００５６】
各排気流路１１は隣接する仕切板Ａ２６同士および壁面Ａ２５および透湿膜９で囲まれた領域に形成され、図２（ａ）のように単ユニット１８ａが垂直方向になるようにユニット構造を配置した場合、壁面Ａ２５および透湿膜９間の間隔Ｔ（図２（ａ）参照）の幅を有する。排気流路１１は排気空気の圧力が供給空気の圧力より低いので、この圧力差により透湿膜９が排気流路１１側に垂れ込んで実際の間隔Ｔより小さくなる傾向にある。したがって、排気流路１１の間隔Ｔは給気流路１０の間隔ｔよりも大きくすることが好ましい。
【００５７】
排気流路１１の壁面Ａ２５は、親水性とすることにより壁面に均一に排気空気中の水が供給されるので圧力損失を下げることができる。一方撥水性にすれば排気空気中の水が壁面Ａ２５に付着しにくいので凝縮水の滴下が容易になりトラップ２９で回収しやすくなる。いずれを選択するかは使用条件に応じて任意である。親水性、撥水性の加工は壁面Ａ２５にコーティング処理を施すことにより行われる。
【００５８】
排気流路１１の裏側には、温水流路７が形成される。温水流路７は排気流路１１の反対側の壁面Ａ２５にジグザグ状に形成された温水流路７を設け、この温水流路７を流れる温水により排気流路１１のトラップ２９に捕獲された水分を加温する。
【００５９】
図２（ｂ）に示すように、温水の流れ３２の方向は、供給空気の流れ３１の方向と対向した方向で、各単ユニット１８ａの中央部から上下方向にジグザグ状に流れ反対側の中央部から排出されるように設定する。
【００６０】
なお、図３で説明したリブ２０の役割は図２で説明した仕切板２２および仕切板Ａ２６が果たす。
【００６１】
また、図４（ｂ）に示すように空気入口２３ａ〜２３ｃ、空気出口２４ａ〜２４ｃと排気入口２７ａ〜２７ｃ、排気出口２８ａ〜２８ｃを各々設け多ヘッダー構成としてもよく、単ユニット１８ａ内の給気流路１０を流れる供給空気の流れ３１および排気流路１１を流れる排気空気の流れ３０は、より均等に流れる。
【００６２】
つぎに、動作を説明する。水素ボンベ１４からの燃料水素は必要に応じて加湿されて燃料通路１５を介して燃料電池１の燃料電極に供給される。一方、ブロワ１２からの空気は加湿器６の給気流路１０で加湿されて空気通路１３から燃料電池１に供給される。燃料電池１では、水素ボンベ１４からの水素燃料とブロワ１２からの空気中の酸素とが反応して発電する。このとき、副生成物として水を生成する。水は燃料電池１からの排気空気中に水分として含有され、排気通路１６を通って加湿器６の排気流路１１に供給される。排気流路１１に供給された排気空気は図２（ｃ）に示すようにトラップ２９で水分が回収されるとともに、一部の水蒸気は透湿膜９を通って給気流路１０を通過する供給空気を加湿する。このとき、排気流路１１の壁面を親水性とすることにより排気空気の圧力損失を小さくすることができる。未反応の水素ガスは排ガス通路１７から水素ボンベ１４に循環させるか系外に排出する。
【００６３】
一方、燃料電池１が発電時に熱を発生するが、この熱はポンプ２からの冷却水により冷却部４で冷却され、冷却部４からは加温された冷却水が冷却水通路Ｂ５を通って加湿器６の温水流路７に供給される。温水流路７を通る温水は排気流路１１でトラップされた水分を加温して水蒸気を発生させる。このときの加温温度は供給空気の蒸気露点温度に対して０〜＋１０℃の温度が好ましく、必要に応じて冷却水の温度制御装置を設ければよい。この水蒸気も透湿膜９を通って給気流路１０を通過する供給空気を加湿する。この結果、燃料電池１に供給される空気は飽和状態まで加湿されることになる。この結果、酸化剤としてのブロワ１２からの供給空気は、排気空気内の水蒸気で加湿されると同時に排気流路１１にトラップされた水により加湿されるので、外部からの給水を行わずに供給空気を飽和状態にまで加湿することができる。給気流路１０を通る空気を加湿する水蒸気は燃料電池１で発生した水分であり、この水分が再び加湿空気の加湿水分として燃料電池１に供給されるため、水分の純度が保たれたままで水の消費はほとんどなく、外部から新たに純水を補給する必要はない。
【００６４】
また、燃料電池の冷却水は排気空気中の水分の加温だけに使用され、加湿用水分としては使用しない。そのため、冷却水の水質管理は不要となり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。さらに、加湿系の構成が非常に簡単であるためメンテナンスが容易である。
【００６５】
積層された単ユニット１８ａは水平方向の配置、垂直方向の配置のいずれでもよく、水平方向になるように配置する場合は単ユニット１８ａの排気流路１１が下方になるように配置することが好ましく、排気流路１１が下方になると、トラップ２９で回収された水分は壁面Ａ２５側に溜り温水流路７により加熱され易くなる。また、透湿膜９が水分で覆われ難くなるので、排気空気中の水蒸気成分は加熱により生じた蒸気も含めて透湿膜９を確実に通過し易くなる。
【００６６】
積層された単ユニット１８ａを垂直方向になるように配置した場合は、トラップ２９で回収された水分は下方に溜まり、同様に排気流路１１により加熱され、排気空気中の水蒸気成分は加熱により生じた蒸気も含めて透湿膜９を確実に通過し易くなる。
【００６７】
以上の説明においては、各単ユニット１８ａに１個または複数のトラップ２９を設ける場合について説明したが、加湿器６全体の単位でトラップ２９を１箇所または複数箇所設けてもよい。
【００６８】
（実施例２）
本発明の第２の実施例における燃料電池およびその空気供給系の概念図を図５に示す。図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は給気流路１０と排気流路１１の構成である。この相違点を図６により説明する。加湿器６が単ユニット１８ｂを１個または複数個積層して構成される点は同一である。単ユニット１８ｂの透湿膜９およびその支持方法は実施例１と同様である。
【００６９】
透湿膜９の一主面には上下に分割された第１給気流路３３Ａおよび第２給気流路３３Ｂが形成されている。第１給気流路３３Ａおよび第２給気流路３３Ｂは各々図６（ｃ）に示すように壁面Ｂ３５に形成された仕切板Ｂ３６で仕切られた複数の流路から構成されており、空気流の方向が第１給気流路３３Ａおよび第２給気流路３３Ｂで互いに逆方向になるように形成される。これを図６（ｂ）で見ると、供給空気の流れＢ３７の方向は上方の第１給気流路３３Ａの入口から左方向に流入し、反対側の端部で下方に折り返されて第２給気流路３３Ｂに入り、右方向に進行して第１給気流路３３Ａの入口側にある第２給気流路３３Ｂの出口から空気通路１３を通って燃料電池１に供給される。
【００７０】
透湿膜９の反対側の主面には第１給気流路３３Ａに対向する部分に排気流路Ｂ３８と水貯留部３９が形成される。排気流路Ｂ３８は図６（ｃ）に示すように壁面Ｃ４０に形成された複数の仕切板Ｃ４１で仕切られた複数の排気流路Ｂ３４から構成され、仕切板Ｃ４１は排気空気中の水分の回収機能を有している。水分を含む排気空気が各排気流路Ｂ３４を通過するとき、水分が滴下４２して下方の水貯留部３９に凝縮水として捕獲される。この場合、排気流路Ｂ３４の壁面を撥水性にすると凝縮水の滴下が促進される。図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、排気空気の流れＢ４３の方向は第１給気流路２９Ａを流れる供給空気の流れＢ３７の方向と逆方向になるように形成される。また、排気流路Ｂ３８の下方の水貯留部３９は第２給気流路３３Ｂに対向する部分に形成され、その裏側には温水流路Ｂ４４が形成される。加湿面積である透湿膜９の面積に対する水貯留部３９の面積の比率は、１０〜５０％であることが好ましい。温水流路Ｂ４４は図６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように、ジグザグ状に形成された温水の流れＢ４５を有し、この温水の流れＢ４５を供給空気の流れＢ３７の方向と対向した方向に流れる温水により水貯留部３９の水分を加温する。
【００７１】
つぎに、動作を説明する。燃料電池１における発電、水の生成および排気の発生プロセスは実施例１と同様である。生成された水は燃料電池１からの排気空気中に水分として含有され、排気通路１６を通って加湿器６の排気流路Ｂ３８に供給される。排気流路Ｂ３８に供給された排気空気は図６（ｃ）に示すように水分がトラップされて水貯留部３９に回収されるとともに、一部の水蒸気は透湿膜９を通って第１給気流路３３Ａを通過する供給空気を加湿する。
【００７２】
一方、燃料電池１が発生した熱はポンプ２からの冷却水により冷却部４で冷却され、冷却部４からは加温された冷却水が冷却水通路Ｂ５を通って加湿器６の温水流路Ｂ４４に供給される。温水流路Ｂ４４を通る温水は水貯留部３９に回収された水分を加温し水蒸気を発生させる。この水蒸気は透湿膜９を通って第１給気流路３３Ａを通過する供給空気を加湿する。この結果、酸化剤としてのブロワ１２からの供給空気は、まず排気空気内の水蒸気で加湿され、次に、水貯留部３９にたまった水により加湿されるので、外部からの給水を行わずに供給空気を飽和状態にまで加湿することができる。
【００７３】
また、燃料電池の冷却水は排気空気中の水分の加温に使用されるのみで加湿用の水分としては使用しないので、冷却水の水質管理は不要であり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。また、加湿系の構成が非常に簡単であり、メンテナンスも容易である。
【００７４】
以上の説明においては、各単ユニット１８ｂに１個所の水貯留部３９を設ける場合について説明したが、各単ユニット１８ｂに複数個所の水貯留部３９を設けてもよい。また、加湿器６全体の単位で水貯留部３９を１箇所または複数箇所設けるようにしてもよい。
【００７５】
（実施例３）
図７は本発明の第３の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、排気空気中の水を回収する部分を加湿器６の外に設けた点である。
【００７６】
図７において、透湿膜９の給気流路１０の反対側の主面には排気流路Ｃ４６が形成される。排気流路Ｃ４６は排気空気を通過させるが排気中に含まれる水を回収する機能は有していない。したがって、単ユニットの構成においては、図２における排気流路１１において、仕切板Ａ２６のトラップ２９が除去された構成でよい。
【００７７】
排気中に含まれる水を回収するには、加湿器６の外に設けられた排気流路Ｄ４８を利用する。排気流路Ｄ４８は図２における排気流路１１または図６における排気流路Ｂ３４と同一の構成をしており、水を回収するためのトラップまたは水貯留部Ｂ４９を有している。排気空気は排気流路Ｄ４８を経て加湿器６の排気流路Ｃ４６と結合した結合通路５０から排気流路Ｃ４６に供給される。水貯留部Ｂ４９には温水流路７が隣接しており、冷却部４からの冷却水により水貯留部Ｂ４９内の水を加温する。
【００７８】
燃料電池１における発電、水の生成および排気の発生プロセスは実施例１および２と同様である。生成された水は燃料電池１からの排気空気中に水分として含有され、排気通路１６を通って排気流路Ｄ４８に供給される。排気流路Ｄ４８に供給された排気空気の水分は一部がトラップされて水貯留部Ｂ４９に凝縮水が回収され、一部の水蒸気は排気空気とともに排気流路Ｄ４８、結合通路５０を経て加湿器６の排気流路Ｃ４６に供給される。排気流路Ｃ４６に供給された水蒸気は透湿膜９を通って給気流路１０を通過する供給空気を加湿する。
【００７９】
一方、水貯留部Ｂ４９に回収された凝縮水は温水流路７を通る温水により加温されて水蒸気を発生する。この水蒸気は排気流路Ｄ４８、結合通路５０を経て加湿器６の排気流路Ｃ４６に供給され、透湿膜９を通って給気流路１０を通過する供給空気を加湿する。この結果、酸化剤としてのブロワ１２からの供給空気は、まず排気空気内の水蒸気で加湿され、次に、水貯留部Ｂ４９にたまった水により加湿されるので、外部からの給水を行わずに供給空気を飽和状態にまで加湿することができる。
【００８０】
また、燃料電池の冷却水は排気空気中の水分の加温に使用されるのみで加湿用の水分としては使用しないので、冷却水の水質管理は不要であり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。また、加湿系の構成が非常に簡単であり、メンテナンスも容易である。
【００８１】
なお、以上の説明では水貯留部Ｂ４９にためる水は排気空気中の水分を回収した水である場合について説明したが、必要に応じて外部から純水を供給するようにしてもよい。
【００８２】
（実施例４）
図８は本発明の第４の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、供給空気の加湿水として排気空気中の水蒸気、水分を使用する代わりに、外部から供給する純水を使用する点である。
【００８３】
図８において、透湿膜９の給気流路１０の反対側の主面には図１における排気流路１１の代わりに加湿水流路５１が設けられる。加湿水流路５１には補給源５２から加湿水が供給され、加湿水流路５１を通過した加湿水は補給源５２に循環させる。したがって、加湿水流路５１には排気空気は通過しない。加湿水流路５１の構成としては、単ユニットの構成においては、図２における排気流路１１において、仕切板Ａ２６のトラップ２９が除去された構成でよい。
【００８４】
燃料電池１における発電、水の生成および排気の発生プロセスは実施例１と同様である。生成された水は排気空気とともに排気空気通路５３から放出される。
【００８５】
加湿器６における供給空気の加湿は加湿水流路５１に流す加湿水を温水流路７に流れる冷却部４からの冷却水により加温して発生させた水蒸気により行う。この水蒸気による加湿のメカニズムは図１で説明した実施例１と同様である。
【００８６】
燃料電池１内で生成された水分は燃料電池システム系内を循環している場合は通常汚染されるおそれはないが、循環系が故障したり一部が汚染されると循環する水分が汚染されることは皆無ではない。本実施例においては、供給空気の加湿水分として常に新鮮な純水を補給源５２から供給するので、万一燃料電池１の循環系が故障したり一部が汚染された場合でも供給空気の加湿用水蒸気が汚染されることはない。
【００８７】
また、燃料電池１の冷却水は加湿水流路５１に流す純水の加温に使用されるのみで加湿用の水分としては使用しないので、冷却水の水質管理は不要であり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。
【００８８】
本実施例においても積層ユニットは水平方向の配置、垂直方向の配置のいずれでもよい。すなわち、いずれの配置においても加湿水流路５１中に流れる加湿水は透湿膜９に直接接触するので、加湿水流路５１を流れる加湿水は温水流路７を流れる温水により加温されて発生した水蒸気は透湿膜９を確実に通過することができる。また、加湿水の流れにより透湿膜９が損傷することもない。よって、加熱と加水と加湿の機能がコンパクトに一体化され据付方向を選ばないため、システムの設計においてどのような加熱手段を選んでも水を供給するだけでよく、大きな自由度を与える事が出来る。
【００８９】
なお、温水流路７を流れる温水の熱は燃料電池１そのものの排熱以外に燃料電池システム全体の排熱を利用することもできる。
【００９０】
（実施例５）
図９は本発明の第５の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、加湿水流路５１に流す水として補給源５２からの純水以外に排気空気中に含まれる水分も利用する点である。
【００９１】
図９において、排気空気通路５３から排気される排気ガス中の水分は凝縮器５５で凝縮され、水分供給路５４を介して加湿水流路５１に供給される。したがって、加湿水流路５１に供給される水は補給源５２からの純水と燃料電池１の排気ガス中の水分の両方が供給される。本実施例によれば、燃料電池１が生成する水分も回収されて有効利用することができる。なお、凝縮器５５は必要に応じて省略することができる。
【００９２】
（実施例６）
図１０は本発明の第６の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、加湿水流路５１に流す水の加温を促進する手段を有している点である。図１０において、加湿水流路５１には補給源５２からの加湿水以外に別経路の水循環路５６により水を循環させる。水循環路５６中の水はポンプ５７で循環させられ、補給源５２から加湿水流路５１に供給される加湿水を攪拌して加湿水の温度と温水流路７を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路１０を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。この場合、ポンプ５７からの水の温度を加温すれば加湿水への熱伝達は一層促進される。
【００９３】
なお、燃料電池１の冷却部４からの冷却水が純水またはそれと均等の水質である場合には、ポンプ５７を使用せずに、冷却部４からの冷却水を分岐させて加湿水流路５１に供給することも可能である。
【００９４】
（実施例７）
図１１は本発明の第７の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、温水流路７と加湿水流路５１との境界面の面積を大きくした点である。
【００９５】
図１１において、温水流路７と加湿水流路５１の境界面に凹凸５８を形成する。これにより温水流路７と加湿水流路５１の接触面積が拡大されるので、温水流路７を流れる温水の温度は加湿水流路５１を流れる加湿水に効率的に伝達され、加湿水への熱伝達が速やかに行われて、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路１０を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【００９６】
（実施例８）
図１２は本発明の第８の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、ブロワ１２からの供給空気の一部を分岐して加湿水流路５１に供給する点である。
【００９７】
図１２において、ブロワ１２からの供給空気は空気分岐路５９で分岐されて加湿水流路５１に供給される。空気分岐路５９から加湿水流路５１に供給された空気は、補給源５２から加湿水流路５１に供給された加湿水を攪拌して加湿水の温度と温水流路７を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路１０を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【００９８】
なお、空気分岐路５９の経路内に空気加温機を設けて供給される空気の温度を加温すれば純水への熱伝達は一層促進される。
【００９９】
（実施例９）
図１３は本発明の第９の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、冷却水を循環させるポンプＢ６０としてプランジャーポンプを使用するとともに、温水流路７と加湿水流路５１の境界面を薄い金属膜などの柔軟性を有する熱伝導性の高い材料で構成した点である。
【０１００】
図１３において、温水流路７と加湿水流路５１の境界面を薄い振動膜６１で構成し、ポンプＢ６０で温水流路７に冷却水を循環させると、温水流路７を流れる温水はポンプＢ６０により脈動を生じる。したがって、温水流路７と加湿水流路５１の境界面における振動膜６１は温水の脈動につれて振動する。この結果、加湿水流路５１を流れる加湿水は攪拌され、加湿水の温度と温水流路７を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路１０を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【０１０１】
（実施例１０）
図１４は本発明の第１０の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、ブロワＢ６２としてダイヤフラム式ブロワを使用する点である。
【０１０２】
図１４において、ブロワＢ６２により給気流路１０に空気を供給すると、供給される空気はダイヤフラム式ブロワＢ６２の特性に応じて脈動する。したがって、給気流路１０に隣接している透湿膜９は脈動空気に呼応して振動し、この振動が加湿水流路５１を流れる加湿水に伝達されて加湿水も振動する。この結果加湿水は攪拌され、加湿水の温度と温水流路７を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせることができる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路１０を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【０１０３】
【発明の効果】
以上の実施例から明らかなように、本発明によれば、反応ガスである供給空気を簡単な構成の加湿系により飽和加湿させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１０４】
また、透湿膜を被う加湿水は強制的な循環を基本的に行わないため、膜の耐久性が上がり構造の自由度が上がる。また、燃料電池の冷却水の水質に無関係に供給空気の加湿をすることができ、冷却水には不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図２】（ａ）本発明の実施例１における燃料電池用加湿装置の加湿器の内部構造を示す断面図
（ｂ）同内部構造を示す正面図
（ｃ）同内部構造を示す分解斜視図
【図３】（ａ）本発明の実施例１における燃料電池用加湿装置の加湿器に使用される透湿膜の支持構造を示す側断面図
（ｂ）同支持構造を示す斜視図
【図４】（ａ）本発明の実施例１における燃料電池用加湿装置の加湿器に使用される空気供給部の側面図
（ｂ）同空気供給部の平面図
【図５】本発明の実施例２における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図６】（ａ）本発明の実施例２における燃料電池用加湿装置の加湿器の内部構造を示す断面図
（ｂ）同内部構造を示す正面図
（ｃ）同内部構造を示す分解斜視図
【図７】本発明の実施例３における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図８】本発明の実施例４における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図９】本発明の実施例５における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図１０】本発明の実施例６における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図１１】本発明の実施例７における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図１２】本発明の実施例８における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図１３】本発明の実施例９における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図１４】本発明の実施例１０における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ ポンプ
３ 冷却水通路Ａ
４ 冷却部
５ 冷却水通路Ｂ
６ 加湿器
７ 温水流路
８ 冷却水通路Ｃ
９ 透湿膜
１０ 給気流路
１１ 排気流路
１２ ブロワ
１３ 空気通路
１４ 水素ボンベ
１５ 燃料通路
１６ 排気通路
１７ 排ガス通路
１８ａ，１８ｂ 単ユニット
１９ 支持体
２０ リブ
２１ 壁面
２２ 仕切板
２３ 空気入口
２３ａ〜２３ｃ 空気入口
２４ 空気出口
２４ａ〜２４ｃ 空気出口
２５ 壁面Ａ
２６ 仕切板Ａ
２７ 排気入口
２７ａ〜２７ｃ 排気入口
２８ 排気出口
２８ａ〜２８ｃ 排気出口
２９ トラップ
３０ 排気空気の流れ
３１ 供給空気の流れ
３２ 温水の流れ
３３Ａ 第１給気流路
３３Ｂ 第２給気流路
３４ 排気流路Ｂ
３５ 壁面Ｂ
３６ 仕切板Ｂ
３７ 供給空気の流れＢ
３８ 排気流路Ｂ
３９ 水貯留部
４０ 壁面Ｃ
４１ 仕切板Ｃ
４２ 滴下
４３ 排気空気の流れＢ
４４ 温水流路Ｂ
４５ 温水の流れＢ
４６ 排気流路Ｃ
４８ 排気流路Ｄ
４９ 水貯留部Ｂ
５０ 結合通路
５１ 加湿水流路
５２ 補給源
５３ 排気空気通路
５４ 水分供給路
５５ 凝縮器
５６ 水循環路
５７ ポンプ
５８ 凹凸
５９ 空気分岐路
６０ ポンプＢ
６１ 振動膜
６２ ブロワＢ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給する空気または燃料を加湿する燃料電池用加湿装置および空気加湿方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に燃料電池では、固体高分子電解質膜を水素イオンが通過することによる発電反応を行う際に、固体高分子膜中に水が存在する必要があった。この水分を供給する方法として種々の方法があり、たとえば特許文献１には燃料電池のオフガスに含まれる発電生成水により反応ガスを加湿する構成が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１１１６９７号公報（第３ページ［００１０］および図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の方法は生成水および生成熱が反応ガスの供給量に比例するので、加湿および予熱が停滞なく行われ、負荷の変動に対応して加湿された反応ガスを燃料電池に供給することができる。しかし、燃料電池のオフガスに含まれる水蒸気の加湿のみでは十分な加湿量が得にくい。また、燃料電池を冷却し温水とした冷却水を用いた加湿を行う方法があるが、冷却水からの加湿には冷却水に純水を用いなくてはならないが、冷却水の凍結防止のためには不凍液を用いる事が望ましいため冷却水による加湿は不適応である。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するものであり、反応ガスである供給空気を飽和状態の加湿が可能な燃料電池を提供することを目的とするものである。
【０００６】
また、燃料電池の冷却水の水質に無関係に供給空気の加湿が可能な燃料電池を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の燃料電池用加湿装置は、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第１の主面に設けられ空気を流す空気流路と、前記透湿膜の第２の主面に設けられた純水または水蒸気を供給する補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路に供給された流体を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用加湿装置において、流体供給手段により燃料電池の排気を供給し、この供給された排気中に含まれる水分を回収する水分回収手段を備え、前記水分回収手段により回収された水分を加熱手段により加熱することを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用加湿装置において、流体供給手段により補給路に燃料電池の排気を供給し、前記補給路内に水分回収手段であるトラップを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用加湿装置において、水分回収手段は排気を供給する補給路内に気水分離部を備え、前記気水分離部の下部に水滞留部を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項５に記載の燃料電池用加湿装置は、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第１の主面に設けられた空気流路と、前記透湿膜の第２の主面に設けられた純水または水蒸気の補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路を流れる流体を加熱する加熱手段を一体化したユニットを１つまたは複数個積層したことを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池用加湿装置において、加熱手段は燃料電池を冷却した冷却水であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用加湿装置において、水分回収手段が透湿膜の第２の主面に設けられた補給路内に設けられ、加熱手段が前記水分回収手段に隣接して配されたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池用加湿装置において、水分回収手段は補給路に連結した排気通路内に設けられたトラップであり、前記トラップが複数のユニットに対して共通に形成されたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項９に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池用加湿装置において、水分回収手段は補給路内に配された１つまたは複数のトラップであり、前記トラップが複数のユニットの各々に形成されたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池用加湿装置において、水滞留部の透湿膜に接する面積が透湿膜の面積の１０〜５０％であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項１１に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用加湿装置において、補給路における流体の流れ方向と空気流路における供給空気の流れの方向が互いに対向した方向であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項１２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用加湿装置において、加熱手段が燃料電池を冷却した冷却水であり、前記冷却水の温度と流体流路を流れる加湿水の温度差を低減させる低減手段を備えたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置において、温度差を低減させる低減手段が補給路内流体流路に加湿水を循環させる手段であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項１４に記載の発明は、請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置において、温度差を低減させる低減手段が流体流路と加熱手段の接触面積を拡大する手段であることを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項１５に記載の発明は、請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置において、温度差を低減させる低減手段が空気流路に供給する空気の一部を分岐させて補給路内に供給する手段であり、前記補給路内の加湿水を攪拌し熱伝達の促進を図ることを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項１６に記載の発明は、請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置において、加熱手段と補給路間の伝熱面を振動させる振動手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項１７に記載の発明は、請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置において、空気流路と補給路間の伝熱面を振動させる脈動手段を備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項１８に記載の燃料電池の空気加湿方法は、燃料電池の排気から水分を回収する第１のステップと、前記回収された水分を加熱する第２のステップと、排気中の水蒸気により燃料電池に供給する空気を加湿する第３のステップと、前記第２のステップで発生した水蒸気により前記空気を加湿する第４のステップを有することを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項１９に記載の発明は、請求項１８に記載の燃料電池の空気加湿方法において、第３のステップの後第４のステップで加湿することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池用加湿装置は、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第１の主面に設けられ空気を流す空気流路と、前記透湿膜の第２の主面に設けられた純水または水蒸気を供給する補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路に供給された流体を加熱する加熱手段を備えたものである。
【００２７】
本発明によれば、反応ガスである供給空気を簡単な構成の加湿系により飽和加湿させることができる。また、燃料電池の冷却水の水質に無関係に供給空気の加湿をすることができ、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。
【００２８】
また、他の実施の形態は、流体供給手段により燃料電池の排気を供給し、この供給された排気中に含まれる水分を回収する水分回収手段を備え、前記水分回収手段により回収された水分を加熱手段により加熱するものである。そして本発明によれば、排気中の水蒸気による加湿に加え、排気中の水分を回収して発生させた水蒸気により供給空気を加湿することができるので、反応ガスである供給空気を無給水で飽和加湿させることができる。
【００２９】
また、他の実施の形態は、流体供給手段により補給路に燃料電池の排気を供給し、前記補給路内に水分回収手段であるトラップを備えたものである。そして本発明によれば、排気空気中に含有されている水分を簡単な方法で回収することができる。
【００３０】
また、他の実施の形態は、水分回収手段は排気を供給する補給路内に気水分離部を備え、前記気水分離部の下部に水滞留部を備えたものである。そして本発明によれば、排気空気中に含有されている水分を簡単な方法で回収することができる。
【００３１】
また、他の実施の形態は、水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第１の主面に設けられた空気流路と、前記透湿膜の第２の主面に設けられた純水または水蒸気の補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路を流れる流体を加熱する加熱手段を一体化したユニットを１つまたは複数個積層したものである。そして本発明によれば、燃料電池用加湿装置を簡単な構成で小型にすることができる。
【００３２】
また、他の実施の形態は、加熱手段は燃料電池を冷却した冷却水としたものである。そして本発明によれば、燃料電池が発生する熱を有効利用しているので新たな熱源を必要としない。
【００３３】
また、他の実施の形態は、水分回収手段が透湿膜の第２の主面に設けられた補給路内に設けられ、加熱手段が前記水分回収手段に隣接して配されたものである。そして本発明によれば、燃料電池用加湿装置を簡単な構成で小型にすることができる。
【００３４】
また、他の実施の形態は、水分回収手段は補給路に連結した排気通路内に設けられたトラップであり、前記トラップが複数のユニットに対して共通に形成されたものである。そして本発明によれば、回収した水分による加湿機構を外付けで取り付けることができるので、この装置を備えていない既存の装置でも簡単に加湿機構を付加することができる。
【００３５】
また、他の実施の形態は、水分回収手段は補給路内に配された１つまたは複数のトラップであり、前記トラップが複数のユニットの各々に形成されたものである。そして本発明によれば、空気加湿ユニットの数を調整することにより空気加湿量を自由に制御することができる。
【００３６】
また、他の実施の形態は、水滞留部の透湿膜に接する面積が透湿膜の面積の１０〜５０％としたものである。そして本発明によれば、簡単な構成で確実に飽和加湿を行うことができる。
【００３７】
また、他の実施の形態は、補給路における流体の流れ方向と空気流路における供給空気の流れの方向が互いに対向した方向としたものである。そして本発明によれば、供給空気の加湿が効率よく行うことができる。
【００３８】
また、他の実施の形態は、加熱手段が燃料電池を冷却した冷却水であり、前記冷却水の温度と流体流路を流れる加湿水の温度差を低減させる低減手段を備えたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、供給空気流路を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【００３９】
また、他の実施の形態は、温度差を低減させる低減手段が補給路内流体流路に加湿水を循環させる手段としたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【００４０】
また、他の実施の形態は、温度差を低減させる低減手段を流体流路と加熱手段の接触面積を拡大する手段としたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【００４１】
また、他の実施の形態は、温度差を低減させる低減手段が空気流路に供給する空気の一部を分岐させて補給路内に供給する手段であり、前記補給路内の加湿水を攪拌し熱伝達の促進を図るものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【００４２】
また、他の実施の形態は、加熱手段と補給路間の伝熱面を振動させる振動手段を備えたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【００４３】
また、他の実施の形態は、空気流路と補給路間の伝熱面を振動させる脈動手段を備えたものである。そして本発明によれば、冷却水から加湿水への熱伝達が速やかに行われる。
【００４４】
また、本発明の燃料電池の空気加湿方法は、燃料電池の排気から水分を回収する第１のステップと、前記回収された水分を加熱する第２のステップと、排気中の水蒸気により燃料電池に供給する空気を加湿する第３のステップと、前記第２のステップで発生した水蒸気により前記空気を加湿する第４のステップを有するものである。そして本発明によれば、排気中の水蒸気による加湿に加え、排気中の水分を回収して発生させた水蒸気により供給空気を加湿することができるので、反応ガスである供給空気を無給水で飽和加湿させることができる。
【００４５】
また、他の実施の形態は、第３のステップの後第４のステップで加湿するものである。そして本発明によれば、供給される空気量に応じて加湿量を自由に制御することができる。
【００４６】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００４７】
（実施例１）
本発明の第１の実施例における燃料電池およびその空気供給系の概念図を図１に示す。燃料電池１は、たとえば、特許文献１の図２に記載されているように固体高分子膜の両面に燃料電極および酸化剤電極が配され、燃料としての水素と酸化剤としての酸素（空気）を反応させて発電する。発電する際発生した熱はポンプ２から冷却水通路Ａ３を通って燃料電池１の冷却部４に供給された冷却水により冷却される。冷却水は冷却部４で燃料電池１で発生した熱により加温され、冷却水通路Ｂ５を通って加湿器６の温水流路７に供給され、温水流路７を通った冷却水は冷却水通路Ｃ８を通ってポンプ２に循環する。
【００４８】
加湿器６は透湿膜９の一側に酸化剤としての空気を通過させる給気流路１０および燃料電池１からの排気を通過させる排気流路１１が形成されており、排気流路１１に隣接して冷却部４からの温水を通過させる温水流路７が設けられている。加湿器６の給気流路１０にはブロワ１２から酸化剤としての空気が供給され、空気はさらに空気通路１３を通って燃料電池１に供給され、水素ボンベ１４から燃料通路１５を通って供給される水素と空気中の酸素が反応して発電するとともに水を生成する。この水は排気空気中に含有されて排気通路１６を通って加湿器６の排気流路１１に供給される。燃料電極側の排ガスは排ガス通路１７により排気される。
【００４９】
加湿器６の構造を図２に示す。加湿器６は図２（ａ）に示すように単ユニット１８ａを１個または複数個積層したユニット構造により構成される。単ユニット１８ａでは図２（ｂ）に示すように排気空気と給気空気が対向するように流路が形成される。温水路は中央部から流入し、単ユニット１８ａ内をジグザグ状に流れるように形成される。
【００５０】
透湿膜９はきわめて薄くやわらかいので、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、透湿膜９の全面を多孔性またはメッシュ状の支持体１９で覆い、これをリブ２０に固定する。支持体１９は透湿膜９の伝熱面となるので、伝熱性および耐腐食性が高く金属イオンの流出しない材料であるステンレス鋼が好適である。多孔性またはメッシュ状の格子としては、ネット、クロス、パンチングプレート、不繊布などが利用可能である。リブ２０はポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリイミドなどの樹脂で作成される。
【００５１】
図２（ａ）に戻り、給気流路１０は透湿膜９の一主面側に形成され、図２（ｃ）に示すように壁面２１に形成された仕切板２２で仕切られた複数の給気流路１０から構成されている。単ユニット１８ａを積層したものを垂直になるように設置した場合、給気流路１０は図４（ａ）に示すように、供給空気が下方から上方に流れる事が無いように空気入口２３および空気出口２４を配置する。
【００５２】
各給気流路１０は隣接する仕切板２２同士および壁面２１および透湿膜９で囲まれた領域に形成され、図２（ａ）のように単ユニット１８ａが垂直方向になるようにユニット構造を配置した場合、仕切板２２相互間の間隔ｈ（図２（ｃ）参照）の高さと、壁面２１および透湿膜９間の間隔ｔ（図２（ａ）参照）の幅を有し、これらは５ｍｍ以下程度にすることが好ましい。
【００５３】
透湿膜９の反対側の主面には排気流路１１が形成されている。排気流路１１は図２（ｃ）に示すように壁面Ａ２５に形成された仕切板Ａ２６で仕切られた複数の排気流路１１から構成されている。図４（ａ）に示すように、排気空気が下方から上方に流れる事が無いように排気入口２７および排気出口２８を配置する。
【００５４】
仕切板Ａ２６には排気中の水分を回収する１個または複数のトラップ２９が形成されており、水分を含む排気空気が各仕切板Ａ２６間の排気流路１１を通過するとき、水分がトラップ２９に捕獲され、排気空気中から水分が分離される。
【００５５】
図２（ｂ）に示すように、排気流路１１を流れる排気空気の流れ３０の方向は給気流路１０を流れる供給空気の流れ３１の方向とは逆方向とした対向流とすることが好ましい。また、排気空気は水分を含有するので、排気流路１１は重力直下または水平方向に流れるように配され、上から下、右から左、左から右に、またはストレートもしくは折り返しを複数設けて上向きの流れ方向を含まないように形成する。
【００５６】
各排気流路１１は隣接する仕切板Ａ２６同士および壁面Ａ２５および透湿膜９で囲まれた領域に形成され、図２（ａ）のように単ユニット１８ａが垂直方向になるようにユニット構造を配置した場合、壁面Ａ２５および透湿膜９間の間隔Ｔ（図２（ａ）参照）の幅を有する。排気流路１１は排気空気の圧力が供給空気の圧力より低いので、この圧力差により透湿膜９が排気流路１１側に垂れ込んで実際の間隔Ｔより小さくなる傾向にある。したがって、排気流路１１の間隔Ｔは給気流路１０の間隔ｔよりも大きくすることが好ましい。
【００５７】
排気流路１１の壁面Ａ２５は、親水性とすることにより壁面に均一に排気空気中の水が供給されるので圧力損失を下げることができる。一方撥水性にすれば排気空気中の水が壁面Ａ２５に付着しにくいので凝縮水の滴下が容易になりトラップ２９で回収しやすくなる。いずれを選択するかは使用条件に応じて任意である。親水性、撥水性の加工は壁面Ａ２５にコーティング処理を施すことにより行われる。
【００５８】
排気流路１１の裏側には、温水流路７が形成される。温水流路７は排気流路１１の反対側の壁面Ａ２５にジグザグ状に形成された温水流路７を設け、この温水流路７を流れる温水により排気流路１１のトラップ２９に捕獲された水分を加温する。
【００５９】
図２（ｂ）に示すように、温水の流れ３２の方向は、供給空気の流れ３１の方向と対向した方向で、各単ユニット１８ａの中央部から上下方向にジグザグ状に流れ反対側の中央部から排出されるように設定する。
【００６０】
なお、図３で説明したリブ２０の役割は図２で説明した仕切板２２および仕切板Ａ２６が果たす。
【００６１】
また、図４（ｂ）に示すように空気入口２３ａ〜２３ｃ、空気出口２４ａ〜２４ｃと排気入口２７ａ〜２７ｃ、排気出口２８ａ〜２８ｃを各々設け多ヘッダー構成としてもよく、単ユニット１８ａ内の給気流路１０を流れる供給空気の流れ３１および排気流路１１を流れる排気空気の流れ３０は、より均等に流れる。
【００６２】
つぎに、動作を説明する。水素ボンベ１４からの燃料水素は必要に応じて加湿されて燃料通路１５を介して燃料電池１の燃料電極に供給される。一方、ブロワ１２からの空気は加湿器６の給気流路１０で加湿されて空気通路１３から燃料電池１に供給される。燃料電池１では、水素ボンベ１４からの水素燃料とブロワ１２からの空気中の酸素とが反応して発電する。このとき、副生成物として水を生成する。水は燃料電池１からの排気空気中に水分として含有され、排気通路１６を通って加湿器６の排気流路１１に供給される。排気流路１１に供給された排気空気は図２（ｃ）に示すようにトラップ２９で水分が回収されるとともに、一部の水蒸気は透湿膜９を通って給気流路１０を通過する供給空気を加湿する。このとき、排気流路１１の壁面を親水性とすることにより排気空気の圧力損失を小さくすることができる。未反応の水素ガスは排ガス通路１７から水素ボンベ１４に循環させるか系外に排出する。
【００６３】
一方、燃料電池１が発電時に熱を発生するが、この熱はポンプ２からの冷却水により冷却部４で冷却され、冷却部４からは加温された冷却水が冷却水通路Ｂ５を通って加湿器６の温水流路７に供給される。温水流路７を通る温水は排気流路１１でトラップされた水分を加温して水蒸気を発生させる。このときの加温温度は供給空気の蒸気露点温度に対して０〜＋１０℃の温度が好ましく、必要に応じて冷却水の温度制御装置を設ければよい。この水蒸気も透湿膜９を通って給気流路１０を通過する供給空気を加湿する。この結果、燃料電池１に供給される空気は飽和状態まで加湿されることになる。この結果、酸化剤としてのブロワ１２からの供給空気は、排気空気内の水蒸気で加湿されると同時に排気流路１１にトラップされた水により加湿されるので、外部からの給水を行わずに供給空気を飽和状態にまで加湿することができる。給気流路１０を通る空気を加湿する水蒸気は燃料電池１で発生した水分であり、この水分が再び加湿空気の加湿水分として燃料電池１に供給されるため、水分の純度が保たれたままで水の消費はほとんどなく、外部から新たに純水を補給する必要はない。
【００６４】
また、燃料電池の冷却水は排気空気中の水分の加温だけに使用され、加湿用水分としては使用しない。そのため、冷却水の水質管理は不要となり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。さらに、加湿系の構成が非常に簡単であるためメンテナンスが容易である。
【００６５】
積層された単ユニット１８ａは水平方向の配置、垂直方向の配置のいずれでもよく、水平方向になるように配置する場合は単ユニット１８ａの排気流路１１が下方になるように配置することが好ましく、排気流路１１が下方になると、トラップ２９で回収された水分は壁面Ａ２５側に溜り温水流路７により加熱され易くなる。また、透湿膜９が水分で覆われ難くなるので、排気空気中の水蒸気成分は加熱により生じた蒸気も含めて透湿膜９を確実に通過し易くなる。
【００６６】
積層された単ユニット１８ａを垂直方向になるように配置した場合は、トラップ２９で回収された水分は下方に溜まり、同様に排気流路１１により加熱され、排気空気中の水蒸気成分は加熱により生じた蒸気も含めて透湿膜９を確実に通過し易くなる。
【００６７】
以上の説明においては、各単ユニット１８ａに１個または複数のトラップ２９を設ける場合について説明したが、加湿器６全体の単位でトラップ２９を１箇所または複数箇所設けてもよい。
【００６８】
（実施例２）
本発明の第２の実施例における燃料電池およびその空気供給系の概念図を図５に示す。図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は給気流路１０と排気流路１１の構成である。この相違点を図６により説明する。加湿器６が単ユニット１８ｂを１個または複数個積層して構成される点は同一である。単ユニット１８ｂの透湿膜９およびその支持方法は実施例１と同様である。
【００６９】
透湿膜９の一主面には上下に分割された第１給気流路３３Ａおよび第２給気流路３３Ｂが形成されている。第１給気流路３３Ａおよび第２給気流路３３Ｂは各々図６（ｃ）に示すように壁面Ｂ３５に形成された仕切板Ｂ３６で仕切られた複数の流路から構成されており、空気流の方向が第１給気流路３３Ａおよび第２給気流路３３Ｂで互いに逆方向になるように形成される。これを図６（ｂ）で見ると、供給空気の流れＢ３７の方向は上方の第１給気流路３３Ａの入口から左方向に流入し、反対側の端部で下方に折り返されて第２給気流路３３Ｂに入り、右方向に進行して第１給気流路３３Ａの入口側にある第２給気流路３３Ｂの出口から空気通路１３を通って燃料電池１に供給される。
【００７０】
透湿膜９の反対側の主面には第１給気流路３３Ａに対向する部分に排気流路Ｂ３８と水貯留部３９が形成される。排気流路Ｂ３８は図６（ｃ）に示すように壁面Ｃ４０に形成された複数の仕切板Ｃ４１で仕切られた複数の排気流路Ｂ３４から構成され、仕切板Ｃ４１は排気空気中の水分の回収機能を有している。水分を含む排気空気が各排気流路Ｂ３４を通過するとき、水分が滴下４２して下方の水貯留部３９に凝縮水として捕獲される。この場合、排気流路Ｂ３４の壁面を撥水性にすると凝縮水の滴下が促進される。図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、排気空気の流れＢ４３の方向は第１給気流路２９Ａを流れる供給空気の流れＢ３７の方向と逆方向になるように形成される。また、排気流路Ｂ３８の下方の水貯留部３９は第２給気流路３３Ｂに対向する部分に形成され、その裏側には温水流路Ｂ４４が形成される。加湿面積である透湿膜９の面積に対する水貯留部３９の面積の比率は、１０〜５０％であることが好ましい。温水流路Ｂ４４は図６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように、ジグザグ状に形成された温水の流れＢ４５を有し、この温水の流れＢ４５を供給空気の流れＢ３７の方向と対向した方向に流れる温水により水貯留部３９の水分を加温する。
【００７１】
つぎに、動作を説明する。燃料電池１における発電、水の生成および排気の発生プロセスは実施例１と同様である。生成された水は燃料電池１からの排気空気中に水分として含有され、排気通路１６を通って加湿器６の排気流路Ｂ３８に供給される。排気流路Ｂ３８に供給された排気空気は図６（ｃ）に示すように水分がトラップされて水貯留部３９に回収されるとともに、一部の水蒸気は透湿膜９を通って第１給気流路３３Ａを通過する供給空気を加湿する。
【００７２】
一方、燃料電池１が発生した熱はポンプ２からの冷却水により冷却部４で冷却され、冷却部４からは加温された冷却水が冷却水通路Ｂ５を通って加湿器６の温水流路Ｂ４４に供給される。温水流路Ｂ４４を通る温水は水貯留部３９に回収された水分を加温し水蒸気を発生させる。この水蒸気は透湿膜９を通って第１給気流路３３Ａを通過する供給空気を加湿する。この結果、酸化剤としてのブロワ１２からの供給空気は、まず排気空気内の水蒸気で加湿され、次に、水貯留部３９にたまった水により加湿されるので、外部からの給水を行わずに供給空気を飽和状態にまで加湿することができる。
【００７３】
また、燃料電池の冷却水は排気空気中の水分の加温に使用されるのみで加湿用の水分としては使用しないので、冷却水の水質管理は不要であり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。また、加湿系の構成が非常に簡単であり、メンテナンスも容易である。
【００７４】
以上の説明においては、各単ユニット１８ｂに１個所の水貯留部３９を設ける場合について説明したが、各単ユニット１８ｂに複数個所の水貯留部３９を設けてもよい。また、加湿器６全体の単位で水貯留部３９を１箇所または複数箇所設けるようにしてもよい。
【００７５】
（実施例３）
図７は本発明の第３の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、排気空気中の水を回収する部分を加湿器６の外に設けた点である。
【００７６】
図７において、透湿膜９の給気流路１０の反対側の主面には排気流路Ｃ４６が形成される。排気流路Ｃ４６は排気空気を通過させるが排気中に含まれる水を回収する機能は有していない。したがって、単ユニットの構成においては、図２における排気流路１１において、仕切板Ａ２６のトラップ２９が除去された構成でよい。
【００７７】
排気中に含まれる水を回収するには、加湿器６の外に設けられた排気流路Ｄ４８を利用する。排気流路Ｄ４８は図２における排気流路１１または図６における排気流路Ｂ３４と同一の構成をしており、水を回収するためのトラップまたは水貯留部Ｂ４９を有している。排気空気は排気流路Ｄ４８を経て加湿器６の排気流路Ｃ４６と結合した結合通路５０から排気流路Ｃ４６に供給される。水貯留部Ｂ４９には温水流路７が隣接しており、冷却部４からの冷却水により水貯留部Ｂ４９内の水を加温する。
【００７８】
燃料電池１における発電、水の生成および排気の発生プロセスは実施例１および２と同様である。生成された水は燃料電池１からの排気空気中に水分として含有され、排気通路１６を通って排気流路Ｄ４８に供給される。排気流路Ｄ４８に供給された排気空気の水分は一部がトラップされて水貯留部Ｂ４９に凝縮水が回収され、一部の水蒸気は排気空気とともに排気流路Ｄ４８、結合通路５０を経て加湿器６の排気流路Ｃ４６に供給される。排気流路Ｃ４６に供給された水蒸気は透湿膜９を通って給気流路１０を通過する供給空気を加湿する。
【００７９】
一方、水貯留部Ｂ４９に回収された凝縮水は温水流路７を通る温水により加温されて水蒸気を発生する。この水蒸気は排気流路Ｄ４８、結合通路５０を経て加湿器６の排気流路Ｃ４６に供給され、透湿膜９を通って給気流路１０を通過する供給空気を加湿する。この結果、酸化剤としてのブロワ１２からの供給空気は、まず排気空気内の水蒸気で加湿され、次に、水貯留部Ｂ４９にたまった水により加湿されるので、外部からの給水を行わずに供給空気を飽和状態にまで加湿することができる。
【００８０】
また、燃料電池の冷却水は排気空気中の水分の加温に使用されるのみで加湿用の水分としては使用しないので、冷却水の水質管理は不要であり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。また、加湿系の構成が非常に簡単であり、メンテナンスも容易である。
【００８１】
なお、以上の説明では水貯留部Ｂ４９にためる水は排気空気中の水分を回収した水である場合について説明したが、必要に応じて外部から純水を供給するようにしてもよい。
【００８２】
（実施例４）
図８は本発明の第４の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、供給空気の加湿水として排気空気中の水蒸気、水分を使用する代わりに、外部から供給する純水を使用する点である。
【００８３】
図８において、透湿膜９の給気流路１０の反対側の主面には図１における排気流路１１の代わりに加湿水流路５１が設けられる。加湿水流路５１には補給源５２から加湿水が供給され、加湿水流路５１を通過した加湿水は補給源５２に循環させる。したがって、加湿水流路５１には排気空気は通過しない。加湿水流路５１の構成としては、単ユニットの構成においては、図２における排気流路１１において、仕切板Ａ２６のトラップ２９が除去された構成でよい。
【００８４】
燃料電池１における発電、水の生成および排気の発生プロセスは実施例１と同様である。生成された水は排気空気とともに排気空気通路５３から放出される。
【００８５】
加湿器６における供給空気の加湿は加湿水流路５１に流す加湿水を温水流路７に流れる冷却部４からの冷却水により加温して発生させた水蒸気により行う。この水蒸気による加湿のメカニズムは図１で説明した実施例１と同様である。
【００８６】
燃料電池１内で生成された水分は燃料電池システム系内を循環している場合は通常汚染されるおそれはないが、循環系が故障したり一部が汚染されると循環する水分が汚染されることは皆無ではない。本実施例においては、供給空気の加湿水分として常に新鮮な純水を補給源５２から供給するので、万一燃料電池１の循環系が故障したり一部が汚染された場合でも供給空気の加湿用水蒸気が汚染されることはない。
【００８７】
また、燃料電池１の冷却水は加湿水流路５１に流す純水の加温に使用されるのみで加湿用の水分としては使用しないので、冷却水の水質管理は不要であり、不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。
【００８８】
本実施例においても積層ユニットは水平方向の配置、垂直方向の配置のいずれでもよい。すなわち、いずれの配置においても加湿水流路５１中に流れる加湿水は透湿膜９に直接接触するので、加湿水流路５１を流れる加湿水は温水流路７を流れる温水により加温されて発生した水蒸気は透湿膜９を確実に通過することができる。また、加湿水の流れにより透湿膜９が損傷することもない。よって、加熱と加水と加湿の機能がコンパクトに一体化され据付方向を選ばないため、システムの設計においてどのような加熱手段を選んでも水を供給するだけでよく、大きな自由度を与える事が出来る。
【００８９】
なお、温水流路７を流れる温水の熱は燃料電池１そのものの排熱以外に燃料電池システム全体の排熱を利用することもできる。
【００９０】
（実施例５）
図９は本発明の第５の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、加湿水流路５１に流す水として補給源５２からの純水以外に排気空気中に含まれる水分も利用する点である。
【００９１】
図９において、排気空気通路５３から排気される排気ガス中の水分は凝縮器５５で凝縮され、水分供給路５４を介して加湿水流路５１に供給される。したがって、加湿水流路５１に供給される水は補給源５２からの純水と燃料電池１の排気ガス中の水分の両方が供給される。本実施例によれば、燃料電池１が生成する水分も回収されて有効利用することができる。なお、凝縮器５５は必要に応じて省略することができる。
【００９２】
（実施例６）
図１０は本発明の第６の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、加湿水流路５１に流す水の加温を促進する手段を有している点である。図１０において、加湿水流路５１には補給源５２からの加湿水以外に別経路の水循環路５６により水を循環させる。水循環路５６中の水はポンプ５７で循環させられ、補給源５２から加湿水流路５１に供給される加湿水を攪拌して加湿水の温度と温水流路７を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路１０を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。この場合、ポンプ５７からの水の温度を加温すれば加湿水への熱伝達は一層促進される。
【００９３】
なお、燃料電池１の冷却部４からの冷却水が純水またはそれと均等の水質である場合には、ポンプ５７を使用せずに、冷却部４からの冷却水を分岐させて加湿水流路５１に供給することも可能である。
【００９４】
（実施例７）
図１１は本発明の第７の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、温水流路７と加湿水流路５１との境界面の面積を大きくした点である。
【００９５】
図１１において、温水流路７と加湿水流路５１の境界面に凹凸５８を形成する。これにより温水流路７と加湿水流路５１の接触面積が拡大されるので、温水流路７を流れる温水の温度は加湿水流路５１を流れる加湿水に効率的に伝達され、加湿水への熱伝達が速やかに行われて、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路１０を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【００９６】
（実施例８）
図１２は本発明の第８の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、ブロワ１２からの供給空気の一部を分岐して加湿水流路５１に供給する点である。
【００９７】
図１２において、ブロワ１２からの供給空気は空気分岐路５９で分岐されて加湿水流路５１に供給される。空気分岐路５９から加湿水流路５１に供給された空気は、補給源５２から加湿水流路５１に供給された加湿水を攪拌して加湿水の温度と温水流路７を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路１０を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【００９８】
なお、空気分岐路５９の経路内に空気加温機を設けて供給される空気の温度を加温すれば純水への熱伝達は一層促進される。
【００９９】
（実施例９）
図１３は本発明の第９の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、冷却水を循環させるポンプＢ６０としてプランジャーポンプを使用するとともに、温水流路７と加湿水流路５１の境界面を薄い金属膜などの柔軟性を有する熱伝導性の高い材料で構成した点である。
【０１００】
図１３において、温水流路７と加湿水流路５１の境界面を薄い振動膜６１で構成し、ポンプＢ６０で温水流路７に冷却水を循環させると、温水流路７を流れる温水はポンプＢ６０により脈動を生じる。したがって、温水流路７と加湿水流路５１の境界面における振動膜６１は温水の脈動につれて振動する。この結果、加湿水流路５１を流れる加湿水は攪拌され、加湿水の温度と温水流路７を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路１０を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【０１０１】
（実施例１０）
図１４は本発明の第１０の実施例における燃料電池およびその空気供給系を示す概念図である。図８と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図８と異なる点は、ブロワＢ６２としてダイヤフラム式ブロワを使用する点である。
【０１０２】
図１４において、ブロワＢ６２により給気流路１０に空気を供給すると、供給される空気はダイヤフラム式ブロワＢ６２の特性に応じて脈動する。したがって、給気流路１０に隣接している透湿膜９は脈動空気に呼応して振動し、この振動が加湿水流路５１を流れる加湿水に伝達されて加湿水も振動する。この結果加湿水は攪拌され、加湿水の温度と温水流路７を流れる温水の温度との温度差を短時間で小さくさせることができる。これにより加湿水への熱伝達が速やかに行われ、加湿水からの水蒸気の発生が促進される。したがって、給気流路１０を流れる供給空気の加湿を速やかに行うことができる。
【０１０３】
【発明の効果】
以上の実施例から明らかなように、本発明によれば、反応ガスである供給空気を簡単な構成の加湿系により飽和加湿させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０１０４】
また、透湿膜を被う加湿水は強制的な循環を基本的に行わないため、膜の耐久性が上がり構造の自由度が上がる。また、燃料電池の冷却水の水質に無関係に供給空気の加湿をすることができ、冷却水には不凍液のような純水以外の液体を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図２】（ａ）本発明の実施例１における燃料電池用加湿装置の加湿器の内部構造を示す断面図
（ｂ）同内部構造を示す正面図
（ｃ）同内部構造を示す分解斜視図
【図３】（ａ）本発明の実施例１における燃料電池用加湿装置の加湿器に使用される透湿膜の支持構造を示す側断面図
（ｂ）同支持構造を示す斜視図
【図４】（ａ）本発明の実施例１における燃料電池用加湿装置の加湿器に使用される空気供給部の側面図
（ｂ）同空気供給部の平面図
【図５】本発明の実施例２における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図６】（ａ）本発明の実施例２における燃料電池用加湿装置の加湿器の内部構造を示す断面図
（ｂ）同内部構造を示す正面図
（ｃ）同内部構造を示す分解斜視図
【図７】本発明の実施例３における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図８】本発明の実施例４における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図９】本発明の実施例５における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図１０】本発明の実施例６における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図１１】本発明の実施例７における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図１２】本発明の実施例８における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図１３】本発明の実施例９における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【図１４】本発明の実施例１０における燃料電池用加湿装置の全体構成を示す概念図
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ ポンプ
３ 冷却水通路Ａ
４ 冷却部
５ 冷却水通路Ｂ
６ 加湿器
７ 温水流路
８ 冷却水通路Ｃ
９ 透湿膜
１０ 給気流路
１１ 排気流路
１２ ブロワ
１３ 空気通路
１４ 水素ボンベ
１５ 燃料通路
１６ 排気通路
１７ 排ガス通路
１８ａ，１８ｂ 単ユニット
１９ 支持体
２０ リブ
２１ 壁面
２２ 仕切板
２３ 空気入口
２３ａ〜２３ｃ 空気入口
２４ 空気出口
２４ａ〜２４ｃ 空気出口
２５ 壁面Ａ
２６ 仕切板Ａ
２７ 排気入口
２７ａ〜２７ｃ 排気入口
２８ 排気出口
２８ａ〜２８ｃ 排気出口
２９ トラップ
３０ 排気空気の流れ
３１ 供給空気の流れ
３２ 温水の流れ
３３Ａ 第１給気流路
３３Ｂ 第２給気流路
３４ 排気流路Ｂ
３５ 壁面Ｂ
３６ 仕切板Ｂ
３７ 供給空気の流れＢ
３８ 排気流路Ｂ
３９ 水貯留部
４０ 壁面Ｃ
４１ 仕切板Ｃ
４２ 滴下
４３ 排気空気の流れＢ
４４ 温水流路Ｂ
４５ 温水の流れＢ
４６ 排気流路Ｃ
４８ 排気流路Ｄ
４９ 水貯留部Ｂ
５０ 結合通路
５１ 加湿水流路
５２ 補給源
５３ 排気空気通路
５４ 水分供給路
５５ 凝縮器
５６ 水循環路
５７ ポンプ
５８ 凹凸
５９ 空気分岐路
６０ ポンプＢ
６１ 振動膜
６２ ブロワＢ
Claims (19)
- 水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第１の主面に設けられ空気を流す空気流路と、前記透湿膜の第２の主面に設けられた純水または水蒸気を供給する補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路に供給された流体を加熱す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。
- 流体供給手段により燃料電池の排気を供給し、この供給された排気中に含まれる水分を回収する水分回収手段を備え、前記水分回収手段により回収された水分を加熱手段により加熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用加湿装置。
- 流体供給手段により補給路に燃料電池の排気を供給し、前記補給路内に水分回収手段であるトラップを備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用加湿装置。
- 水分回収手段は排気を供給する補給路内に気水分離部を備え、前記気水分離部の下部に水滞留部を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用加湿装置。
- 水蒸気を透過する透湿膜と、前記透湿膜の第１の主面に設けられた空気流路と、前記透湿膜の第２の主面に設けられた純水または水蒸気の補給路と、前記補給路に燃料電池の排気および純水の少なくとも一方を供給する流体供給手段と、前記補給路を流れる流体を加熱する加熱手段を一体化したユニットを１つまたは複数個積層したことを特徴とする燃料電池用加湿装置。
- 加熱手段は燃料電池を冷却した冷却水である請求項１または２に記載の燃料電池用加湿装置。
- 水分回収手段が透湿膜の第２の主面に設けられた補給路内に設けられ、加熱手段が前記水分回収手段に隣接して配された請求項２に記載の燃料電池用加湿装置。
- 水分回収手段は補給路に連結した排気通路内に設けられたトラップであり、前記トラップが複数のユニットに対して共通に形成された請求項５に記載の燃料電池用加湿装置。
- 水分回収手段は補給路内に配された１つまたは複数のトラップであり、前記トラップが複数のユニットの各々に形成された請求項５に記載の燃料電池用加湿装置。
- 水滞留部の透湿膜に接する面積が透湿膜の面積の１０〜５０％である請求項４に記載の燃料電池用加湿装置。
- 補給路における流体の流れ方向と空気流路における供給空気の流れの方向が互いに対向した方向である請求項２に記載の燃料電池用加湿装置。
- 加熱手段が燃料電池を冷却した冷却水であり、前記冷却水の温度と流体流路を流れる加湿水の温度差を低減させる低減手段を備えた請求項１に記載の燃料電池用加湿装置。
- 温度差を低減させる低減手段が補給路内流体流路に加湿水を循環させる手段である請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置。
- 温度差を低減させる低減手段が流体流路と加熱手段の接触面積を拡大する手段である請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置。
- 温度差を低減させる低減手段が空気流路に供給する空気の一部を分岐させて補給路内に供給する手段であり、前記補給路内の加湿水を攪拌し熱伝達の促進を図ることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置。
- 加熱手段と補給路間の伝熱面を振動させる振動手段を備えたことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置。
- 空気流路と補給路間の伝熱面を振動させる脈動手段を備えたことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用加湿装置。
- 燃料電池の排気から水分を回収する第１のステップと、前記回収された水分を加熱する第２のステップと、排気中の水蒸気により燃料電池に供給する空気を加湿する第３のステップと、前記第２のステップで発生した水蒸気により前記空気を加湿する第４のステップを有することを特徴とする燃料電池の空気加湿方法。
- 第３のステップの後第４のステップで加湿する請求項１８に記載の燃料電池の空気加湿方法。
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