JP2005156001A

JP2005156001A - 中空糸膜加湿器

Info

Publication number: JP2005156001A
Application number: JP2003394139A
Authority: JP
Inventors: Shiro Tanaka; 詩郎田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】凝縮水の混入を防止し、燃料ガスを燃料電池に均一に供給し、燃料電池の発電効率を高めた中空糸膜加湿器を提供する。
【解決手段】筒状のハウジング内に中空糸膜を収納し、前記中空糸膜の内側と外側とにより水を移動させて乾燥ガスを加湿する中空糸膜モジュールと、中空糸膜モジュールを収納する収納容器２０と、収納容器２０が載置される水平面と対向する側に向けて収納容器２０に接続された加湿ガス排気管９と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池車等に搭載される燃料電池システムに設置され、燃料である空気等を加湿する中空糸膜加湿器に関する。

燃料電池は、水素ガス及び酸素ガスを燃料として用いて発電する装置であり、発電に伴い排気ガスが生じないため地球環境保護の観点から注目されており、近年、自動車搭載用の動力源としての実用化が進められている。

燃料電池は、発電の基本単位となる単セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックを含むものである。例えば、固体高分子電解質膜を適用した燃料電池において、単セルは、固体高分子電解質膜両側に酸素極及び水素極を接合して一体化した膜電極接合体（MEA: membrane electrode assembly）を有しており、酸素極及び水素極に酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ供給して発電している。

燃料電池を適用した燃料電池発電システムでは、酸素ガスを含むカソードガス（空気）を燃料電池に供給するカソードガス流路を備えており、カソードガス流路上に加湿装置を設置している。加湿装置は、燃料電池内の反応で生成したオフガス中に含まれる水分を回収し、回収した水分によりカソードガス（空気）を加湿した後、燃料電池内に供給している。

従来、燃料電池用の加湿装置として、以下のような加湿装置があった（特許文献１参照）。

従来の加湿装置は、略円柱形状の中空糸膜モジュールを並列に２本有すると共に、箱型をした一端側分配器及び他端側分配器を有し、全体として直方体形状に構成されている。２本の中空糸膜モジュールは、一端側分配器及び他端側分配器により水平に所定の間隔をあけて固定配置され、２本の中空糸膜モジュールの各々には、一端側分配器を介して乾燥ガスが供給されると共にオフガスが排気される。また、他端側分配器を介して加湿された加湿ガスが排気されると共にオフガスが供給される。加湿装置内の中空糸膜モジュールの下方には加湿ガス排気管が接続され、加湿装置で加湿された加湿ガスが、加湿装置内の系外に排気される。
特開２００３−１７８７８１号公報（第７頁、第３図（a））

しかしながら、従来の加湿装置では、加湿装置が載置される水平面側、すなわち下方に向けて加湿ガス排気管が接続されるため、加湿ガス排気管内に凝縮水が溜まるだけでなく、加湿ガス配管内に溜まった凝縮水が、燃料電池内部に混入してしまう可能性を有していた。

燃料電池内に凝縮水が混入すると、燃料電池内のカソードガス（空気）流路にフラッティング（水つまり）が生じ、燃料電池内にカソードガスを均一に供給することができず、その結果、燃料電池の発電効率が低下してしまう可能性を有していた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の中空糸膜加湿器は、筒状のハウジング内に中空糸膜を収納し、前記中空糸膜の内側と外側とにより水を移動させて乾燥ガスを加湿する中空糸膜モジュールと、前記中空糸膜モジュールを収納する収納容器と、前記収納容器が載置される水平面と対向する側に向けて前記収納容器に接続された加湿ガス排気管と、を備えることを要旨とする。

本発明の中空糸膜加湿器によれば、収納容器が載置される水平面に対して上方を向けて加湿ガス排気管を収納容器に接続し、凝縮水の混入を防止して空気と水蒸気のみを燃料電池内に供給できるため、燃料ガスを燃料電池内に均一に供給して燃料電池の発電効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器について、図１から図４までを用いて説明する。

図１は、燃料電池自動車に搭載される本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器を適用した燃料電池システムの一部の構成を示す図である。なお、燃料電池システムは、移動体である燃料電池自動車の床下に搭載され、燃料電池自動車の駆動源として利用される。図１に示すように、燃料電池システム１は、アノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）を電極として有する燃料電池２を備え、燃料電池２後流側には、中空糸膜加湿器３、燃焼器４及び熱交換器５が各々設置される。

中空糸膜加湿器３は、収納容器２０内に図示しない円筒形状の中空糸膜モジュールを２本収納している。収納容器２０の長手方向の両端部には、その上流側に燃料電池２に連結されたオフガス導入管６を接続し、中空糸膜モジュール後流側に燃焼器４に連結されたオフガス排気管７を接続している。

中空糸膜モジュールの長手方向と垂直の方向の収納容器２０には、図示しないコンプレッサに連結された乾燥ガス導入管（空気導入管）８を接続し、乾燥ガス導入管８が接続された収納容器２０と反対側に、燃料電池２に連結した加湿ガス排気管９を接続している。加湿ガス排気管９は、燃料電池システム１を燃料電池自動車に搭載する際、加湿ガス排気管９が、収納容器２０が載置される水平面と対向する側、すなわち、上方を向けて収納容器２０に接続されている。

図２は、図１に示す燃料電池システム内のA部拡大図であり、加湿ガス排気管９側面の断面拡大図である。

図２に示すように、収納容器２０が載置される水平面に対して上方に向けて収納容器２０に接続された加湿ガス排気管９は、その高さ位置中間にベンド１０を構成しており、加湿ガス排気管９は、図中、左側に傾斜している。加湿ガス排気管９は、外側に形成された加湿ガス外側排気管９aと、加湿ガス外側排気管９a上方に、加湿ガス外側排気管９aに内設された加湿ガス内側排気管９bと、を備え、図２に示す断面から見ると、加湿ガス内側排気管９bは、内側を幅狭とした段差を形成している。加湿ガス排気管９は、加湿ガス外側排気管９aのベンド１０から下方の中空糸膜加湿器３との連結位置に向かい、加湿ガス排気管９の径幅は幅広に構成され、図２に示すように管壁が左側に傾斜している。

図３は、加湿ガス排気管９に形成した段差１１部分の構成を示す断面図である。図３に示すように、図示しない燃料電池２側の上方に向かい上昇した水蒸気は、段差１１部分で下方に落ちて、凝縮水は、加湿ガス外側配管９aの傾斜した管壁を介して下方の中空糸膜加湿器３内に導入される。

上記構成の中空糸膜加湿器３は、図示しないが、内部に２本の中空糸膜加湿器モジュールを収納し、各中空糸膜加湿器モジュールにより、燃料電池２から排気されるオフガス中に含まれる水分を回収し、回収した水分を利用して、燃料電池２に供給する燃料である空気を加湿している。

なお、ここでは、中空糸膜の外側にオフガスを流通させて、中空糸膜の内側に乾燥ガスを流通させる構成としたが、中空糸膜の内側と外側とにより流通させるガスはその逆としても良く、その効果は異なるものではない。

上記構成の中空糸膜加湿器３では、燃料電池２から排出されたオフガスが、オフガス導入管６から中空糸膜加湿器３のハウジング内に流入し、中空糸膜径内に導入される。オフガス中に含まれる水蒸気は、中空糸膜内の毛細管により毛管凝縮現象をおこし、毛細管内を透過して中空糸膜の外側に移動する。水蒸気を分離したオフガスは、オフガス排気管７から系外に排気される。一方、図示しないコンプレッサに連結した乾燥ガス導入管（空気導入管）８から乾燥ガスを中空糸膜加湿器３に導入し、導入した乾燥ガスをハウジング周上に形成された複数の乾燥ガス導入孔からハウジング内の中空糸膜外側に流入し、中空糸膜径内のオフガスから移動してきた水分を回収する。回収した水分を利用して乾燥ガスを加湿した加湿ガスは、ハウジング反対側に形成された加湿ガス排気孔を介して、加湿ガス排気管から系外に排気される。

図４は、中空糸膜加湿器３におけるガス流量と水蒸気移動率との関係を示す図である。図４に示すように、中空糸膜加湿器３では、ガス流量が少ない時、中空糸膜加湿器３全体での水蒸気移動率（加湿量／オフガスからの水蒸気供給量）が大きい。このため、中空糸膜加湿器３でのガス流量が低流量である場合は、加湿ガスの相対湿度が上昇して、加湿ガス排気管９の排気口付近に凝縮水が発生し易くなる。特に、外気温が低いと、加湿ガス排気管９や燃料電池２内の加湿ガス流路で加湿ガスが冷却されて、水蒸気が凝縮し易い傾向となる。また、オフガスよりも加湿ガスの温度が低い場合は、水蒸気移動率の値が大きくなるだけでなく、加湿ガスの温度が低いことから飽和水蒸気分圧も低下して、水蒸気が凝縮し易くなる。

また、加湿ガス排気管９は、中空糸膜加湿器３本体内に比べて流路断面積が小さく、加湿ガス排気管９内でのガス流速が大きい。このため、加湿ガス排気管９に凝縮水が溜まると、ガス流速が大きい気流により溜まった凝縮水が再び液滴となり、気流中を飛来して燃料電池２に混入する恐れがあるが、図２及び図３に示す形状に加湿ガス排気管９を構成したため、加湿ガス排気管９よりも温度が高い中空糸膜加湿器３本体内に凝縮水を溜めることができる。そして、低流量時に中空糸膜加湿器３内に溜まった凝集水は、高流量時に気化して燃料電池２に供給され、凝縮水が中空糸膜加湿器３内に溜まり続けることは無くなる。

本実施形態によれば、中空糸膜加湿器を載置する水平面に対向する面側、つまり上方を向けて加湿ガス排気管を収納容器に接続したため、中空糸膜加湿器内や加湿ガス排気管内で生成した凝縮水の燃料電池への混入を防止することができる。この結果、燃料電池に燃料である空気及び水蒸気のみを供給して、フラッティングの発生を抑制できるため、燃料電池の発電効率を高めることができる。

また、図２に示すように、加湿ガス排気管の内部に段差を設けたため、加湿ガス排気管内で壁流となった凝縮水をトラップすることができる。

さらに、加湿ガス排気管の高さ位置途中にベンドを設けたため、気流と共に飛来する凝縮水の液滴が壁面に衝突して壁流となり、段差での凝縮水のトラップ量が増加し、燃料電池に混入する凝縮水を低減することができる。

また、加湿ガス排気管は、中空糸膜加湿器との接続位置は幅広に構成され、図中、上方を向かい傾斜している。このため、中空糸膜加湿器本体内に溜まった凝縮水が加湿ガス排気管に進入するのを防止できるだけでなく、段差でトラップした凝縮水も高温の中空糸膜加湿器の本体内に導入することができる。

本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器を適用した燃料電池システムの一部の構成を示す図である。図１に示した中空糸膜加湿器と燃料電池とを連結する加湿ガス排気管の構成を示す側断面図である。図２に示した加湿ガス排気管の段差部分を拡大した加湿ガス排気管の構成を示す側断面図である。本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器における、ガス流量と水蒸気移動率との関係を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池システム,
２…燃料電池,
３…中空糸膜加湿器,
４…燃焼器,
５…熱交換器,
６…オフガス導入管,
７…オフガス排気管,
８…乾燥ガス導入管（空気導入管）,
９…加湿ガス排気管,
９a…加湿ガス外側排気管,
９b…加湿ガス内側排気管,
１０…ベンド,
１１…段差,
２０…収納容器,

Claims

筒状のハウジング内に中空糸膜を収納し、前記中空糸膜の内側と外側とにより水を移動させて乾燥ガスを加湿する中空糸膜モジュールと、
前記中空糸膜モジュールを収納する収納容器と、
前記収納容器が載置される水平面と対向する側に向けて前記収納容器に接続された加湿ガス排気管と、
を備えることを特徴とする中空糸膜加湿器。
前記加湿ガス排気管の途中に、内部に径幅が狭い段差を形成したことを特徴とする請求項１記載の中空糸膜加湿器。
前記加湿ガス排気管の高さ中間位置に、ベンドを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の中空糸膜加湿器。
前記加湿ガス排気管は、前記収納容器が載置される水平面側に向かい幅広に構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の中空糸膜加湿器。