JP2006147484A

JP2006147484A - 加湿装置

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Publication number: JP2006147484A
Application number: JP2004339354A
Authority: JP
Inventors: Mikihiro Suzuki; 幹浩鈴木; Kenji Nagumo; 健司南雲; Toshikatsu Katagiri; 敏勝片桐; Yoshio Kusano; 佳夫草野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP4109667B2; US20060147774A1; US7838160B2

Abstract

【課題】燃料電池システムの始動時に加湿装置の出口付近に溜まった凝縮水が燃料電池に一気に流入するのを防止することができる加湿装置を提供する。
【解決手段】加湿器本体２０には、反応ガスの出口側の一端に下流側ヘッド４０が設けられている。ヘッド部４０には、その内部に形成された加湿ガス流通路Ｒの底部に連通するチャンバ５０が一体に設けられている。燃料電池システムを停止時に凝縮水が生成されると、その凝縮水がチャンバ５０の貯水部５１に溜まる。よって、その後に燃料電池システムを始動したとしても、燃料電池ＦＣに向けて凝縮水が一気に流れ込むのを防止できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、加湿流体中の水分を用いて乾燥流体を加湿する加湿装置に関する。

燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；ＦｕｅｌｃｅｌｌＥｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ）用の燃料電池としては、小型軽量で高効率かつ高出力であることから、例えば、固体高分子を電解質膜として用いるＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型が一般に採用されている。固体高分子の一つとして挙げられるフッ素樹脂系等のイオン交換膜は、含水状態においてプロトン導電性電解質膜として機能するが、乾燥状態においては、プロトン導電性が低下して出力低下を招く。そのため、この種の燃料電池を備えた燃料電池システムでは、電解質膜が適度な湿度を維持できるように、燃料電池のアノード極やカソード極に供給する反応ガス（アノードガスやカソードガス）を加湿装置によって加湿している。

反応ガスを加湿する加湿装置としては、種々提案されているが、外部からの水の供給が不要であること、電力が不要であること、構造が比較的簡単であること等から、中空糸膜を用いて燃料電池から排出されるオフガスによって反応ガスを加湿するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１５６２３８号公報（段落００２０、図３および図４）

しかしながら、前記した従来の加湿装置では、燃料電池システムが停止して加湿装置が冷却されると、加湿された反応ガスが冷却されることにより凝縮水が生成されて、この凝縮水が加湿装置の反応ガスの出口付近に溜まる。このため、この状態で燃料電池システムを始動すると、出口付近に溜まっていた凝縮水が下流に設けられた燃料電池に流れ込み、その結果、燃料電池内の反応面、すなわち、電解質膜の外側を覆っている電極面が凝縮水で過剰に覆われることによって、反応ガスが電極面に供給され難くなって発電効率が低下する。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池システムの始動時に加湿装置の出口付近に溜まった凝縮水が燃料電池に流入するのを防止することができる加湿装置を提供することを目的とする。

第１の本発明は、燃料電池から排出される加湿された第１流体を用いて第２流体を加湿する加湿器本体と、一端が前記加湿器本体の端部に接続され、他端が前記燃料電池または前記燃料電池から延びる供給路と接続されて前記燃料電池に加湿後の前記第２流体を供給するヘッド部と、前記ヘッド部内に形成された加湿ガス流通路の底部と連通するチャンバとを備えることを特徴とする。

前記本発明によれば、燃料電池システムの停止後に、加湿器本体の出口付近で生成された水をチャンバ内に溜めておくことができるので、燃料電池システムの始動時に、前記水が燃料電池に向かって流れるのをまたは一気に流れるのを防止できる。また、燃料電池システムの始動後の運転時には、チャンバ内に溜まった水分によって第２流体の加湿が促進される。

また、前記チャンバは、水抜き路を有し、前記水抜き路には流量調整手段が設けられている構成にしてもよい。この構成によれば、チャンバ内から水が溢れるのを防止できる。

また、前記水抜き路が、前記加湿器本体に前記第１流体を導入する導入路、または前記加湿器本体から前記第１流体を排出する排出路に連通している構成にしてもよい。この構成によれば、配管を短く形成することができ、また配管を短く形成することで水が凍結した場合であっても迅速に解凍させることが可能になる。

また、第２の本発明は、燃料電池から排出される加湿された第１流体を用いて第２流体を加湿する加湿器本体と、一端が前記加湿器本体の端部に接続され、他端が前記燃料電池または前記燃料電池に設けられた供給路と接続されて前記燃料電池に加湿後の前記第２流体を供給するヘッド部とを備える加湿装置であって、前記ヘッド部内には、前記ヘッド部内に形成された加湿ガス流通路の底部側から上方に向けてラビリンス構造の流路制御部材が設けられていることを特徴とする。

前記本発明によれば、燃料電池システムの始動時に、ヘッド部内に溜まった水の流れが流路制御部材によって制御されるため、燃料電池に向けて水が流れるのをまたは一気に流れるのを防止することができる。また、この発明では、加湿装置が傾斜した状態になったとしても、ヘッド部に溜まった水が、燃料電池に一気に流れ込むのを防止することができる。

さらに、前記流路制御部材の前記加湿器本体に向く縁部と、前記加湿器本体の前記第２流体の出口部との間に、所定寸法の隙間が形成されていることが好ましい。これにより、加湿器本体の出口部から排出された加湿後の第２流体が、流路制御部材内を流れるとともに隙間をも流れるので、加湿後の第２流体の流れが妨げられるのを防止できる。

また、前記ヘッド部の内面および前記流路制御部材の表面の少なくとも一方が、撥水加工されていてもよい。撥水加工されていない場合には、ヘッド部の内面や流路制御部材の表面に生成水が付着し、壁面にとどまりやすく、燃料電池システムの始動時に、ヘッド部の内面や流路制御部材の表面に付着した水が一気に燃料電池に流れ込む可能性があるが、撥水加工することにより、ヘッド部の内面や流路制御部材の表面に生成水が付着したままになることなく、ヘッド部内の加湿ガス流通路の底部まで落下させ易くなる。このため、チャンバを有する第１の発明では、チャンバ内に水を導入し易くなり、ラビリンス構造を有する第２の発明では、ヘッド部内底部に水が溜めやすくなる。これにより、燃料電池システムの始動時に水が急激に燃料電池へ流れ込むのを防止できるようになる。

本発明によれば、燃料電池システムの始動時に燃料電池に向けて水が流れ込むのをまたは急激に流れ込むのを防止できるので、燃料電池の反応面が水で過剰に覆われるのを防止でき、発電効率が低下するのを防止できる。

（第１実施形態）
図１は本実施形態に係る燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図、図２は本実施形態の加湿装置が搭載された燃料電池システムを示すブロック図、図３は第１実施形態の加湿装置を示す縦断面図である。なお、以下では、車両に搭載した場合について説明するが、車両に限定されるものではなく、航空機や船舶などであってもよい。

図１に示すように、本実施形態における車両Ｖでは、ＦＣボックスＦＣＢが乗員席の床下に搭載され、ＦＣボックスＦＣＢの中に燃料電池ＦＣ（図２参照）が収納されている。また、車両Ｖには、車体前部に走行モータＭが搭載され、高圧水素タンクＣＨＴが後輪の上方に横置きで搭載されている。

図２に示すように、車両Ｖに搭載される燃料電池システム１０は、燃料電池ＦＣ、水素供給システム１２０、空気供給システム１３０、冷却システム１４０、制御装置１５０、および２つの加湿装置１Ａ，１Ａを含んで構成されている。なお、本実施形態の加湿装置１Ａは、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１側とカソード極ｐ２側との双方に設けるものに限定されず、アノード極ｐ１側のみであってもよく、カソード極ｐ２側のみであってもよい。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解質膜ｍがそれぞれ所定の触媒を含むアノード極ｐ１とカソード極ｐ２とで挟まれて構成される膜電極構造体（ＭＥＡ；ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で更に挟んだ単セルを複数枚積層して構成されている。アノード極ｐ１に水素供給システム１２０から水素（アノードガス）が供給され、カソード極ｐ２に空気供給システム１３０から空気（カソードガス）が供給されると、アノードガスとカソードガスとが電気化学反応することによって発電が行われる。燃料電池ＦＣが発電した電力（発電電流）は、走行モータＭ（図１参照）や図示しない補機等の負荷に供給される。

前記水素供給システム１２０は、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１にアノードガスとしての水素を供給するもので、前記高圧水素タンクＣＨＴ（図１参照）や減圧弁等から構成されている。

前記空気供給システム１３０は、燃料電池ＦＣにカソードガスとしての空気を供給するもので、図示しないエアクリーナ、電動コンプレッサ、インタークーラ等から構成されている。

前記冷却システム１４０は、燃料電池ＦＣが発電に伴って発生した熱を大気中に放出するもので、図示しないラジエタや循環ポンプ等から構成されている。

前記制御装置１５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース等から構成されており、図示しないセンサによって検出された各種の運転情報に基づき、前記水素供給システム１２０、空気供給システム１３０、冷却システム１４０等を駆動制御する。

アノード極ｐ１側の前記加湿装置１Ａは、水素供給システム１２０に対して水素供給管１６１を介して、燃料電池ＦＣに対して水素供給管１６２を介してそれぞれ接続されている。また、カソード極ｐ２側の前記加湿装置１Ａは、空気供給システム１３０に対して空気供給管１７１を介して、燃料電池ＦＣに対して空気供給管１７２を介してそれぞれ接続されている。また、アノード極ｐ１側の加湿装置１Ａには、燃料電池ＦＣからのアノードオフガス導入配管１６３と、アノードオフガスを希釈装置等の処理機器に導くアノードオフガス排出配管１６４とが接続されている。また、カソード極ｐ２側の加湿装置１Ａには、燃料電池ＦＣからのカソードオフガス導入配管１７３と、カソードオフガスを車外（または希釈装置等の処理機器）に排気するカソードオフガス排出配管１７４とが接続されている。

図３に示すように、前記加湿装置１Ａは、加湿器本体２０と、上流側ヘッド３０と、下流側ヘッド（ヘッド部）４０と、チャンバ５０とを有している。

前記加湿器本体２０は、２本の中空糸膜モジュール２１，２１が上下に配置されて構成されている。各中空糸膜モジュール２１は、どちらも同じ構成であり、円筒形状のケース２２と、このケース２２内に収納された中空糸膜束２３（下側の中空糸膜束は図示せず）とからなっている。中空糸膜束２３は、多数本の中空糸膜２３ａを束ねたものであり、その両端部において、各中空糸膜２３ａの外周面間、中空糸膜２３ａの外周面とケース２２の内周面との間が接着剤によりシールされている。

前記上流側ヘッド３０は、金属製の材料などで形成され、前記中空糸膜モジュール２１，２１に向けて開口する一対の大径の保持部３１，３１と、前記空気供給管１７１（水素供給管１６１）と接続される前記保持部３１より小径の接合部３２と、保持部３１，３１と接合部３２とを接続する拡径部３３とで構成されている。保持部３１，３１には、中空糸膜モジュール２１，２１の一端が挿入されて、中空糸膜モジュール２１，２１が保持部３１，３１にそれぞれ一対のシール部材５，５を介して固定されている。また、保持部３１，３１には、中空糸膜モジュール２１，２１の外側にカソードオフガス（第１流体）を案内する排出管（排出路）３４が設けられ、この排出管３４が前記カソードオフガス排出配管１７４（アノードオフガス排出配管１６４）と接続されている。なお、前記各ケース２２，２２の外周面には、複数の通孔２２ａが形成されており、各中空糸膜２３ａの外側を通過したカソードオフガスがこれら通孔２２ａを通して排出管３４に流入するようになっている。

前記下流側ヘッド（ヘッド部）４０は、前記と同様に、金属材料などで形成され、前記中空糸膜モジュール２１，２１に向けて開口する一対の大径の保持部４１，４１と、前記空気供給管１７２（水素供給管１６２）と接続される前記保持部４１より小径の接合部４２と、保持部４１，４１と接合部４２とを接続する絞り部４３とで構成されている。保持部４１，４１には、中空糸膜モジュール２１，２１の他端がそれぞれ一つのシール部材６を介して固定されている。また、下流側ヘッド４０の絞り部４３内の表面には、例えば、フッ素系樹脂材料などで形成された撥水層４４が積層されている。なお、本実施形態では、下流側ヘッド４０の絞り部４３で囲まれる内部空間が加湿ガス流通路Ｒとなっている。

また、下流側ヘッド４０には、導入マニホールド６０が設けられている。この導入マニホールド６０は、燃料電池ＦＣから延びる前記カソードオフガス導入配管１７３（アノードオフガス導入配管１６３）が接続される接続管６１と、各中空糸膜モジュール２１，２１内に嵌挿される上下一対のオフガス導入管６２，６３とを有している。オフガス導入管６２，６３の先端には、それぞれ複数の小孔６４が形成されており、第１流体としてのカソードオフガス（アノードオフガス）がこれら小孔６４から中空糸膜モジュール内に流入する。また、下流側ヘッド４０の接合部４２には、燃料電池ＦＣから延びる前記空気供給管１７２（水素供給管１６２）が接続されている。

前記チャンバ５０は、加湿装置１Ａ内で発生（凝縮等）した水を溜めておく空間を有し、前記下流側ヘッド４０の下部に一体に設けられている。このチャンバ５０は、所定容量の貯水部５１と、連通路５２とで構成され、連通路５２の一端が貯水部５１の上部と連通し、他端が下流側ヘッド４０内に形成された加湿ガス流通路Ｒの底部４０ａと連通している。なお、チャンバ５０は、下流側ヘッド４０と一体に設けられている必要はなく、別個に設けられていてもよい。

次に、第１実施形態の加湿装置の作用について図２ないし図４を参照して説明する。図４は第１実施形態の加湿装置の別の作用を示す一部拡大断面図である。
運転者により車両Ｖ（図１参照）のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ状態にされると、図2に示すように、制御装置１５０は、スロットルペダルの踏込み量や各種機器（灯火装置や空調装置等）の消費電力等に基づいて燃料電池ＦＣの目標電流値を決定した後、目標電流値に応じたアノードガスとカソードガスとを燃料電池ＦＣに供給すべく、水素供給システム１２０と空気供給システム１３０とを駆動制御するとともに、燃料電池ＦＣの温度に応じて冷却システム１４０を駆動制御する。

図２に示すように、燃料電池システム１０が運転を開始すると、水素供給システム１２０からのアノードガス（水素）が一方の加湿装置１Ａを経由して燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１に供給され、空気供給システム１３０からのカソードガス（空気）がもう一方の加湿装置１Ａを経由して燃料電池ＦＣのカソード極ｐ２に供給される。これにより、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１では、触媒の作用により水素イオンが生成され、この水素イオンが電解質膜ｍを介してカソード極ｐ２に移動する。また、アノード極ｐ１では、水素イオンが生成される際に電子が生じて、この電子が走行モータＭ（図１参照）などの外部負荷を介してカソード極ｐ２に移動する。カソード極ｐ２に移動した水素イオンと電子は、カソード極ｐ２の触媒の作用により空気中の酸素と反応して水が生成される。このようにして、燃料電池ＦＣでは、発電が行われる。なお、燃料電池ＦＣでは、アノード極ｐ１とカソード極ｐ２との圧力差などにより、カソード極ｐ２側で生成された水が、電解質膜ｍを介してアノード極ｐ１側に移動する。

燃料電池システム１０の発電に伴って、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１からは水を含んだ湿潤なアノードオフガス（第１流体）がアノードオフガス導入配管１６３を介して加湿装置１Ａに供給され、カソード極ｐ２からは同様に湿潤なカソードオフガス（第１流体））がカソードオフガス導入配管１７３を介して加湿装置１Ａに供給される。

第１実施形態の加湿装置１Ａでは、カソードオフガス導入配管１７３（アノードオフガス導入配管１６３）からの湿潤なカソードオフガス（アノードオフガス）が、図３に示すように、導入マニホールド６０を介して中空糸膜モジュール２１，２１の内部に流入して各中空糸膜２３ａの外側を通流した後、上流側ヘッド３０に設けられた排出管３４からカソードオフガス排出配管１７４（アノードオフガス排出配管１６４）に排気される。また、空気供給管１７１（水素供給管１６１）からの第２流体としての乾燥したカソードガス（アノードガス）は、上流側ヘッド３０から中空糸膜モジュール２１，２１の各中空糸膜２３ａの中空部を通流した後、下流側ヘッド４０から空気供給管１７２（水素供給管１６２）に流入する。

前記中空糸膜モジュール２１では、湿潤なカソードオフガス（アノードオフガス）と乾燥したカソードガス（アノードガス）との水蒸気分圧の差により、カソードオフガス中の水分が中空糸膜２３ａを透過して中空糸膜２３ａの中空部側に移動し、これにより、中空部を流通するカソードガス（アノードガス）が加湿される。その結果、カソード極ｐ２（アノード極ｐ１）には水分を十分に含んだカソードガス（アノードガス）が供給され、電解質膜ｍの乾燥に起因する燃料電池ＦＣの出力低下が防止される。

一方、イグニッションスイッチがＯＦＦ状態にされて、加湿装置１Ａの温度が低下した場合、カソードガス（アノードガス）中の水分が凝縮して凝縮水（凝結水）が発生する。発生した凝縮水は、下流側ヘッド４０（加湿ガス流通路Ｒ）の底部４０ａに向かって直接に落下したり、下流側ヘッド４０の絞り部４３の内面に設けられた撥水層４４の表面を伝って下流側ヘッド４０（加湿ガス流通路Ｒ）の底部４０ａに向けて流れ落ちる。前記下流側ヘッド４０の底部４０ａまで落ちた凝縮水は、連通路５２を通って貯水部５１に流れ込む。

このように、燃料電池ＦＣに連通する加湿装置１Ａの下流側ヘッド４０内で生成された凝縮水を貯水部５１に溜めておくことができるので、下側の中空糸膜モジュール２１の下部が水没することがない。このため、図２に示すように、燃料電池システム１０を停止後再び始動したときに、燃料電池ＦＣ内に凝縮水が流れ込むまたは一気に流れ込むのを防止することができる。したがって、燃料電池ＦＣ内のカソード極ｐ２（アノード極ｐ１）の電極面（反応面、図示せず）が過剰な水で覆われることがなくなるので、燃料電池ＦＣにおける発電効率が低下するのを防止できる。

さらに、燃料電池システム１０の始動後の運転（発電）時には、高圧のカソードガスが下流側ヘッド４０内を燃料電池ＦＣに向けて流れるので、このときのカソードガスの流れにより下流側ヘッド４０内に負圧が生じる。その結果、この負圧によって、図４に示すように、チャンバ５０内の水分（蒸気）が連通路５２を通って吸い上げられるのでカソードガスに対する加湿が促進される。したがって、燃料電池ＦＣ内の電解質膜ｍを常に適度な湿度に維持できる。

また、第１実施形態の加湿装置１Ａでは、前記したように、チャンバ５０を設けることによって、下側の中空糸膜モジュール２１の出口部２１ａが凝縮水によって水没することがないので、例えば、凝縮水が凍結したときに、中空糸膜モジュール２１の出口部２１ａが凍結した凝縮水で閉塞されて、燃料電池ＦＣ（電解質膜ｍ）に対する加湿力が損なわれることがない。

また、第１実施形態では、下流側ヘッド４０内の表面に撥水層４４が設けられているので、下流側ヘッド４０に付着した凝縮水を迅速に貯水部５１に落とすことができる。したがって、燃料電池システム１０の停止時に下流側ヘッド４０の内面に付着して溜まっていた凝縮水が、燃料電池システム１０の始動時に燃料電池ＦＣに一気に流れ込むのを防止できる。

（第２実施形態）
図５は第２実施形態の加湿装置を示す縦断面図、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。前記加湿装置１Ａと、この第２実施形態の加湿装置１Ｂとの相違点は、チャンバ５０に代えて下流側ヘッド４０内にラビリンス構造の流路制御部材７０を設けた点である。その他の構成については、第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。

図５および図６に示すように、前記流路制御部材７０は、仕切板７１ａ，７１ｂ，７１ｃ（図６参照），７１ｄ，７１ｅにより構成されている。各仕切板７１ａ〜７１ｅは、金属製の材料により、加湿器本体２０の一方（下側）の中空糸膜モジュール２１の出口部２１ａに対向する位置に、下流側ヘッド４０と一体に設けられている。仕切板７１ａは、絞り部４３の内周縁部４３ａから水平方向（中空糸膜モジュール２１の出口部２１ａの方向、仕切板７１ｂ〜７１ｅも同様）に延び、かつ、図６に示すように、仕切板７１ａの側端部７１ａ１が中心線Ｏ−Ｏよりも図示右側に位置するように形成されている。仕切板７１ｂは、絞り部４３の内周縁部４３ａから水平方向に延び、かつ、仕切板７１ｂの側端部７１ｂ１が中心線Ｏ−Ｏよりも図示左側に位置するように形成されている。仕切板７１ｃは、絞り部４３の内周縁部４３ａから水平方向に延び、かつ、仕切板７１ｃの側端部７１ｃ１が導入マニホールド６０のオフガス導入管６３に当接するように形成されている。仕切板７１ｄ，７１ｅは、前記仕切板７１ｂ，７１ａと同様にして、側端部７１ｄ１が中心線Ｏ−Ｏよりも左側に、側端部７１ｅ１が中心線Ｏ−Ｏよりも右側に位置するように形成されている。このように形成された流路制御部材７０では、図６に示すような蛇行路ａが形成される。また、図５に示すように、流路制御部材７０の縁部７０ａ、すなわち各仕切板７１ａ〜７１ｅの中空糸膜モジュール２１に向く縁部７０ａ２，７０ｂ２，７０ｃ２（図６参照），７０ｄ２，７０ｅ２と、中空糸膜モジュール２１の出口部２１ａとの間に、所定寸法ＣＬの隙間Ｓが形成されるように設定されている。

このように形成された加湿装置１Ｂでは、燃料電池システム１０（図２参照）の停止時に下流側ヘッド４０内に形成された加湿ガス流通路Ｒの底部４０ａに溜まった凝縮水が、図６において蛇行した蛇行路ａの矢印で示すようにして燃料電池ＦＣに向かうので、燃料電池システム１０の始動時に、凝縮水が燃料電池ＦＣに流れ込むのをまたは一気に流れ込むのを防止できる。つまり、下側の中空糸膜モジュール２１の出口部２１ａに溜まった水が、始動時に供給が開始されるカソードガス（アノードガス）により吹き上げられても、吹き上げられた水が燃料電池ＦＣに直接に流れ込むのを防止できる。また、燃料電池システム１０の始動後の運転時には、加湿器本体２０で加湿されて燃料電池ＦＣに向かうカソードガス（アノードガス）が、前記隙間Ｓを通って燃料電池ＦＣに流れるのでカソードガス（アノードガス）の流れが大きく損なわれることがない。また、流路制御部材７０内に侵入したカソードガス（アノードガス）は、流路制御部材７０内を蛇行しながら上昇して燃料電池ＦＣに向けて流れ込むことができる。

図７は、第２実施形態の加湿装置の作用の一例を示す断面図である。図７に示すように、第２実施形態の加湿装置１Ｂでは、車両Ｖ（図１参照）が傾いて、加湿装置１Ｂが傾斜したとしても、凝縮水が仕切板７１ａ〜７１ｅによって蛇行しながら下流側ヘッド４０から燃料電池ＦＣに向けて流れるので、凝縮水が燃料電池ＦＣに一気に流れ込むのを防止できる。

なお、第２実施形態では、仕切板７１ａ〜７１ｅの枚数を５枚とした場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、５枚未満で構成されていても、６枚以上で構成されていてもよい。また、第１実施形態で示したように、下流側ヘッド４０の内面および仕切板７１ａ〜７１ｅの表面の双方またはいずれか一方に撥水層４４（図３参照）を設けてもよい。また、各仕切板７１ａ〜７１ｅは、水平方向に延びるものに限定されず、内周縁部４３ａから縁部７１ａ２〜７１ｅ２や側端部７１ａ１〜７１ｅ１に向けて下降するように傾斜していてもよい。このように仕切板７１ａ〜７１ｅを傾斜させることにより、流路制御部材７０の上方から落下してきた凝縮水を、仕切板７１ａ〜７１ｅ上に留まらせることなく、底部４０ａまで迅速に落下させることができる。したがって、始動時に燃料電池ＦＣ側に一気に流れ込むのを防止できる。

また、仕切板７１ａ〜７１ｅの少なくとも１枚または１枚のうちの一部をパンチングメタルや金網のような材質として、カソードガス（アノードガス）の通流は許容するが、同伴している水滴の通流を許容しない（分断）するようにしてもよい。これにより、流路制御部材７０に侵入したカソードガス（アノードガス）の通流をさらに円滑できる。

（第３実施形態）
図８は第３実施形態の加湿装置を示す縦断面図である。この加湿装置１Ｃは、第１実施形態の加湿装置１Ａに、流量調整手段として機能するオリフィス８１を備えた水抜き管（水抜き路）８０を追加した構成である。また、第３実施形態では、ヘッド部４０Ａの構成が第１および第２実施形態と異なっている。

第３実施形態での下流側ヘッド（ヘッド部）４０Ａは、全体が合成樹脂材料で形成され、前記中空糸膜モジュール２１，２１の出口部２１ａ，２１ａに向けて開口する一対の大径の保持部４５，４５と、燃料電池ＦＣに設けられた連結部９０まで延びる前記保持部４５よりも小径で管状の接合部４６と、保持部４５，４５と接合部４６とを接続する絞り部４７とで構成されている。つまり、ヘッド部としての下流側ヘッド４０Ａは、加湿器本体２０の端部から燃料電池ＦＣまで一体に延びて形成されているものである。

前記水抜き管８０は、チャンバ５０に設けられた貯水部５１と、導入マニホールド（導入路）６０のオフガス導入管６３とを連通する連通管であり、そのオフガス導入管６３に接続される側の先端８０ａが、オフガス導入管６３の下面を貫通して、オフガス導入管６３の内部に突出している。このように、水抜き管８０を設けることにより、カソードガスの圧力がカソードオフガスの圧力よりも高いことから、チャンバ５０内の水が、水抜き管８０を介してオフガス導入管６３側に押し上げられ、かつ、負圧吸引されて排出されるので、チャンバ５０内から下流側ヘッド４０内に水が溢れるのを防止することができる。また、水抜き管８０の先端８０ａをオフガス導入管６３内に突出させることにより、オフガス導入管６３に導入されたオフガスに含まれる水分が、水抜き管８０を通って、チャンバ５０の貯水部５１に逆流するのを防止することができる。

前記オリフィス８１は、そのオリフィス径が、中空糸膜束２３を構成する中空糸膜２３ａに形成された透過孔の径、および、空気供給システム１３０のエアクリーナ（フィルタ）の孔径より大きくなるように構成されている。このように、オリフィス径を所定の径に設定することにより、中空糸膜２３ａを透過したりエアクリーナで補足されなかったりした微細な異物によってオリフィス８１が閉塞するのを防止できる。なお、流量調整手段としては、オリフィス８１に限定されるものではなく、バルブなどであってもよい。また、水抜き路８０の太さを細くするようにしてもよい。ちなみに、オリフィス８１は、チャンバ５０内に水が溜まっていない場合にカソードガス（アノードガス）が燃料電池ＦＣを経由せずにカソードオフガス中に入り込むのを阻止（低減）する役割を果たす。

なお、第３実施形態の加湿装置１Ｃでは、水抜き管８０を導入マニホールド６０（オフガス導入管６３）に連通するように構成したが、排出管（排出路）３４側に連通するように構成してもよい。また、水抜き管８０には、逆流防止手段として、先端８０ａを突出させる構造に代えて、逆流防止蓋や逆止弁を設けたりしてもよい。また、第１実施形態で示したように、凝縮水がチャンバ５０内に迅速に落下するように、下流側ヘッド４０Ａの内面に撥水層４４を積層してもよい。また、下流側ヘッド４０Ａは、第１実施形態や第２実施形態で説明した下流側ヘッド４０としてもよい。

また、本発明の加湿装置は、第１〜第３実施形態に限定されるものではなく、単一または３本以上の中空糸膜モジュール２１を備えた加湿器本体であってもよい。また、下流側ヘッド（ヘッド部）４０，４０Ａの形状では、絞り部４３，４７が傾斜面を有する形状ではなく、起立面を有する形状であってもよい。

以上説明した本発明は、前記した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、中空糸膜２３ａの中空部にオフガス（第１流体）が流れ、中空糸膜２３ａの外側に乾燥した反応ガス（第２流体）が流れるようにしてもよい。また、いずれの実施形態においても、チャンバ５０とラビリンス構造の流路制御部材７０とを適宜選択して適用することができる。また、撥水層４４（図１参照）についても同様である。

本実施形態に係る燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図である。本実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。第１実施形態の加湿装置を示す縦断面図である。第１実施形態の加湿装置の別の作用を示す一部拡大断面図である。第２実施形態の加湿装置を示す縦断面図である。図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。第２実施形態の加湿装置の作用の一例を示す断面図である。第３実施形態の加湿装置を示す縦断面図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｃ加湿装置
２０加湿器本体
２０ａ端部
２１中空糸膜モジュール
２１ａ出口部
３４排出管（排出路）
４０，４０Ａ下流側ヘッド（ヘッド部）
４０ａ底部
４３，４７絞り部
４４撥水層
５０チャンバ
５１貯水部
５２連通路
６０導入マニホールド（導入路）
７０流路制御部材
７１ａ２〜７１ｅ２縁部
８０水抜き管（水抜き路）
８１オリフィス（流量調整手段）
１６２水素供給管（供給路）
１７２空気供給管（供給路）
ＦＣ燃料電池
Ｒ加湿ガス流通路
Ｓ隙間

Claims

燃料電池から排出される加湿された第１流体を用いて第２流体を加湿する加湿器本体と、一端が前記加湿器本体の端部に接続され、他端が前記燃料電池または前記燃料電池から延びる供給路と接続されて前記燃料電池に加湿後の前記第２流体を供給するヘッド部と、前記ヘッド部内に形成された加湿ガス流通路の底部と連通するチャンバとを備えることを特徴とする加湿装置。
前記チャンバは、水抜き路を有し、前記水抜き路には流量調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。
前記水抜き路が、前記加湿器本体に前記第１流体を導入する導入路、または前記加湿器本体から前記第１流体を排出する排出路に連通していることを特徴とする請求項２に記載の加湿装置。
燃料電池から排出される加湿された第１流体を用いて第２流体を加湿する加湿器本体と、一端が前記加湿器本体の端部に接続され、他端が前記燃料電池または前記燃料電池に設けられた供給路と接続されて前記燃料電池に加湿後の前記第２流体を供給するヘッド部とを備える加湿装置であって、
前記ヘッド部内には、前記ヘッド部内に形成された加湿ガス流通路の底部側から上方に向けてラビリンス構造の流路制御部材が設けられていることを特徴とする加湿装置。
前記流路制御部材の前記加湿器本体に向く縁部と、前記加湿器本体の前記第２流体の出口部との間に、所定寸法の隙間が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の加湿装置。
前記ヘッド部の内面および前記流路制御部材の表面の少なくとも一方が、撥水加工されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の加湿装置。