JP2008084813A - 燃料電池用ハイブリッド加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加湿装置の内部へ均等に乾燥した空気が流入し、加湿されることで加湿装置の効率を向上させる燃料電池用ハイブリッド加湿装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、円筒形の本体の一側に形成されて空気ブロアから供給された乾燥した空気が流入する空気流入口と、前記本体の他側に形成されて前記乾燥した空気が加湿された後、排出される空気排出口と、前記本体の内部に挿入され、互いに干渉されず離隔間隔を有して配列され、燃料電池スタックから排出される湿潤空気を前記本体内部に伝達する複数の貫通ホールが形成される円筒形状の複数の加湿管と、前記本体の内側に収容されて前記加湿管から排出される水分を前記乾燥した空気に伝達する中空糸膜モジュールと、前記本体内部の乾燥した空気を加湿した後の残余空気が排出されるサーブ排出口と、を含むことを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、燃料電池用ハイブリッド加湿装置に係り、より詳しくは、燃料電池スタックから排出される湿潤した空気を加湿装置内部へと供給する複数の加湿管を加湿装置内部に設置することで、加湿装置内部を均等に加湿して加湿効率を向上させた燃料電池用ハイブリッド加湿装置に関する。

燃料電池車は、酸素と水素の反応により発生した化学エネルギを電気エネルギーに転換させる内部の燃料電池によって生じる駆動力で作動する。この時、燃料電池の作動のためには燃料電池内の電解質加湿が必要である。

一般に、空気ブロアにより車の外部から乾燥した空気を吸入すれば、乾燥した空気が加湿装置を介して加湿されて燃料電池スタックへと供給される。加湿装置は、燃料電池スタック内部で反応に使用された後、高温多湿になった空気を利用して外部から流入する乾燥空気の加湿に使用する。

加湿装置の種類としては、超音波加湿、スチーム加湿、気化式加湿などがあるが、燃料電池において、電力消費量が少なく、設置面積が小さくてすむコンパクトな加湿装置が要求される。従って、燃料電池においては、中空糸膜を利用する加湿装置が主に使用される。

図１は、従来の中空糸膜加湿装置を示した横断面図であり、図２は、図１に係る中空糸膜モジュールの斜視図であり、図３は、図１に係る中空糸膜加湿装置の空気流動を分析した図面である。

図１及び図２に示すように、従来の中空糸膜加湿装置１は、ハウジング１０の一側に乾燥空気が流入する第１流入口２０を形成し、他側に加湿装置１内部から加湿された空気を排出する第１流出口３０を形成する。ハウジング１０の内部には、中空糸膜６４が収納された複数のモジュールハウジング６２で構成される中空糸膜モジュール６０が挿入される。

ハウジング１０の一側には、燃料電池スタックから排出される高温多湿な空気が流入する第２流入口４０と、加湿装置１内部で加湿された空気が排出される第２流出口５０とが形成される。第２流入口４０を通じて流入する高温多湿な空気中の水分は、中空糸膜６４の毛細管現象により分離されて中空糸膜６４の内部に移動する。移動した水分は、中空糸膜６４の長さの方向に沿って通過する乾燥した空気を加湿し、加湿された空気は、第１流出口３０を通じて排出されて燃料電池スタックに供給される。

しかしながら、図１及び図３に示すように、外部から流入する乾燥した空気は、中空糸膜モジュール６０の中央部分（Ａ）へと集中的に供給され、加湿のために移動する湿潤した空気は、その拡散速度が遅いため中空糸膜モジュール６０の中央部分に浸透し難い。加湿装置１の端部分（Ｂ）は湿度が高いが、加湿する空気がないことで、加湿装置１の効率が低下する問題点がある。

また、燃料電池スタックから流入する湿潤空気は、水蒸気のみではなく燃料電池内部での反応により生成する水と共に加湿装置の内部に供給されるので、寒い天候の場合、加湿装置内部に流入する水が凍って加湿効率が低下する問題点がある。また、加湿装置の効率が低下すれば、所望の効率を得るために必要以上の中空糸膜チューブを使用するため、原価の上昇をきたし、加湿装置も性能に比べて大きくなる問題点がある。
特開２００６−３０２７０６号公報

本発明は、前記のような従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、加湿装置の内部へ均等に乾燥した空気が流入し、加湿されることで加湿装置の効率を向上させる燃料電池用ハイブリッド加湿装置を提供することである。

上述の目的を達成するための本発明は、円筒形の本体（３１０）の一側に形成されて空気ブロア（１００）から供給された乾燥した空気が流入する空気流入口（３１４）と、前記本体（３１０）の他側に形成されて前記乾燥した空気が加湿された後、排出される空気排出口（３１８）と、前記本体（３１０）の内部に挿入され、互いに干渉されず離隔間隔を有して配列され、燃料電池スタック（２００）から排出される湿潤した空気を前記本体（３１０）内部に伝達する複数の貫通ホール（３３４）が形成される円筒形状の複数の加湿管（３３０）と、前記本体（３１０）の内側に収容されて前記加湿管（３３０）から排出される水分を前記乾燥した空気に伝達する中空糸膜モジュール（３２０）と、前記本体（３１０）内部の乾燥した空気を加湿した後の残余空気が排出されるサーブ排出口（３１９）と、を含むことを特徴とする。

前記加湿管（３３０）は、前記空気流入口（３１４）及び空気流出口を貫通して前記空気流入口（３１４）及び空気排出口（３１８）の外側まで延長形成されることを特徴とする。

前記加湿管（３３０）は、湿潤した空気を前記加湿装置（３００）内部へと流入させる管流入口（３３２）が、前記乾燥した空気の流入方向と反対の前記空気排出口（３１８）の方に形成されることを特徴とする。

前記加湿管（３３０）は、前記空気排出口（３１８）側の端部に前記燃料電池スタック（２００）から供給される湿潤した空気を加熱して気化させるヒーター（３３６）が設置されることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用ハイブリッド加湿装置は、中空糸膜モジュールの間に湿潤空気を供給する加湿管を設置することで、加湿装置内部に流入する乾燥した空気を均等に加湿することができ、加湿装置の効率が向上する。

また、加湿管が空気流入口に流入する空気を分散させる役割をして中空糸膜モジュールの中央のみに流れる乾燥空気の流れを分散させて加湿装置の効率を増大させることができる。

一方、加湿管の管流入口にヒーターが設置されて加湿装置内部に流入する水分及び水が水蒸気に変化して供給されるので、中空糸膜周辺に水が凍りついて加湿装置の効率が低下されることを防止できる。

また、加湿管の形態及び個数を変化させて加湿効率が調節できることは勿論で、加湿管に流入する湿潤空気が貫通ホールを介して分散しながら、分散速度が早くなり加湿効率が向上する。

また、加湿管の導入により全体的な加湿装置の性能が向上し、過度な量の中空糸膜チューブを使用しなくても良いので、原価節減は勿論、加湿装置の大きさ減少にも効果がある。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池用ハイブリッド加湿装置について図面に基づいて説明する。

図４は、本発明の空気供給ラインを示した模式図であり、図５は、図４に係るハイブリッド加湿装置を示した横断面図である。また、図６は、図５に係る加湿管の拡大図であり、図７は、図５に係る加湿管の設置状態を概略的に示した斜視図である。

図４乃至図７に示すように、本発明の一実施形態に係る空気供給ラインは、車両の外部から空気を吸入する空気ブロア１００と、空気ブロア１００を通じて流入する空気を燃料電池スタック２００から排出される湿潤な空気を利用して加湿し、燃料電池スタック２００に供給するハイブリッド加湿装置３００で構成される。

ハイブリッド加湿装置３００は、円筒形状の本体３１０と、本体３１０の内部に収納され乾燥した空気を加湿するための中空糸膜モジュール３２０と、燃料電池スタック２００から湿潤空気を供給する加湿管３３０とを含んで構成される。

本体３１０の一段には、空気ブロア１００から流入する乾燥空気を内部へと案内する円錐形状の流入案内部３１２と、流入案内部３１２を通過した乾燥空気が流入する空気流入口３１４と、加湿空気を排出する空気排出口３１８と、加湿された空気を外部へと案内する円錐形状の排出案内部３１６で構成される。また、本体３１０の側面には、加湿管３３０から排出されて加湿装置３００の内部を加湿した空気が排出されるサーブ排出口３１９が形成される。

中空糸膜モジュール３２０は、本体３１０の内部に収納されて加湿管３３０から排出される湿潤空気から水分を分離する多孔性の中空糸膜（従来図２の６４番、参照）を円筒形に束ねる複数の中空糸膜チューブで構成される。また、中空糸膜モジュール３２０は、加湿装置３００の内部に充填され、外部から流入する乾燥空気が中空糸膜モジュール３２０を貫通することで加湿装置３００の外部に出ることができる。従って、乾燥空気は、中空糸膜モジュール３２０の内部を通過して加湿装置３００を通り過ぎ、この過程で加湿される。

図６に示すように、加湿管３３０は、円筒形状で複数の貫通ホール３３４が形成されている。加湿管３３０は、空気排出口３１８の方に管流入口３３２が形成され、前記を介して燃料電池スタック２００内部で反応に使用され排出される湿潤空気が加湿装置３００の内部に供給される。

図７に示すように、加湿管３３０は、互いに干渉しない程度の間隔で複数個が離隔設置されることが望ましい。前記により加湿装置３００の内部に均等に水蒸気が排出されて加湿効率を向上させることができる。加湿管３３０の管流入口３３２の方には、ヒーター３３６が設置され、ヒーター３３６は管流入口３３２を通過する湿潤な空気を加熱して空気中の水分を気化させて水蒸気を作る。ヒーター３３６によって湿潤な空気中に含まれた水分が水蒸気になり、燃料電池スタック２００から供給される空気中に含まれていた元の水蒸気と共に加湿装置３００内部に排出される。

管流入口３３２にヒーター３３６が設置されるので加湿装置３００内部に流入する水分及び水が水蒸気に変化し供給されて中空糸膜周辺に水が凍りついて生ずる加湿装置の効率低下を防止することができる。

また、貫通ホール３３４が小さいので、貫通ホールを通過する水蒸気は、狭い所から広い所に排出されながら、排出速度が早くなる。排出速度が早くなった状態から相対的に広い所に排出されるので、拡散速度が増加して周辺の中空糸膜モジュール３２０へと水分が早く拡散できる。これによって加湿装置３００の効率が向上する。

一方、図５に示すように、加湿管３３０は、空気流入口３１４及び空気排出口３１８を貫通して空気流入口３１４及び空気排出口３１８の外側まで延長形成される。加湿管３３０が空気流入口３１４の外側まで延長設置され、互いに離隔し設置されるので、流入案内部３１２を通過する空気は加湿管３３０の端部に当たってその経路が変わる。

従って、乾燥空気の流入時、加湿装置３００の中央部分（Ｃ）のみに空気が流動するのではなく、加湿装置３００の端部分（Ｄ）まで空気が通過できるため、加湿装置３００の効率が向上する。また、加湿管３３０の形態（直径や長さ、貫通ホールの大きさなど）や個数を変化させることで、加湿装置３００の効率を適切に調節できる。このように加湿装置３００の効率が全体的に向上するので、加湿効率を維持するために過剰の中空糸膜チューブを使用する必要がなく、原価節減が可能となるほか、加湿装置３００を小くできる效果がある。

前記のような構成を有する本発明の一実施形態に係る燃料電池用ハイブリッド加湿装置において、加湿装置内部の空気が加湿される過程は次のようになる。

図５に示すように、空気ブロア１００を通じて外部から流入する乾燥空気は、流入案内部３１２を通じて加湿装置３００の本体３１０に流入する。流入した乾燥空気は、加湿管３３０の端部に当たって均等に拡散し、様々な経路によって（Ｃ、Ｄ）空気流入口３１４に流入する。空気流入口３１４を通じて流入した乾燥空気は中空糸膜モジュール３２０を通過する。

図５乃至図６に示すように、燃料電池スタック２００で反応に関与した後、高温多湿な状態で排出される湿潤空気は、管流入口３３２を通じて加湿管３３０内部に流入する。この時、ヒーター３３６により湿潤空気中の水分全てが水蒸気に気化される。気化された水蒸気を含む空気は、複数の加湿管３３０に形成される貫通ホール３３４を通じて排出され、中空糸膜モジュール３２０全体で均等に拡散する。

排出される空気中に含まれた水蒸気は、毛細管現象により中空糸膜を通過して内部に流入し、中空糸膜の内部に流入した水分は、外部から流入した乾燥空気を加湿することに使用される。水蒸気を奪われた空気は、サーブ排出口３１９を通じて加湿装置３００の外部に排出されて車両の外部に排気される。反対に外部から流入した乾燥空気は、中空糸膜モジュール３２０を通過しながら、加湿されて湿潤な状態として空気排出口３１８を通過して排出案内部３１６を通じて加湿装置３００の外部に排出され、燃料電池スタックに供給される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

従来の中空糸膜加湿装置を示した横断面図である。 図１に係る中空糸膜モジュールの斜視図である。 図１に係る中空糸膜加湿装置の空気流動を分析した図面である。 本発明の空気供給ラインを示した模式図である。 図４に係るハイブリッド加湿装置を示した横断面図である。 図５に係る加湿管の拡大図である。 図５に係る加湿管の設置状態を概略的に示した斜視図である。

符号の説明

１００ 空気ブロア
２００燃料電池スタック
３００ハイブリッド加湿装置
３１０本体
３１４空気流入口
３１８空気排出口
３１９サーブ排出口
３２０中空糸膜モジュール
３３０加湿管
３３２管流入口
３３４貫通ホール
３３６ヒーター

Claims (4)

1. 円筒形の本体（３１０）の一側に形成されて空気ブロア（１００）から供給された乾燥した空気が流入する空気流入口（３１４）と、
   前記本体（３１０）の他側に形成されて前記乾燥した空気が加湿された後、排出される空気排出口（３１８）と、
   前記本体（３１０）の内部に挿入され、互いに干渉されず離隔間隔を有して配列され、燃料電池スタック（２００）から排出される湿潤した空気を前記本体（３１０）内部に伝達する複数の貫通ホール（３３４）が形成される円筒形状の複数の加湿管（３３０）と、
   前記本体（３１０）の内側に収容されて前記加湿管（３３０）から排出される水分を前記乾燥した空気に伝達する中空糸膜モジュール（３２０）と、
   前記本体（３１０）内部の乾燥した空気を加湿した後の残余空気が排出されるサーブ排出口（３１９）と、
   を含むことを特徴とする燃料電池用ハイブリッド加湿装置。
2. 前記加湿管（３３０）は、前記空気流入口（３１４）及び空気流出口を貫通して前記空気流入口（３１４）及び空気排出口（３１８）の外側まで延長形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ハイブリッド加湿装置。
3. 前記加湿管（３３０）は、湿潤した空気を前記加湿装置（３００）内部へと流入させる管流入口（３３２）が、前記乾燥した空気の流入方向と反対の前記空気排出口（３１８）の方に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ハイブリッド加湿装置。
4. 前記加湿管（３３０）は、前記空気排出口（３１８）側の端部に前記燃料電池スタック（２００）から供給される湿潤した空気を加熱して気化させるヒーター（３３６）が設置されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用ハイブリッド加湿装置。