JP2009016230A - 加湿器及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の削減又は圧損の低減を図ることができる加湿器及び燃料電池システム。
【解決手段】加湿器１５は、二種類のガスが内部に導入されると共に外部に排出されるケーシング７１と、ケーシング７１内に収容された中空糸モジュール８０と、を備える。中空糸モジュール８０は、中空糸膜８２を複数本束ねてなる中空糸膜束８１と、中空糸膜束８１の外周を覆うと共にケーシング７１内に収容される筒状のハウジング８３と、を有する。ケーシング７１は、第１ケース９１及び第２ケース９２の二分割構造からなり、第１ケース９１及び第２ケース９２を接合して組立てられる。また、ハウジング８３の周壁には、その長手方向の半部にそれぞれ、導入開口８６_IN及び排出開口８６_OUTが貫通形成され、圧損を低減できるようになっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、中空糸膜を利用してガスの加湿を行う加湿器及び燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えている。固体高分子型の燃料電池では、その発電効率を高めるために電解質膜が湿潤状態に保持されることが必要である。この湿潤状態の保持は、一般に、燃料ガス又は酸化ガスを加湿する加湿器で行っている。

従来の加湿器では、高湿の酸化オフガスと低湿の酸化ガスとの間で水分交換を行う内部加湿方式が多く採用されている。酸化オフガスが酸化ガスよりも高湿であるのは、燃料電池の空気極から排出される酸化オフガスには、電気化学反応によって生成された水が含まれているからである。

特許文献１に記載の加湿器は、中空糸膜を複数本束ねてなる中空糸膜束をハウジング内に備えている。ハウジングの長手方向の両端部は、それぞれ箱型の分配器に固定されており、分配器からハウジング内への酸化ガス及び酸化オフガスの導入、並びにその排出が行われる。例えば、供給側の分配器内の酸化ガスは、ハウジングの一端側の周壁にある導入開口から導入されて、中空糸膜束の外部をその長手方向に流れて、加湿される。その後、酸化ガスは、ハウジングの他端側の周壁にある排出開口からハウジング外に排出され、排出側の分配器内を通って、燃料電池に供給される。
この加湿器では、酸化ガスが中空糸膜束全体に行き渡らせることができるように、バッフル用編み糸で中空糸膜同士を長手方向の両端で結束して流路壁を形成し、流路壁の孔の開口割合を工夫している。
特開２００２−３７００１７号公報（段落００４２〜００４９、００５６、図３、図６など）

特許文献１に記載の加湿器では、ハウジングの両端部が分配器に収容されているものの、中央部が外部に露出している。加湿器が車両等に搭載されることを考慮すれば、ハウジングの中央部も何らかのケースで収容し、ハウジング全体を外部から保護した方が良い場合もある。しかし、ハウジングの中央部用のケースを設けるとなると、部品点数、および分配器への組付けの作業工数が増加するばかりでなく、組付け精度もより一層求められることになる。

また、バッフル用編み糸からなる流路壁によって、中空糸膜束の外側を流れる酸化ガスの圧損を小さくできるものの、流路壁を別途設けている分、部品点数が増加している。もっとも、流路壁を設けないようにすると、導入開口及び排出開口が小さいので、これらを酸化ガスが通流するときの圧損が大きくなってしまう。

本発明は、部品点数の削減又は圧損の低減を図ることができる加湿器及び燃料電池システムを提供することをその目的としている。

上記目的を達成するための本発明の加湿器は、中空糸膜の内側と外側とに水分含有量の異なる二種類のガスを流すことにより、これらガス間で水分交換を行う。加湿器は、二種類のガスが内部に導入されると共に外部に排出されるケーシングと、中空糸膜を複数本束ねてなる中空糸膜束を有してケーシング内に収容された中空糸モジュールと、を備える。そして、ケーシングは、第１ケース及び第２ケースの二分割構造からなり、第１ケース及び第２ケースを接合して組立てられる。

この構成によれば、中空糸モジュールの全体をケーシングで収容でき、中空糸モジュールを外部から保護できる。また、ケーシングが二分割構造であるので、部品点数をできるだけ少なくできると共に、その組み立ての作業工数も少なくできる。

好ましい一態様によれば、第１ケース、第２ケース及び中空糸モジュールは、同軸上に位置しているとよい。この場合、第１ケースと第２ケースとを同軸加工することで、加工精度を向上できる。

好ましい一態様によれば、第１ケース及び第２ケースは、ネジ締結により接合されているとよい。

この構成によれば、両者の接合を十分な強度で簡易になすことができると共に、溶接等で接合する場合に比べて、分離もし易くなり、中空糸モジュールの取出しなどを必要に応じて容易に行える。

好ましい一態様によれば、ケーシングには、二種類のガスの一方の第１ガス導入口及び第１ガス排出口と、二種類のガスの他方の第２ガス導入口及び第２ガス排出口と、が形成されているとよい。そして、第１ケースには、第１ガス導入口、第１ガス排出口、第２ガス導入口及び第２ガス排出口のうちの３つが形成され、第２ケースには、残りの１つが形成されているとよい。

好ましい一態様によれば、中空糸モジュールは、中空糸膜束の外周を覆うと共にケーシング内に収容される筒状のハウジングを更に有し、ハウジングの周壁には、二種類のガスの一方を中空糸膜束の外周側に導入する導入開口と、この導入されたガスをハウジングの外周側へと排出する排出開口と、が貫通形成されるとよい。そして、導入開口は、ハウジングの長手方向の一方の略半部に形成され、排出開口は、ハウジングの長手方向の他方の略半部に形成されるとよい。

こうすることで、導入開口及び排出開口が大きくなるので、部品点数を増やすことなく、ガスがこれらを通流するときの圧損を低減できる。

好ましくは、ハウジングは、その長手方向の両端部と中間部とに、ハウジングの径方向外周側に張りだすフランジ部を有し、各フランジ部の外壁とケーシングの内壁との間は、シール部材によりシールされているとよい。そして、導入開口は、一端側のフランジ部と中間部のフランジ部との間に亘って延在し、排出開口は、他端側のフランジ部と中間部のフランジ部との間に亘って延在しているとよい。

また、上記目的を達成するための本発明の加湿器は、二種類のガスが内部に導入されると共に外部に排出されるケーシングと、中空糸膜を複数本束ねてなる中空糸膜束と、中空糸膜束の外周を覆うと共にケーシング内に収容される筒状のハウジングと、を備える。ハウジングの周壁には、二種類のガスの一方を中空糸膜束の外周側に導入する導入開口と、この導入されたガスをハウジングの外周側へと排出する排出開口とが貫通形成される。そして、導入開口は、ハウジングの長手方向の一方の略半部に形成され、排出開口は、ハウジングの長手方向の他方の略半部に形成される。

この構成によれば、導入開口及び排出開口を大きく形成することが可能となる。これにより、従来のような流路壁を別途設けなくて済むので、部品点数を増やすことなく、導入開口及び排出開口を通流するガスの圧損を低減できる。

また、上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、本発明の加湿器を用いて、燃料電池に供給される酸化ガスと燃料ガスの少なくとも一方を加湿するものである。

上記した本発明の加湿器及び燃料電池システムによれば、部品点数の削減又は圧損の低減を図ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る加湿器を燃料電池システムに適用した例について説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸化ガス配管系３及び燃料ガス配管系４を備える。燃料電池システム１は、車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。固体高分子電解質型の単セルは、電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。また、電気化学反応により、燃料電池２は発熱すると共に空気極側に水を生成する。固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。

酸化ガス配管系３は、供給路１１及び排出路１２を有する。供給路１１には、酸化ガス流路２ａに供給される酸化ガスが流れる。排出路１２には、酸化ガス流路２ａから排出された酸化オフガスが流れる。酸化オフガスは、燃料電池２の電気化学反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。コンプレッサ１４は、供給路１１に設けられ、エアクリーナ１３を介して酸化ガスとしての外気を取り込み、燃料電池２に圧送する。圧送される酸化ガスは、加湿器１５によって酸化オフガスとの間で水分交換がなされ、適度に加湿される。エア調圧弁１６は、排出路１２において空気極出口付近に配設され、空気極側の背圧を調整する。

燃料ガス配管系４は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に給排する。燃料ガス配管系４は、水素供給源２１、供給路２２、循環路２３、ポンプ２４及びパージ路２５を有する。水素ガスは、元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出し、レギュレータ２７及び遮断弁２８を経て燃料ガス流路２ｂに供給される。その後、水素ガスは、燃料ガス流路２ｂから水素オフガスとして循環路２３に排出される。水素オフガスは、循環路２３と供給路２２との合流点Ａにポンプ２４によって戻され、再び燃料ガス流路２ｂに供給される。水素オフガスの一部は、パージ弁３３の適宜の開弁により、循環路２３からパージ路２５へと排出され、図示省略した水素希釈器を経て外部に排出される。

図２は、加湿器１５の内部を示す側断面図である。なお、図２では、中空糸モジュールについては、その一部分のみを断面図としている。
加湿器１５は、内部加湿方式を採用し、低湿潤状態の酸化ガスを高湿潤状態の酸化オフガスで加湿する。加湿器１５は、箱型のケーシング７１と、これを収容した中空糸モジュール８０と、を有している。

ケーシング７１に形成された導入口７２_IN及び７３_INは、それぞれ酸化ガス及び酸化オフガスをケーシング７１の外部から内部へと導入する。排出口７２_OUT及び７３_OUTは、それぞれ酸化ガス及び酸化オフガスをケーシング７１の内部から外部へと排出する。導入口７２_IN及び排出口７２_OUTには、図１に示す供給路１１を構成する入口配管１１_IN及び出口配管１１_OUTがそれぞれ接続されている。また、導入口７３_IN及び排出口７３_OUTには、図１に示す排出路１２を構成する入口配管１２_IN及び出口配管１２_OUTがそれぞれ接続されている。

中空糸モジュール８０は、中空糸膜の束８１（以下、「中空糸膜束８１」という。）と、ハウジング８３と、を有している。中空糸膜束８１は、内径が例えば数百μｍ程度の公知の中空糸膜８２を多数束ねたものである。中空糸膜８２は、水蒸気透過性を有するフィルタ部材であり、望ましくは水蒸気のみを透過させる特性を有するとよい。中空糸膜８２は、図３に示すように、その外部に酸化ガスが流れ、その内部（中空部）に酸化オフガスが流れる。

中空糸膜８２の外部を流れる酸化ガスは、中空糸膜８２、８２同士の間をすり抜けるように、図２の上方から下方へと流れる。一方、中空糸膜８２の内部を流れる酸化オフガスは、その長手方向の一端から他端（図２では右端から左端）へと流れる。高湿の酸化オフガスの水分は、中空糸膜８２に吸収され、その外周へと毛細管現象により吸い上げられ、中空糸膜８２の外周を通過する低湿の酸化ガスに移動する。これにより、酸化ガスが加湿される。なお、配管の接続先を変更することにより、中空糸膜８２の外側に酸化オフガスを流通させ、内側に酸化ガスを流通させてもよい。

ハウジング８３は、中空糸膜束８１の周囲を取り囲むようにこれを覆い、中空糸膜束８１を収容している。ハウジング８３は、その長手方向の両端が開口した円筒形状からなり、中空糸膜束８１と同程度の長さで水平方向に延在する。ハウジング８３は、その外壁とケーシング７１との間が複数のＯリング８４によりシールされた状態で、ケーシング７１内に収容される。

具体的には、ハウジング８３は、長手方向の両端部と中間部とに、径方向外周側に張り出すフランジ部８５ａ，８５ｂ，８５ｃを有している。フランジ部８５ａ，８５ｂ，８５ｃの各中央部は、Ｏリング８４を装着する環状のシール溝が形成されており、フランジ部８５ａ，８５ｂ，８５ｃの外壁とケーシング７１との間がＯリング８４によって気密にシールされている。

ハウジング８３の周壁には、酸化ガスの導入開口８６_IN及び排出開口８６_OUTが貫通形成されている。導入開口８６_INは、ハウジング８３とケーシング７１との間の空間にある酸化ガスを、中空糸膜束８１の外周側に導入するためのものである。また、排出開口８６_OUTは、ハウジング８３と中空糸膜束８１の外周側との間にある導入後の酸化ガスを、ハウジング８３の外周側を介して排出口７２_OUTに排出するためのものである。

導入開口８６_INは、ハウジング８３の長手方向の一方の略半部に亘って形成され、詳細にはフランジ部８５ａとフランジ部８５ｂとの間に亘って延在している。導入開口８６_INは、ハウジング８３の鉛直方向の高位側にのみ形成されており、上方から酸化ガスをハウジング８３内に導入する。一方、排出開口８６_OUTは、ハウジング８３の長手方向の他方の略半部に亘って形成され、詳細にはフランジ部８５ｂとフランジ部８５ｃとの間に亘って延在している。排出開口８６_OUTは、ハウジング８３の鉛直方向の低位側にのみ形成されており、加湿後の酸化ガスをハウジング８３外の下方へと排出する。

中空糸膜束８１の軸線方向の両端部には、中空糸膜８２、８２同士の隙間、及び中空糸膜８２とハウジング８３の内壁との隙間を、気密及び液密に封止するためのポッティング部８８が形成されている。ポッティング部８８は、例えば接着剤をポッティングすることで形成され、中空糸膜束８１をハウジング８３の両端部に固定する。ポッティング部８８により、中空糸膜８２の中空部を流れる酸化オフガスと、中空糸膜８２の外側を流れる酸化ガスとがハウジング８３内で直接触れ合うことはなく、両ガス間の水分交換は中空糸膜８２を介して行われることになる。

ケーシング７１は、第一ケース９１及び第二ケース９２の二分割構造からなり、第一ケース９１及び第二ケース９２を接合して組み立てられている。接合方式は特に限定されるものではないが、図２に示すように、ネジ締結を用いるとよい。

第一ケース９１は、軸線方向の一端側が開口した形状からなり、内部に中空糸モジュール８０を収容する空間を有している。一方、第二ケース９２は、軸線方向の一端側が開口した形状からなり、第一ケース９１の開口を閉塞する。第一ケース９１には、上記の導入口７２_IN、排出口７２_OUT及び７３_OUTが形成されている。一方で、第二ケース９２には、導入口７３_INが形成されている。ただし、第一ケース９１及び第二ケース９２に対する導入口７２_IN及び７３_IN、並びに排出口７２_OUT及び７３_OUTの配置は任意である。

第一ケース９１は、開口側の端部に、他の部位よりも肉厚の接合部位１０１を備えている。接合部位１０１の内壁は、フランジ部８５ｃの外壁との間をＯリング８４によってシールされている。一方、第二ケース９２は、開口側の端部に、軸線方向に直交する方向に突出するフランジ状の接合部位１０２を備えている。接合部位１０１及び接合部位１０２とは、それぞれの端面が整合するように接触し、複数個所をねじ１１０により締結される。また、接合部位１０１と接合部位１０２との間は、Ｏリング１０２によって端面シールされる。なお、Ｏリング１０２を装着するシール溝を接合部位１０１に形成したが、これを接合部位１０２に形成してもよい。

第一ケース９１及び第二ケース９２は、鋳造や押出し成形などの加工法により製造することができる。組み立てられた第一ケース９１及び第二ケース９２は、中空糸モジュール８０と同じ軸線Ｘ−Ｘ上に位置するようになっている。この場合、中空糸モジュール８０が挿入される第一ケース９１側の空間は、その開口側（接合部位１０１側）から同軸加工されることで、加工精度を向上できる。

以上説明した加湿器１５によれば、中空糸モジュール８０の全体をケーシング７１で覆うことができるので、中空糸モジュール８０を外部から保護できる。また、ケーシング７１を二分割構造としているので、ケーシング７１を構成する部品そのもの（すなわち、第一ケース９１及び第二ケース９２）の数を少なくできると共に、この部品間の接合に用いるねじ１１０の数も少なくて済むようになる。これにより、部品点数及び組付けの作業工数を減らすことができる。

また、ケーシング７１を第一ケース９１及び第二ケース９２の二部材とし、一方の第一ケース９１にのみ中空糸モジュール８０を収容する空間を設け、導入開口８６_IN及び排出開口８６_OUTの大きさ（長さ）を確保するようにしている。詳細には、導入開口８６_IN及び排出開口８６_OUTのそれぞれの長さを、ハウジング８３の長手方向の略半分の長さにまで設計できる。これにより、従来のように部品点数を増やすことなく、酸化ガスが導入開口８６_IN及び排出開口８６_OUTを通流するとの圧損を低減することができる。

なお、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り適宜変更を加えることができる。

例えば、ケーシング７１を二分割以外の構成としてもよい。
また、加湿器１５は、燃料電池２に供給される燃料ガスを加湿するものでもよい。加湿される乾燥ガス（第１ガス）を酸化ガス又は燃料ガスとした場合、これらの加湿に用いる湿潤ガス（第２ガス）は、酸化オフガス又は燃料オフガスに限らず、燃料電池２の運転とは無関係のガスであってもよい。さらに、中空糸膜８２の内側及び外側に流すガスは、加湿器１５への流入ガス及び加湿器１５からの流出ガスの組み合わせであれば、どちらを中空糸膜８２の内側に流してもよい。また、加湿器１５を燃料電池システム１以外のシステムに組み込むこともできる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の加湿器の内部を示す側断面図であり、中空糸モジュールの大部分を断面でなく側面で示す図である。 本発明の加湿器の中空糸膜の拡大断面図である。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、１５：加湿器、７１：ケーシング、７２_IN：導入口、７２_OUT：排出口、７３_IN：導入口、７３_OUT：排出口、８０：中空糸モジュール、８１：中空糸膜束、８２：中空糸膜、８３：ハウジング、８４：Ｏリング、８５ａ，８５ｂ，８５ｃ：フランジ部、８６_IN：導入開口、８６_OUT：排出開口、９１：第一ケース、９２：第二ケース

Claims (8)

1. 中空糸膜の内側と外側とに水分含有量の異なる二種類のガスを流すことにより、これらガス間で水分交換を行う加湿器において、
   前記二種類のガスが内部に導入されると共に外部に排出されるケーシングと、
   前記中空糸膜を複数本束ねてなる中空糸膜束を有し、前記ケーシング内に収容された中空糸モジュールと、を備え、
   前記ケーシングは、第１ケース及び第２ケースの二分割構造からなり、当該第１ケース及び第２ケースを接合して組立てられている、加湿器。
2. 前記第１ケース、前記第２ケース及び前記中空糸モジュールは、同軸上に位置している、請求項１に記載の加湿器。
3. 前記第１ケース及び第２ケースは、ネジ締結により接合されている、請求項１又は２に記載の加湿器。
4. 前記ケーシングには、
   前記二種類のガスの一方の第１ガス導入口及び第１ガス排出口と、
   前記二種類のガスの他方の第２ガス導入口及び第２ガス排出口と、が形成されており、
   前記第１ケースには、前記第１ガス導入口、第１ガス排出口、第２ガス導入口及び第２ガス排出口のうちの３つが形成され、前記第２ケースには、残りの１つが形成されている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の加湿器。
5. 前記中空糸モジュールは、前記中空糸膜束の外周を覆うと共に前記ケーシング内に収容される筒状のハウジングを更に有し、
   前記ハウジングの周壁には、前記二種類のガスの一方を前記中空糸膜束の外周側に導入する導入開口と、この導入されたガスを当該ハウジングの外周側へと排出する排出開口とが貫通形成され、
   前記導入開口は、前記ハウジングの長手方向の一方の略半部に形成され、
   前記排出開口は、前記ハウジングの長手方向の他方の略半部に形成されている、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の加湿器。
6. 前記ハウジングは、その長手方向の両端部と中間部とに、当該ハウジングの径方向外周側に張りだすフランジ部を有し、
   前記各フランジ部の外壁と前記ケーシングの内壁との間は、シール部材によりシールされており、
   前記導入開口は、一端側のフランジ部と中間部のフランジ部との間に亘って延在し、
   前記排出開口は、他端側のフランジ部と中間部のフランジ部との間に亘って延在している、請求項５に記載の加湿器。
7. 中空糸膜の内側と外側とに水分含有量の異なる二種類のガスを流すことにより、これらガス間で水分交換を行う加湿器において、
   前記二種類のガスが内部に導入されると共に外部に排出されるケーシングと、
   前記中空糸膜を複数本束ねてなる中空糸膜束と、
   前記中空糸膜束の外周を覆うと共に前記ケーシング内に収容される筒状のハウジングと、を備え、
   前記ハウジングの周壁には、前記二種類のガスの一方を前記中空糸膜束の外周側に導入する導入開口と、この導入されたガスを当該ハウジングの外周側へと排出する排出開口とが貫通形成され、
   前記導入開口は、前記ハウジングの長手方向の一方の略半部に形成され、
   前記排出開口は、前記ハウジングの長手方向の他方の略半部に形成されている、加湿器。
8. 酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される酸化ガス及び燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記加湿器として、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の加湿器が用いられている燃料電池システム。

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