JP2009064766A - 燃料電池用加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥空気の加湿量を調節でき、カソードのフラッディング現象を防止でき、カソードの空気供給の不足現象を解決できる燃料電池用加湿装置を提供する。
【解決手段】外から取り入れた乾燥空気の加湿を、燃料電池スタックから排出された過飽和加湿空気で行なうようにした燃料電池用加湿装置において、中空糸膜の直径が小さく気孔サイズが大きい膜加湿器と、相対的に中空糸膜の直径が大きく気孔サイズが小さい膜加湿器が具備され、乾燥空気が分岐されて各膜加湿器の中空糸膜の内部を通過した後、燃料電池スタックに供給されるように膜加湿器が、乾燥空気が流入される上流側流路と燃料電池スタックに連結された下流側流路に対して並列に配置され、直径が大きく気孔サイズが小さい中空糸膜の束が使用された膜加湿器の後段には燃料電池スタックに供給される加湿空気の排出流路を選択的に開閉する流路開閉弁が設置される。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池用加湿装置に係り、直径および気孔サイズが異なる２種の中空糸膜を使用するか、中空糸膜の個数を異にした複数の膜加湿器が具備され、燃料電池スタックから発生された電流量または車両の出力によって膜加湿器が選択的に利用されるように構成されることで、燃料電池スタックに供給される乾燥空気に対する加湿量が調節される燃料電池用加湿装置に関する。

燃料電池システムは燃料が持っている化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる一種の発電システムである。

燃料電池システムは大きく電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給システム、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中に酸素を供給する空気供給システム、燃料電池スタックの反応熱をシステム外部に除去し、燃料電池スタックの運転温度を制御する熱および水管理システムを含めて構成される。

このような構成により燃料電池システムでは燃料である水素と空気中の酸素の電気化学反応により電気を発生させ、反応副産物として熱と水を排出する。

一方、燃料電池システムでは円滑な化学反応のために加湿空気が必要であるが、通常、中空糸膜やフィルム形態の膜を利用して水を直接供給するか、燃料電池スタックから排出される過飽和加湿空気の水分を外気である乾燥空気側と交換させて加湿している。

図１は、従来の燃料電池用加湿装置により加湿空気が供給される状態を示した図面である。外気の乾燥空気をブロワー１により強制送風して、膜加湿器２を通過させ、燃料電池スタック３の出口から排出された水を含む過飽和加湿空気を膜加湿器に戻して通過させ、通過後に大気に排出し、過飽和加湿空気と乾燥空気間の水分交換により乾燥空気の加湿を行ない、ここで加湿された空気を再び燃料電池スタックに供給する。

この膜加湿器は、中空糸膜を利用した気体−気体膜加湿器（Ｇａｓ ｔｏ Ｇａｓ Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｈｕｍｉｄｉｆｉｅｒ）である。このような膜加湿器は、接触表面積が広い中空糸膜の高集積化が可能であり、小容量でも燃料電池スタックの加湿が十分に可能であり、膜加湿器を通して燃料電池スタックから高温で排出される未反応ガスに含まれた水分と熱を回収して再使用するため、燃料電池スタックの加湿に使用される水分とエネルギーを別に用意する必要がない。

燃料電池の運転中、性能に最も直接的な影響を及ぼす要因の一つは、燃料電池の核となる構成要素である膜−電極接合体（ＭＥＡ）の電解質膜と触媒層内のイオノマーに一定量以上の水分を供給して含水率を維持させることで、電解質膜とイオノマー自体が保有しているイオン伝導度の最大性能を得ることである。

ここで、膜加湿器２の役割は、燃料電池スタック３から高温で排出される未反応ガスに含まれる水分と熱を膜表面に通して、燃料電池スタックに供給される常温の乾燥した反応ガスに供給することで、燃料電池スタックの加湿と温度維持を達成することである。

燃料電池用膜加湿器の構成は、加湿された乾燥空気が通過する中空糸膜の束と、中空糸膜の束が収納され、燃料電池から排出された過飽和加湿空気が通過するように構成されたハウジングを主な構成とし、この時、ハウジングは乾燥空気と過飽和加湿空気が通過する入口と出口を有するほぼ円筒形構造となっている。

以下、従来の加湿装置が有する問題点を説明する。

低電流領域では十分な加湿が必要であるが、高電流領域、高出力領域ではカソードに生成される水の量が多くなる。

このように、高電流、高出力領域でカソードに生成される水の量が多くなると、カソードでの物質伝達抵抗を増加させるためフラッディングの原因となり、カソードで多量の水が空気の供給を妨げるため、空気の供給が不足するという現象が発生し、結局、燃料電池触媒の劣化を加速化させ燃料電池の耐久性を大きく低下させるものとなる。

従って、高電流、高出力領域ではむしろ加湿量を減らす必要がある。しかし、従来の膜加湿器は、低電流領域と高電流領域において加湿量の差があまりなく、高電流領域でも低電流領域と類似した水準であるＲＨ＝８０％以上の加湿性能を有している。

さらに、高電流領域では空気の供給流量が多くなるに従って、圧力が大きくなり、ブロワーに負荷がかかるという問題がある。
特開２００２−７５４２２号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、直径および気孔サイズが異なる２種の中空糸膜を使用したあるいは中空糸膜の個数を異にした複数の膜加湿器を具備し、電流量または出力によって膜加湿器が選択的に利用されるように構成することで、膜加湿器の選択利用によって乾燥空気に対する加湿量を適切に調節することができ、これによりカソードで発生可能なフラッディング現象を効果的に防止することができ、性能減少およびカソードの局部的な空気供給の不足現象など従来の複数の問題点を解決できる燃料電池用加湿装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明による請求項１に記載の燃料電池量加湿装置は、燃料電池スタックに供給される乾燥空気が通過する中空糸膜の束がハウジングに内装されるとともに、前記ハウジングに燃料電池スタックの出口から排出された過飽和加湿空気が通過するように構成され、中空糸膜の内部を通過する乾燥空気とハウジング内部を通過する過飽和加湿空気間の水分交換により乾燥空気の加湿が行われる膜加湿器を含む燃料電池用加湿装置において、中空糸膜の直径が小さく気孔サイズが大きい膜加湿器と、相対的に中空糸膜の直径が大きく気孔サイズが小さい膜加湿器が具備され、乾燥空気が分岐されて各膜加湿器の中空糸膜の内部を通過した後、燃料電池スタックに供給されるように前記膜加湿器が、乾燥空気が流入される上流側流路と燃料電池スタックに連結された下流側流路に対して並列に配置され、直径が大きく気孔サイズが小さい中空糸膜の束が使用された膜加湿器の後段には燃料電池スタックに供給される加湿空気の排出流路を選択的に開閉する流路開閉弁を設置することを特徴とする。

そして、本発明による請求項５に記載の燃料電池量加湿装置は、燃料電池スタックに供給される乾燥空気が通過する中空糸膜の束がハウジングに内装されるとともに、前記ハウジングに燃料電池スタックの出口から排出された過飽和加湿空気が通過するように構成され、中空糸膜の内部を通過する乾燥空気とハウジングの内部を通過する過飽和加湿空気間の水分交換により乾燥空気の加湿が行われる膜加湿器を含む燃料電池用加湿装置において、同種の中空糸膜を使用し、中空糸膜の個数を異にした膜加湿器が具備され、乾燥空気が分岐されて各膜加湿器の中空糸膜の内部を通過した後、燃料電池スタックに供給されるように前記膜加湿器が、乾燥空気が流入される上流側流路と燃料電池スタックに連結された下流側流路に対して並列に配置され、中空糸膜の個数が相対的に少ない膜加湿器の後段には燃料電池スタックに供給される加湿空気の排出流路を選択的に開閉する流路開閉弁を設置することを特徴とする。

好ましい実施例より、前記流路開閉弁が一定圧力以上の空気圧が作用する場合、流路が自動開閉される圧力弁であることを特徴とする。

さらに好ましい実施例より、前記流路開閉弁が外部の電気的シグナルが印加されることによって流路を開閉する電子式弁であり、燃料電池スタックで発生されて出力される電流量をセンシングする電流センサーと、前記電流センサーの出力シグナルから高電流領域を判断し、高電流領域において前記電子式弁を開放させるための制御シグナルを出力する制御装置をさらに具備して構成されることを特徴とする。

さらに好ましい実施例より、前記流路開閉弁が外部の電気的シグナルが印加されることによって流路を開閉する電子式弁であり、運転者が操作する加速ペダルの加圧量をセンシングするペダルセンサーと、前記ペダルセンサーの出力シグナルから高出力領域を判断し、高出力領域で前記電子式弁を開放させるための制御シグナルを出力する制御装置をさらに具備して構成されることを特徴とする。

本発明の燃料電池用加湿装置によれば、直径および気孔サイズが異なる２種の中空糸膜を使用するか、あるいは中空糸膜の個数を異にした複数の膜加湿器が具備され、燃料電池スタックから発生された電流量または要求される車両出力によって膜加湿器が選択的に利用するように構成したので、燃料電池スタックに供給される空気の加湿量を、電流量または出力によって適切に調節することができる。

特に、低流量と高流量での必要な加湿性能を状況によって適切に調節することができるので、燃料電池スタックのカソードで発生するフラッディングを防止し、フラッディングによる性能低下およびカソードの局部的な空気供給の不足現象を防止することができる。

また、空気供給の不足現象による触媒劣化および耐久性の低下を防止し、高流量下での膜加湿器の圧力を減らし、空気供給器（ブロワー）の負荷を減少させる効果がある。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について詳しく説明する。

本発明は、燃料電池スタックが生産する電流量または車両出力によって乾燥空気に対する加湿量を調節することができる燃料電池用加湿装置に関する。

図２と図３は、本発明による燃料電池用加湿装置の構成および作動状態を示す概略図である。図２は低電流および低出力領域での作動状態を、図３は高電流および高出力領域での作動状態を示したものである。

本発明では複数の膜加湿器２１、２２が具備され、膜加湿器２１、２２は互いに中空糸膜２１ａ、２２ａの直径および気孔サイズが相違する。

各膜加湿器２１、２２のハウジングには、中空糸膜２１ａ、２２ａを束で構成された中空糸膜の束が置かれるが、複数で構成される膜加湿器ごとに、使用される中空糸膜の直径および気孔サイズが互いに相違する。すなわち、膜加湿器２１、２２が互いに種類が異なる中空糸膜を使用する。

本発明の好ましい実施例では、図２および図３に示されるように、２種の中空糸膜が使用された２個の膜加湿器２１、２２が具備され、２つの膜加湿器２１、２２のうち一つには直径が小さく気孔サイズが大きい中空糸膜２１ａを束で使用し、残りの一つは直径が相対的に大きく気孔サイズが相対的に小さい中空糸膜２２ａを束で使用する。

以下、本明細書では直径が小さく気孔サイズが大きい中空糸膜２１ａを使用した膜加湿器２１を第１膜加湿器で、相対的に直径が大きく気孔サイズが小さい中空糸膜２２ａを使用した膜加湿器２２を第２膜加湿器と称する。

図４は、本発明の加湿装置において、２種の中空糸膜の束を使用した膜加湿器の使用状態図であり、第１膜加湿器２１の場合、直径が小さい中空糸膜２１ａを使用し、第２膜加湿器２２の場合、直径が大きい中空糸膜２２ａを使用する。中空糸膜の数は、直径が大きい中空糸膜２２ａを使用する第２膜加湿器２２で相対的に少ない数の中空糸膜が使用される。

ここで２つの膜加湿器２１、２２は、ブロワー１０で連結される乾燥空気の流路と燃料電池スタック３０に連結される加湿空気の流路に対して並列に配置され、燃料電池スタック３０の出口で連結される過飽和加湿空気の流路に対しては直列に配置される。

このために、各膜加湿器２１、２２の上流側流路およびハウジング入口を通して流入された乾燥空気は、各膜加湿器のハウジング内に収納された中空糸膜２１ａ、２２ａの内部に沿って通過した後、各膜加湿器のハウジング出口を通って排出され、燃料電池スタック３０の入口に連結された各膜加湿器の下流側流路に沿って流れ、燃料電池スタック３０の出口から出てきた過飽和加湿空気は、燃料電池スタックの出口から連結された流路を通って、第１膜加湿器２１のハウジング内部を通過した後、第２膜加湿器２２のハウジング内部を連続的に通過して大気に放出される。このように２つの膜加湿器２１、２２のハウジング内部の過飽和加湿空気の流路は、互いに連通されていなければならない。

これによって、ブロワー１０により強制送風される乾燥空気が第１膜加湿器２１と第２膜加湿器２２により分岐されて通過することができ、燃料電池スタック３０の出口から排出される過飽和加湿空気が第１膜加湿器２１と第２膜加湿器２２を順に通過することができる。

この時、第１膜加湿器２１と第２膜加湿器２２を順に通過する過飽和加湿空気と各膜加湿器の中空糸膜の内部を通過する乾燥空気間の水分交換により乾燥空気の加湿が行われ、加湿された空気が流路を通して燃料電池スタック３０に供給される。

そして、第２膜加湿器２２の後段には、逆流を防止しながら膜加湿器の後段の排出流路を選択的に開閉する流路開閉弁２３が設置される。流路開閉弁２３としては、第２膜加湿器２２を通過する空気の圧力が一定以上に上昇する場合に排出流路を開放する手動型の圧力弁が使用される。

圧力状態によって流路を開閉する通常の逆流防止型圧力弁としては、流路内の流体により加えられる圧力およびスプリング力により開閉が行われる圧力弁が広く使用されている。このような公知の圧力弁は、流体が設定圧力以上の圧力になるとスプリングが伸縮して弁内の流路が開かれ、設定圧力以下の圧力に低下するとスプリングがその弾性により戻り、再び弁内の流路が遮断される。

さらに、第２膜加湿器２２の後段の流路開閉弁２３としては、電気的シグナルにより動作して排出流路を開閉する電子式弁が使用される。このような電子式弁は、別に設けられる制御装置９から出力される制御シグナルにより能動的に制御される弁であり、通常のスロットル弁のように、電気的シグナルによりアクチュエータが駆動され、アクチュエータの駆動によりフラップが回転して流路を開閉する電子式弁である。

まず、低電流、低出力領域では、ブロワー１０により送風される空気の流量が少なく、相対的に少量の加湿空気が燃料電池スタック３０に供給される。デフォルトの第２膜加湿器２２の流路開閉弁２３が閉じられた状態では、第１膜加湿器２１のみをブロワーにより送風された乾燥空気が通過し、第１膜加湿器２１により加湿された空気が燃料電池スタックに供給される。

このように低電流、低出力領域では、直径が小さく気孔サイズが大きく多数の中空糸膜２１ａを使用した第１膜加湿器２１を通して十分な量の加湿がなされるようにする。

ここで、流路開閉弁２３として、流体の圧力状態により流路が開閉される手動型圧力弁を使用した場合、低電流、低出力領域では低流量空気の圧力が作用するため、圧力弁が閉められた状態となる。このような低流量では、第２膜加湿器２２の排出流路が遮断されることで直径が大きく気孔サイズが小さい中空糸膜２２ａの束には空気が流れない。

一方、ブロワー１０により送付される空気の流量が多い高電流、高出力領域では、第２膜加湿器２２の流路開閉弁２３が開かれた状態となり、ブロワー１０により送風された乾燥空気は、分岐された後に第１膜加湿器２１と第２膜加湿器２２を同時に通過し、第１膜加湿器２１および第２膜加湿器２２により加湿された空気が燃料電池スタック３０に供給される。

このように、高電流、高出力領域では中空糸膜２１ａの直径が小さく気孔サイズが大きい第１膜加湿器２１と、中空糸膜２２ａの直径が大きく気孔サイズが小さい第２膜加湿器２２を共に使用して空気が加湿されるようにすることで、加湿量を適切に調節することができる。

ここで、高電流、高出力領域では、ブロワー１０により送風される空気の流量が多いため、高流量空気の圧力が作用してスプリング式圧力弁タイプの流路開閉弁２３が開放される。結局、高流量では、分配された一部の空気が第２膜加湿器２２の中空糸膜２２ａの束を通過し、高流量で加湿器の背圧を減らすと同時に、全体的には加湿量の減った空気が、燃料電池スタック３０に供給される。

このように、スプリング式圧力弁の流路開閉弁が使用された場合には、高電流、高出力領域で、空気圧力が一定圧力以上に増加すると、流路開閉弁が自動で開放される。

そして、流路開閉弁２３として、制御装置の電気的シグナルにより開閉される電子式弁が使用された場合には、図５に示すように、制御装置９が、燃料電池スタック３０から出力される電流量をセンシングする電流センサー８の値から高電流領域を判断する。その場合、制御装置９が高電流領域で流路開閉弁２３を開放させるための制御シグナルを出力し、この制御シグナルにより流路開閉弁２３が開放される。

別の方法として、制御装置９が、運転者が操作する加速ペダルの加圧量（ペダル作動量）をセンシングするペダルセンサー８１から入力されるシグナルに基き、加速ペダルの加圧量から高出力領域を判断し、高出力領域で流路開閉弁２３を開放させるための制御シグナルを出力し、この制御シグナルにより流路開閉弁２３が開放されるようにすることもできる。

この場合、第１膜加湿器２１と第２膜加湿器２２が空気を加湿させるのに同時に使用される。

もちろん、電流センサー８またはペダルセンサー８１の検出値によって低電流、低出力領域を判断した場合、制御装置９は、流路開閉弁２３を閉めるための制御シグナルを出力し、この制御シグナルにより、流路開閉弁が閉作動されるようにする。

この場合、第２膜加湿器２２の流路が遮断されるため、第１膜加湿器２１によってのみ空気が加湿される。

先に互いに異なる中空糸膜を使用した２つの膜加湿器の使用例を説明したが、本発明の他の実施例として、２つの膜加湿器に使用する中空糸膜の種類は同一として、２つの膜加湿器に内装された中空糸膜の数を異にする場合にも、本発明の目的を達成することができる。

すなわち、中空糸膜は同一種類を使用するが、膜加湿器間で中空糸膜の個数を互いに調節することで、意図する加湿量の調節を行うことが可能となる。

まず、第１膜加湿器には中空糸膜の数を相対的に少なくし、第２膜加湿器には中空糸膜の数を相対的に多く使用する。

このように、第１膜加湿器と第２膜加湿器の中空糸膜の個数を異にするが、第２膜加湿器に流路開閉弁を設置して、残りの構成要素に対しては同一にする。

このような本発明の実施例において、流路開閉弁などの作動状態、それによる作用効果は先に説明したところと全て同一である。

このようにして、本発明では直径および気孔サイズが異なる２種の中空糸膜を使用した複数の膜加湿器を具備し、燃料電池スタックの電流量または車両出力によって膜加湿器を選択的に利用するように構成されることで、燃料電池で必要な空気の加湿量を適切に調節することができる。

本発明は、燃料電池スタックに供給される乾燥空気の加湿量が調節できる燃料電池用加湿装置として好適である。

従来の燃料電池用加湿装置により加湿空気が供給される状態を示した図面である。 本発明による燃料電池用加湿装置の構成および作動状態を示した概略図であり、低電流および低出力領域での作動状態を図示した図面である。 本発明による燃料電池用加湿装置の構成および作動状態を示した概略図であり、高電流および高出力領域での作動状態を示した図面である。 本発明の加湿装置において、２種の中空糸膜の束を使用した膜加湿器の使用状態図である。 本発明においての流路開閉弁として、制御装置の電気的シグナルにより開閉される電子式弁が採用された構成の一例を示したブロック図である。

符号の説明

１０ ブロワー
２１ 第１膜加湿器
２１ａ 中空糸膜
２２ 第２膜加湿器
２２ａ 中空糸膜
２３ 流路開閉弁
３０ 燃料電池スタック

Claims (8)

1. 燃料電池スタックに供給される乾燥空気が通過する中空糸膜の束がハウジングに内装されるとともに、前記ハウジングに燃料電池スタックの出口から排出された過飽和加湿空気が通過するように構成され、中空糸膜の内部を通過する乾燥空気とハウジング内部を通過する過飽和加湿空気間の水分交換により乾燥空気の加湿が行われる膜加湿器を含む燃料電池用加湿装置において、
   中空糸膜の直径が小さく気孔サイズが大きい膜加湿器と、相対的に中空糸膜の直径が大きく気孔サイズが小さい膜加湿器が具備され、乾燥空気が分岐されて各膜加湿器の中空糸膜の内部を通過した後、燃料電池スタックに供給されるように前記膜加湿器が、乾燥空気が流入される上流側流路と燃料電池スタックに連結された下流側流路に対して並列に配置され、直径が大きく気孔サイズが小さい中空糸膜の束が使用された膜加湿器の後段には燃料電池スタックに供給される加湿空気の排出流路を選択的に開閉する流路開閉弁を設置することを特徴とする燃料電池用加湿装置。
2. 前記流路開閉弁が一定圧力以上の空気圧が作用する場合、流路が自動開閉される圧力弁であ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。
3. 前記流路開閉弁が外部の電気的シグナルが印加されることによって流路を開閉する電子式弁であり、
   燃料電池スタックで発生されて出力される電流量をセンシングする電流センサーと、前記電流センサーの出力シグナルから高電流領域を判断し、高電流領域で前記電子式弁を開放させるための制御シグナルを出力する制御装置をさらに具備して構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加湿装置。
4. 前記流路開閉弁が外部の電気的シグナルが印加されることによって流路を開閉する電子式弁であり、
   運転者が操作する加速ペダルの加圧量をセンシングするペダルセンサーと、前記ペダルセンサーの出力シグナルから高出力領域を判断し、高出力領域で前記電子式弁を開放させるための制御シグナルを出力する制御装置をさらに具備して構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加湿装置。
5. 燃料電池スタックに供給される乾燥空気が通過する中空糸膜の束がハウジングに内装されるとともに、前記ハウジングに燃料電池スタックの出口から排出された過飽和加湿空気が通過するように構成され、中空糸膜の内部を通過する乾燥空気とハウジングの内部を通過する過飽和加湿空気間の水分交換により乾燥空気の加湿が行われる膜加湿器を含む燃料電池用加湿装置において、
   同種の中空糸膜を使用し、中空糸膜の個数を異にした膜加湿器が具備され、乾燥空気が分岐されて各膜加湿器の中空糸膜の内部を通過した後、燃料電池スタックに供給されるように前記膜加湿器が、乾燥空気が流入される上流側流路と燃料電池スタックに連結された下流側流路に対して並列に配置され、中空糸膜の個数が相対的に少ない膜加湿器の後段には燃料電池スタックに供給される加湿空気の排出流路を選択的に開閉する流路開閉弁を設置することを特徴とする燃料電池用加湿装置。
6. 前記流路開閉弁が一定圧力以上の空気圧が作用する場合、流路が自動開閉される圧力弁であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用加湿装置。
7. 前記流路開閉弁が外部の電気的シグナルが印加されることによって流路を開閉する電子式弁であり、
   燃料電池スタックで発生されて出力される電流量をセンシングする電流センサーと、前記電流センサーの出力シグナルから高電流領域を判断し、高電流領域で前記電子式弁を開放させるための制御シグナルを出力する制御装置をさらに具備して構成されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用加湿装置。
8. 前記流路開閉弁が外部の電気的シグナルが印加されることによって流路を開閉する電子式弁であり、
   運転者が操作する加速ペダルの加圧量をセンシングするペダルセンサーと、前記ペダルセンサーの出力シグナルから高出力領域を判断し、高出力領域で前記電子式弁を開放させるための制御シグナルを出力する制御装置をさらに具備して構成されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用加湿装置。

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