JP2010112568A

JP2010112568A - 加湿装置

Info

Publication number: JP2010112568A
Application number: JP2008282888A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nagumo; 健司南雲; Toshikatsu Katagiri; 敏勝片桐; Yohei Hidaka; 洋平日高; Takumoto Ikada; 拓素井加田; Satoshi Iitaka; 智飯高
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2010-05-20

Abstract

【課題】好適に加湿可能な加湿装置を提供する。
【解決手段】複数の中空糸膜１２が束ねられてなる中空糸膜束１１と、ケース２１と、を有し、空気が中空糸膜束１１の前端側から中空糸膜１２内に流入し、カソードオフガスがケース２１内であって中空糸膜１２外を通流する加湿器１０と、中空糸膜束１１内におけるカソードオフガスの通流領域Ｒに対応して、空気が中空糸膜１２内を通流するように、中空糸膜束１１の前端側における空気の流入領域Ｓを可変する板状体４１及び板状体４１を回動させるサーボモータ５１を有する流入領域可変手段と、を備える加湿装置１である。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池等に供給される空気等の流体を加湿する加湿器を備える加湿装置に関する。

固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池においては、燃料電池を構成する電解質膜の湿潤状態を確保するべく、水素（燃料ガス）、酸素を含む空気（酸化剤ガス）を加湿する加湿器が必要とされる。このような加湿器は、中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、中空糸膜束を収容するケースとを備え、例えば、燃料電池に向かう加湿すべき空気が中空糸膜内を、燃料電池のカソードから排出された多湿のカソードオフガスが中空糸膜外を、それぞれ通流する（特許文献１参照）。

特開２００６−３０６９号公報

ところが、ケース内に流入し中空糸膜束に向かうカソードオフガスの流量が少ない場合、カソードオフガスの流れが、中空糸膜束の輪切り断面方向において、ばらついてしまう。すなわち、この流量の少ないカソードオフガスは、中空糸膜束内の全体に行き渡らず、例えば、カソードオフガスの流入部から近い部分に偏ってしまう。そして、このようにカソードオフガスが偏って通流すると、カソードオフガスの未通流の部分における中空糸膜内を通流する空気が好適に加湿されない虞がある。

そこで、本発明は、好適に加湿可能な加湿装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容する筒状のケースと、を有し、第１流体が前記中空糸膜束の一端側から前記中空糸膜内に流入し、前記第１流体と異なる湿度の第２流体が、前記中空糸膜束の外周面に向かって流入した後、前記ケース内であって前記中空糸膜外を通流する加湿器と、前記中空糸膜束内における第２流体の通流領域に対応して、第１流体が前記中空糸膜内を通流するように、前記中空糸膜束の一端側における第１流体の流入領域を可変する流入領域可変手段と、を備えることを特徴とする加湿装置である。

ここで、「前記中空糸膜束内における第２流体の通流領域に対応して、第１流体が前記中空糸膜内を通流する」とは、その外を第２流体が通流する中空糸膜内を、第１流体が通流することを意味する。
このような加湿装置によれば、流入領域可変手段が、中空糸膜束内における第２流体の通流領域に対応して、第１流体が中空糸膜内を通流するように、中空糸膜束の一端側における第１流体の流入領域を可変する。これにより、ケース内において、第１流体は、外を第２流体が通流する中空糸膜内を通流する。したがって、中空糸膜を介して、湿度が低い第１流体又は第２流体を好適に加湿できる。

また、前記流入領域可変手段は、前記中空糸膜束の一端側の近傍で回動軸周りに回動することで前記流入領域を可変する板状の板状体と、前記中空糸膜束内における第２流体の通流領域に対応して前記板状体を回動させる駆動手段と、を備えることを特徴とする加湿装置である。

このような加湿装置によれば、駆動手段が、第２流体の通流領域に対応して、板状体を回動することにより、中空糸膜束の一端側における第１流体の流入領域を可変できる。

また、前記流入領域可変手段は、前記中空糸膜の一端側の近傍において、第１流体が通流する流路を囲み、変形することで前記流入領域を可変する可撓性を有する壁部と、前記中空糸膜束内における第２流体の通流領域に対応して前記壁部を変形させる駆動手段と、を備えることを特徴とする加湿装置である。

このような加湿装置によれば、駆動手段が、第２流体の通流領域に対応して、壁部を変形することにより、中空糸膜束の一端側における第１流体の流入領域を可変できる。

本発明によれば、好適に加湿可能な加湿装置を提供することができる。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図５を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
まず、第１実施形態に係る加湿装置が組み込まれた燃料電池システム１００の構成について、図１を参照して説明する。
燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されており、燃料電池スタック１１０と、水素タンク１２１と、コンプレッサ１３１と、加湿器１０を有する加湿装置１と、アクセル６１と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

燃料電池スタック１１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１１１及びカソード流路１１２が形成されている。

そして、水素が、水素タンク１２１から、配管１２１ａ、アノード流路１１１を介してアノードに供給され、酸素を含む空気が、外気を吸気するコンプレッサ１３１から、配管１３１ａ、加湿器１０、配管１３１ｂ、カソード流路１１２を介してカソードに供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０が発電可能な状態となる。

このように発電可能な状態の燃料電池スタック１１０と、外部負荷（例えば走行用のモータ）とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。

また、アノード流路１１１から排出されたアノードオフガスは、配管１２１ｂを介して、希釈器１３２に排出されるようになっている。一方、カソード流路１１２から排出されたカソードオフガスは、配管１３１ｃ、加湿器１０、配管１３２ａを介して、希釈器１３２に排出され、希釈器１３２においてアノードオフガス中の未消費の水素を希釈するようになっている。そして、希釈後のガスは、配管１３２ｂを介して、車外に排出されるようになっている。
なお、カソードオフガスは、カソードにおける電極反応により生成する水蒸気（水分）により多湿である。また、生成した水蒸気の一部は電解質膜をアノード側に透過するので、アノードオフガスも多湿である。

このようにコンプレッサ１３１から吐出された空気は、加湿器１０で加湿された後、カソード流路１１２に供給され、燃料電池スタック１１０の発電に寄与した後、カソードオフガスとして、カソード流路１１２から排出され、加湿器１０に流入する。すなわち、コンプレッサ１３１から吐出された空気は、途中で分岐等することなく、カソードオフガスとして加湿器１０に流入する。したがって、加湿器１０に流入するカソードオフガスの流量は、コンプレッサ１３１から吐出される空気の流量や、コンプレッサ１３１の回転速度と比例関係となる。

次に、加湿装置１の具体的構成について、図２〜図４を参照して説明する。ここで、明確に説明するために、図２を基準として、前、後、左、右、上、下を設定する。
加湿装置１は、加湿器１０と、板状体４１（図３参照）と、サーボモータ５１（駆動手段）とを備えている。

加湿器１０は、コンプレッサ１３１からカソード流路１１２に向かう加湿すべき空気（第１流体）を、カソード流路１１２から排出された多湿のカソードオフガス（第２流体）で加湿するものであって、その外形は図２示すように略直方体を呈している。すなわち、カソード流路１１２に向かう空気の湿度と、カソードオフガスの湿度とは異なり、カソードオフガスの湿度が高くなっている。

図３に示すように、加湿器１０は、中空糸膜束１１と、中空糸膜束１１を収容する四角筒状のケース２１とを備えている。なお、中空糸膜束１１とケース２１との軸方向（長手方向）は略一致している。

中空糸膜束１１は、ポリイミド等から形成され、水分透過性を有する中空糸膜１２が、複数本（例えば１０〜１００００本）にて束ねられたものである。
ケース２１は、その内部に、中空糸膜束１１を収容する四角筒状の容器であり、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）等の硬質樹脂から形成されている。

中空糸膜束１１の前側及び後側は、エポキシ樹脂等から形成されるポッティング部１３、１３（封止部）を介して、ケース２１に固定されている。そして、ケース２１の前側には前キャップ３１が取り付けられており、ケース２１の後側には後キャップ３３が取り付けられている。

そして、コンプレッサ１３１からの空気は、前キャップ３１の空気流入部３２から前キャップ３１内を通って各中空糸膜１２内に流入し、各中空糸膜１２内を後方に向かって通流した後、後キャップ３３内を通って、後キャップ３３の空気流出部３４から外部（配管１３１ｂ、図１）に流出するようになっている。

一方、カソードオフガスは、四角筒状を呈するケース２１の天壁部２２（周壁部の一部）の後側に形成されたオフガス流入部２２ａ（第２流体流入部）から、下方に向かって、つまり、中空糸膜束１１の上面１４（外周面の一部）に向かって流入するようになっている。このように流入したカソードオフガスは、中空糸膜１２外であってケース２１（中空糸膜束１１）内を前方に向かって通流した後、ケース２１の底壁部２３の前側に形成されたオフガス流出部２３ａから外部（配管１３２ａ、図１）に流出するようになっている。

すなわち、加湿すべき燃料電池スタック１１０に向かう空気が中空糸膜１２内を後方に向かって通流し、多湿のカソードオフガスが中空糸膜１２外を前方に向かって通流するように構成されている。つまり、空気の通流方向とカソードオフガスの通流方向とは対向しており、空気が効率的に加湿されるようになっている。

また、カソードオフガスは、その流量が多くなると、図４に示すように、上下方向（カソードオフガスの流入方向）において中空糸膜束１１の下側まで流入し、中空糸膜束１１内の全体を前方に向かって通流する傾向を有している。つまり、カソードオフガスの流量が多くなると、中空糸膜束１１内におけるカソードオフガスの通流領域Ｒは大きくなる。

一方、その流量が少なくなると、カソードオフガスは、図３に示すように、上下方向において中空糸膜束１１の下側には流入できず、オフガス流入部２２ａから近い中空糸膜束１１の上側部分内を前方に向かって通流する傾向を有している。つまり、カソードオフガスの流量が少なくなると、中空糸膜束１１内におけるカソードオフガスの通流領域Ｒは小さくなる。

このような加湿器１０に流入するカソードオフガスの流量と、中空糸膜束１１内におけるカソードオフガスの通流領域Ｒと関係は、中空糸膜束１１を構成する中空糸膜１２の充填密度、中空糸膜束１１の高さ（上下長さ）、オフガス流入部２２ａの内径等に依存し、事前試験やシミュレーションによって取得される。
そして、カソードオフガスの通流領域Ｒと、後記する空気の流入領域Ｓ（板状体４１の開度）との関係も事前試験等によって取得される。

板状体４１は、中空糸膜束１１の前端側（一端側）における空気の流入領域Ｓを可変するものであって、板状を呈している。そして、板状体４１は、中空糸膜束１１の前側の近傍であって、回動軸４２を介して前キャップ３１の前壁部に取り付けられており、回動軸４２周りに回動自在となっている。

サーボモータ５１（ＤＣモータ）は、ＥＣＵ７０からの指令に従って、板状体４１を回動するものであり、前キャップ３１に取り付けられている。なお、サーボモータ５１の出力軸（図示しない）は、図示しない減速機構を介して、板状体４１の回動軸４２に接続されており、サーボモータ５１が作動すると、板状体４１が回動し、流入領域Ｓが可変されるようになっている。

図１に戻って説明を続ける。
アクセル６１は、運転者が燃料電池自動車を加速させる場合に踏み込まれるペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセル６１は、アクセル開度（踏み込み量）をＥＣＵ７０に出力するようになっている。
なお、アクセル開度が大きくなると、燃料電池スタック１１０に対する要求発電量が大きくなり、アクセル開度が小さくなると要求発電量が小さくなる。

ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１００を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。なお、ＥＣＵ７０は、加湿装置１に内蔵される構成でもよい。

また、ＥＣＵ７０は、アクセル開度等の発電要求量に基づいて、燃料電池システム１００を制御する機能を備えている。例えば、ＥＣＵ７０は、アクセル開度が大きく、発電要求量が大きくなるほど、コンプレッサ１３１の回転速度を高め、カソード流路１１２に空気を大流量で供給するように設定されている。

さらに、ＥＣＵ７０は、前記したように、加湿器１０に流入するカソードオフガスの流量と、コンプレッサ１３１の回転速度とが比例関係となることから、コンプレッサ１３１に指令する回転速度に基づいて、加湿器１０に流入するカソードオフガスの流量を算出する機能を備えている。

さらにまた、ＥＣＵ７０は、加湿器１０に流入するカソードオフガスの流量と、図５のマップとに基づいて、サーボモータ５１を制御して板状体４１を回動し、中空糸膜束１１内におけるカソードオフガスの通流領域Ｒに対応して、空気が中空糸膜１２内を通流するように、中空糸膜束１１の前端側（一端側）における空気の流入領域Ｓ（板状体４１の開度）を可変する機能を備えている。
なお、図５のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。

すなわち、図３に示すように、カソードオフガスの流量が少なくなると（コンプレッサ１３１の回転速度が低くなると）、カソードオフガスがオフガス流入部２２ａに近い中空糸膜束１１の上側部分内を通流し、カソードオフガスの通流領域Ｒが小さくなるので、これに対応して、空気が上側の中空糸膜１２内に流入するように、流入領域Ｓを小さくする機能を備えている。

一方、カソードオフガスの流量が多くなると（コンプレッサ１３１の回転速度が高くなると）、図４に示すように、カソードオフガスが、中空糸膜束１１内の全体を通流し、カソードオフガスの通流領域Ｒが大きくなるので、これに対応して、空気が全ての中空糸膜１２内に流入するように、流入領域Ｓを大きくする機能を備えている。

すなわち、中空糸膜束１１内におけるカソードオフガスの通流領域Ｒに対応して、空気が中空糸膜１２内を通流するように、中空糸膜束１１の前端側における空気の流入領域Ｓを可変する流入領域可変手段は、板状体４１と、サーボモータ５１と、ＥＣＵ７０とを備えて構成されている。

≪燃料電池システムの作用効果≫
次に、燃料電池システム１００の作用効果について、図３、図４を参照して説明する。
図３に示すように、アクセル開度が小さく、加湿器１０に流入するカソードオフガスの流量が少ない場合、この流量の少ないカソードオフガスは、中空糸膜束１１の上側部分内を前方に向かって通流する（通流領域Ｒ：小）。
これに対応して、ＥＣＵ７０は板状体４１を回動して空気の流入領域Ｓ（板状体４１の開度）を小さくし（矢印Ａ１参照）、外をカソードオフガスが通流する上側の中空糸膜１２内に空気を流入させる。これにより、加湿すべき空気が通流する中空糸膜１２の外を多湿のカソードオフガスが通流することになり、空気を好適に加湿できる。

一方、図４に示すように、アクセル開度が大きく、加湿器１０に流入するカソードオフガスの流量が多い場合、この流量の多いカソードオフガスは、中空糸膜束１１内の全体を前方に向かって通流する（通流領域Ｒ：大）。
これに対応して、ＥＣＵ７０は板状体４１を回動して空気の流入領域Ｓ（板状体４１の開度）を大きくし（矢印Ａ２参照）、外をカソードオフガスが通流する全ての中空糸膜１２内に空気を流入させる。これにより、加湿すべき空気を、中空糸膜１２から大きく圧力損失を受けずに通流させつつ、多湿のカソードオフガスにより好適に加湿できる。
なお、ここでは、空気の流入領域Ｓ、カソードオフガスの通流領域Ｒが、大小である２段階を例示しているが、図５のマップに従って、空気の流入領域Ｓを無段階、つまり線形的に制御してよいことは言うまでもない。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図６〜図７を参照して説明する。
第２実施形態に係る加湿装置２の加湿器１０Ａを構成する前キャップ３１の下壁部３５はゴム製であり、可撓性を有している。そして、この下壁部３５が、加湿器１０Ａに流入するカソードオフガスの流量に対応して変形することで、中空糸膜束１１に流入する空気の流入領域Ｓが可変するようになっている。
なお、前キャップ３１の下壁部３５は、中空糸膜束１１の前端側の近傍において、空気が通流する流路（前キャップ３１内）を囲む流路壁部である。

また、第２実施形態に係る加湿装置２は、ＥＣＵ７０からの指令に従って、前キャップ３１の下壁部３５を、カソードオフガスの流量に対応して変形する駆動装置５２（駆動手段）を備えている。駆動装置５２は、ブラケット（図示しない）を介して前キャップ３１に取り付けられると共に、ソレノイド５３と、ソレノイド５３によって進退する出力軸５４を備えている。出力軸５４の上端は前キャップ３１の下壁部３５に固定されると共に、出力軸５４は圧縮コイルばね５５によって上向きに付勢されている。

そして、図６に示すように、加湿器１０Ａに流入するカソードオフガスの流量が少ない場合、ＥＣＵ７０はソレノイド５３をＯＦＦする。そうすると、出力軸５４は、圧縮コイルばね５５に付勢され、上方に前進すると共に、下壁部３５を上方に押す（矢印Ａ３参照）。これにより、可撓性を有する下壁部３５は変形しつつ上方に移動し、空気の流入領域Ｓが小さくなる。したがって、空気が、その外をカソードオフガスが通流する上側の中空糸膜１２内に流入する

一方、図７に示すように、加湿器１０Ａに流入するカソードオフガスの流量が多い場合、ＥＣＵ７０はソレノイド５３をＯＮする。そうすると、出力軸５４は、下方に後退すると共に、下壁部３５を下方に引っ張る（矢印Ａ４参照）。これにより、下壁部３５は変形しつつ下方に移動し、空気の流入領域Ｓが大きくなる。したがって、空気が、その外をカソードオフガスが通流する全ての中空糸膜１２内に流入する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
前記した各実施形態では、空気が中空糸膜１２内を通流し、カソードオフガスが中空糸膜１２外を通流する構成を例示したが、空気が中空糸膜１２外を通流し、湿度の高いカソードオフガスが中空糸膜１２内を通流する構成でもよい。

また、空気及びカソードオフガスの通流方向が、逆向きである構成を例示したが、同方向でもよい。
さらに、カソードオフガスが、加湿器１０、１０Ａの上方から流入し、加湿器１０、１０Ａから下方に向かって流出する構成を例示したが、カソードオフガスの流入・流出方向はこれに限定されず、例えば、上方から流入し、上方に向かって流出する構成でもよいし、側方から流入・流出する構成でもよい。
さらにまた、第１流体が空気、第２流体がカソードオフガスである構成、つまり、第１流体及び第２流体がガスである構成を例示したが、例えば、第２流体が水（液体）である構成でもよい。

前記した各実施形態では、加湿器１０、１０Ａが空気とカソードオフガスとの間で水分交換し、燃料電池スタック１１０に向かう空気を加湿する構成を例示したが、その他に例えば、水素とアノードオフガスとの間で水分交換し、燃料電池スタック１１０に向かう水素を加湿する構成でもよい。

前記した各実施形態では、アクセル開度に従って指令されるコンプレッサ１３１の回転速度に基づいて、加湿器１０、１０Ａに流入するカソードオフガスの流量を算出する構成としたが、その他に例えば、配管１３１ｃに流量センサを設け、カソードオフガスの流量を直接的に検出する構成でもよい。

前記した第１実施形態では、板状体４１が回動することにより流入領域Ｓが可変する構成を例示したが、その他に例えば、サーボモータ（駆動手段）によってスライドするシャッタにより流入領域Ｓが可変する構成でもよい。

前記した第１実施形態では、板状体４１がサーボモータ５１により回動する構成を例示したが、その他に例えば、流入領域Ｓが小さくなる方向（板状体４１開度が小さくなる方向）に板状体４１を付勢するコイルばね（駆動手段）を設け、カソードオフガス及び空気の流量が多くなった場合、この流量が多い空気が前記コイルばねに抗して板状体４１を開方向に押圧して、板状体４１を開き、流入領域Ｓを大きくする構成でもよい。
これと同様に、第２実施形態では、下壁部３５を上方に付勢するコイルばね（駆動手段）を設けてもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。第１実施形態に係る加湿装置の斜視図である。第１実施形態に係る加湿装置の側断面図（図２のＸ１−Ｘ１線断面図）であり、加湿器に流入するカソードオフガスの流量が少なく、カソードオフガスの通流領域Ｒが小さく、空気の流入領域Ｓが小さい状態を示す。第１実施形態に係る加湿装置の側断面図（図２のＸ１−Ｘ１線断面図）であり、加湿器に流入するカソードオフガスの流量が多く、カソードオフガスの通流領域Ｒが大きく、空気の流入領域Ｓが大きい状態を示す。加湿器に流入するカソードオフガスの流量（コンプレッサの回転速度）と、空気の流入領域Ｓ（板状体の開度）との関係を示すマップである。第２実施形態に係る加湿装置の側断面図であり、加湿器に流入するカソードオフガスの流量が少なく、カソードオフガスの通流領域Ｒが小さく、空気の流入領域Ｓが小さい状態を示す。第２実施形態に係る加湿装置の側断面図であり、加湿器に流入するカソードオフガスの流量が多く、カソードオフガスの通流領域Ｒが大きく、空気の流入領域Ｓが大きい状態を示す。

符号の説明

１加湿装置
１０加湿器
１１中空糸膜束
１２中空糸膜
２１ケース
４１板状体（流入領域可変手段）
４２回動軸
５１サーボモータ（駆動手段、流入領域可変手段）
Ｒカソードオフガスの通流領域
Ｓ空気の流入領域

Claims

複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容する筒状のケースと、を有し、第１流体が前記中空糸膜束の一端側から前記中空糸膜内に流入し、前記第１流体と異なる湿度の第２流体が、前記中空糸膜束の外周面に向かって流入した後、前記ケース内であって前記中空糸膜外を通流する加湿器と、
前記中空糸膜束内における第２流体の通流領域に対応して、第１流体が前記中空糸膜内を通流するように、前記中空糸膜束の一端側における第１流体の流入領域を可変する流入領域可変手段と、
を備えることを特徴とする加湿装置。
前記流入領域可変手段は、前記中空糸膜束の一端側の近傍で回動軸周りに回動することで前記流入領域を可変する板状の板状体と、前記中空糸膜束内における第２流体の通流領域に対応して前記板状体を回動させる駆動手段と、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。
前記流入領域可変手段は、前記中空糸膜の一端側の近傍において、第１流体が通流する流路を囲み、変形することで前記流入領域を可変する可撓性を有する壁部と、前記中空糸膜束内における第２流体の通流領域に対応して前記壁部を変形させる駆動手段と、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。