JP2010146810A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】流入するガスの流量が少ない場合に、膜体に均等にガスを行き渡らせることができる加湿器を提供すること。
【解決手段】加湿器２４は、略箱状のケース５０と、このケース５０に収納された複数の中空糸膜６２と、を備え、中空糸膜６２を介して燃料電池から排出されたエアオフガスと、燃料電池に供給されるエアと、の間で水分を移動させる。ケース５０には、燃料電池から排出されたガスが流入する外周流入口５５が形成され、加湿器２４は、燃料電池から排出されるガスの流量に応じて流入口の開口面積を調整可能な流入口面積調整装置８０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、加湿器に関する。詳しくは、燃料電池システムを搭載した自動車に用いられる加湿器に関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のカソード電極側には、エア供給路を介して、エアポンプからエアが供給される。燃料電池のアノード電極側には、水素供給路を介して、水素タンクから水素ガスが供給される。

ところで、上述のように、燃料電池における化学反応はＭＥＡ膜で行われるが、このＭＥＡ膜の湿度がある程度確保できないと、イオンの交換が十分行われないため、以上の燃料電池システムには、圧縮機から燃料電池に供給されるエアと、燃料電池から排出されるエアオフガスと、の間で水分交換を行う加湿装置が設けられる。

この加湿器は、例えば、箱状のケースと、このケースに収納された複数の中空糸膜と、を備える。この加湿装置は、ケースを通して中空糸膜の外側に導入されたガスと、ケースを通して中空糸膜の内側に導入されたガスと、の間で水分を移動させる。
このような加湿器では、例えば、ケース内の中空糸膜の外側に、複数の孔が形成された流路壁を形成する。この流路壁の孔の開口面積は、ケースの外周側に向かうに従って小さくなっている（特許文献１参照）。
この加湿器によれば、流路壁により流量を配分して、ケース内の中空糸膜に均等にガスを行き渡らせることができる。
特開２００２−３７００１７号公報

しかしながら、上述の加湿器では、通流する最大のガス量に対して流路壁を形成しているため、ガスの流量が少なくなると、ケース内を通流するガスに勢いが無くなり、結局、流入口から離れた位置にある中空糸膜については、ガスが十分に行き渡らず、加湿効率が低下するおそれがあった。

本発明は、流入するガスの流量が少ない場合でも、膜体に均等にガスを行き渡らせることができる加湿器を提供することを目的とする。

本発明の加湿器（例えば、後述の加湿器２４）は、略箱状のケース（例えば、後述のケース５０）と、当該ケースに収納された複数の膜体（例えば、後述の中空糸膜６２）と、を備え、当該膜体を介して燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）から排出されたガス（例えば、後述のエアオフガス）と、前記燃料電池に供給されるガス（例えば、後述のエア）と、の間で水分を移動させる加湿器であって、前記ケースには、前記燃料電池から排出されたガスが流入する流入口（例えば、後述の外周流入口５５）が形成され、前記燃料電池から排出されるガスの流量に応じて前記流入口の開口面積を調整可能な流入口面積調整手段（例えば、後述の流入口面積調整装置８０）を備えることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池から排出されるガスの流量に応じて流入口の開口面積を調整可能な流入口面積調整手段を設けた。よって、流入するガスの流量が少ない場合、流入口の開口面積を小さくすることにより、流入口からケース内に流入するガスの流速を増加させることができるので、流入口から離れた膜体にもガスが通流することとなり、膜体に均等にガスを行き渡らせることができる。

この場合、前記流入口面積調整手段は、前記ケースの流出口の上を移動可能な流入口遮蔽部（例えば、後述の流入口遮蔽部８１）と、当該流入口遮蔽部を移動させる流入口遮蔽部移動機構（例えば、後述の流入口遮蔽部移動機構８２）と、を備えることが好ましい。

この発明によれば、流入口遮蔽部および流入口遮蔽部移動機構を含んで流入口面積調整手段を構成したので、簡素な構成で流入口の開口面積を調整できる。

この場合、前記ケースには、前記燃料電池から排出されて前記ケース内に流入したガスが排出される流出口（例えば、後述の外周流出口５６）が形成され、前記燃料電池から排出されるガスの流量に応じて前記流出口の開口面積を調整可能な流出口面積調整手段（例えば、後述の流出口面積調整装置７０）を備えることが好ましい。

この発明によれば、燃料電池から排出されるガスの流量に応じて流出口の開口面積を調整可能な流出口面積調整手段を設けた。よって、流入するガスの流量が少ない場合、流出口の開口面積を小さくすることにより、ケース内に流入したガスが排出されにくくなるので、ケース内にガスが充満することになり、膜体により均等にガスを行き渡らせることができる。

この場合、前記流出口面積調整手段は、前記ケースの流出口の上を移動可能な流出口遮蔽部（例えば、後述の流出口遮蔽部７１）と、当該流出口遮蔽部を移動させる流出口遮蔽部移動機構（例えば、後述の流出口遮蔽部移動機構７２）と、を備えることが好ましい。

この発明によれば、流出口遮蔽部および流出口遮蔽部移動機構を含んで流出口面積調整手段を構成したので、簡素な構成で流出口の開口面積を調整できる。

本発明の加湿器は、略箱状のケースと、当該ケースに収納された複数の膜体と、を備え、当該膜体を介して燃料電池から排出されたガスと、前記燃料電池に供給されるガスと、の間で水分を移動させる加湿器であって、前記ケースには、前記燃料電池から排出されたガスが流入する流入口が形成され、前記燃料電池に要求する出力に応じて前記流入口の開口面積を調整可能な流入口面積調整手段（例えば、後述の流入口面積調整装置８０）を備えることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池に要求する出力に応じて流入口の開口面積を調整可能な流入口面積調整手段を設けた。例えば、燃料電池に要求する出力が小さい場合、燃料電池に供給するガスの流量が少なくなる。よって、流入するガスの流量も少なくなるので、流入口の開口面積を小さくする。これにより、流入口からケース内に流入するガスの流速を増加することができるので、流入口から離れた中空糸膜にもガスが通流することとなり、中空糸膜に均等にガスを行き渡らせることができる。

本発明によれば、燃料電池から排出されるガスの流量に応じて流入口の開口面積を調整可能な流入口面積調整手段を設けた。よって、流入するガスの流量が少ない場合、流入口の開口面積を小さくすることにより、流入口からケース内に流入するガスの流速を増加させることができるので、流入口から離れた膜体にもガスが通流することとなり、膜体に均等にガスを行き渡らせることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る加湿器が適用された燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、車両に搭載され、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスやエア（空気）を供給する供給装置２０と、これらを制御する制御装置３０と、を有する。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側にカソードガスとしての酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給するエアポンプ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２と、燃料電池１０から排出されるガスを処理する希釈器２３と、燃料電池１０に供給されるエアを加湿する加湿器２４と、を含んで構成される。

エアポンプ２１は、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路４２が接続され、このエア排出路４２の途中には、上述の希釈器２３が設けられる。

水素タンク２２は、水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。
燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路４４が接続され、この水素排出路４４は、希釈器２３に接続される。

エア供給路４１およびエア排出路４２の途中には、上述の加湿器２４が設けられる。加湿器２４は、中空糸膜６２を用いて、エア排出路４２を流れるエアオフガスに含まれる水分を、エア供給路４１を流れるエアに移動させることにより、燃料電池１０に供給されるエアを加湿する。この加湿器２４の構成については、以下に詳述する。
また、エア排出路４２の加湿器２４近傍には、流量センサ４２１が設けられている。

図２は、加湿器２４の斜視図であり、図３は、加湿器２４の断面図である。図４（ａ）は、図３のＸ−Ｘ断面図であり、図４（ｂ）は、図３のＹ−Ｙ断面図である。なお、これら図２〜図４において、燃料電池１０から排出される湿潤気体であるエアオフガスの流れを白矢印で示し、燃料電池１０に供給される乾燥気体であるエアの流れを黒矢印で示す。

加湿器２４は、円柱形状であり、外周流入口５５および外周流出口５６が形成され、その内部空間と外部とを仕切れるように構成された略箱状のケース５０と、このケース５０の外周流出口５６の開口面積を調整する流出口面積調整手段としての流出口面積調整装置７０と、ケース５０の外周流入口５５の開口面積を調整する流入口面積調整手段としての流入口面積調整装置８０と、ケース５０に収納された複数の膜体としての中空糸膜６２と、を備える。

ケース５０は、両端が開放された円筒形状の筒部５１と、この筒部５１の両端側内周面に形成されて筒部５１の両端を塞ぐポッティング部５２ａ、５２ｂと、を備える。
ポッティング部５２ａ、５２ｂは、ポッティング（樹脂盛り）により形成されている。
筒部５１の長手方向一端面（ポッティング部５２ａが形成された側）を端部流入口５３とし、他端面（ポッティング部５２ｂが形成された側）を端部流出口５４とする。

筒部５１の長手方向他端側（ポッティング部５２ｂが形成された側）の外周には、９個の貫通孔からなる外周流入口５５が形成されている。また、筒部５１の長手方向一端側（ポッティング部５２ａが形成された側）の外周でかつ外周流入口５５の反対側の位置には、９個の貫通孔からなる外周流出口５６が形成されている。
外周流入口５５および外周流出口５６は、筒部５１のポッティング部５２ａ、５２ｂよりも内側の位置に形成されており、これら外周流入口５５および外周流出口５６を通して、ケース５０の内部と外部とが連通している。

流出口面積調整装置７０は、ケース５０の外周面に設けられた流出口遮蔽部７１と、この流出口遮蔽部７１を移動させる流出口遮蔽部移動機構７２と、を備える。
流出口遮蔽部７１は、円環形状であり、ケース５０の外周面を覆うように設けられている。これにより、この流出口遮蔽部７１は、ケース５０の外周流出口５６の上を移動可能となっている。

流出口遮蔽部移動機構７２は、送りねじ機構であり、ねじが刻設された軸部７２１と、この軸部７２１を回転駆動する進退モータ７２２と、を備える。軸部７２１は、流出口遮蔽部７１のナット部７１１に螺合されている。
この流出口遮蔽部移動機構７２によれば、進退モータ７２２を駆動することにより軸部７２１が回転し、流出口遮蔽部７１をケース５０の軸方向に沿って移動することができる。

流入口面積調整装置８０は、ケース５０の外周面に設けられた流入口遮蔽部８１と、この流入口遮蔽部８１を移動させる流入口遮蔽部移動機構８２と、を備える。
流入口遮蔽部８１は、円環形状であり、ケース５０の外周面を覆うように設けられている。これにより、この流入口遮蔽部８１は、ケース５０の外周流入口５５の上を移動可能となっている。

流入口遮蔽部移動機構８２は、送りねじ機構であり、ねじが刻設された軸部８２１と、この軸部８２１を回転駆動する進退モータ８２２と、を備える。軸部８２１は、流入口遮蔽部８１のナット部８１１に螺合されている。
この流入口遮蔽部移動機構８２によれば、進退モータ８２２を駆動することにより軸部８２１が回転し、流入口遮蔽部８１をケース５０の軸方向に沿って移動することができる。

中空糸膜６２は、ケース５０の長手方向に沿って延びており、これら中空糸膜６２の両端側は、ポッティング部５２ａ、５２ｂを貫通して、外部に露出している。よって、中空糸膜６２の一端側は、ケース５０の端部流入口５３に連通し、他端側は、ケース５０の端部流出口５４に連通している。

中空糸膜６２は、内側から外側に至る内径数ｎｍ（ナノメートル）の微細な毛管を多数有している。これらの毛管中では、蒸気圧が低下して容易に水分が凝縮し、この凝縮した水分は、毛管現象により吸い出されて中空糸膜を透過する。

次に、加湿器２４の動作を説明する。
まず、ケース５０の端部流入口５３に乾燥気体であるエアを導入するとともに、ケース５０の外周流入口５５に湿潤気体であるエアオフガスを導入する。

このエアは、端部流入口５３から各中空糸膜６２の内部に流入し、各中空糸膜６２の内側を通流して、端部流出口５４から排出される。
一方、エアオフガスは、ケース５０の外周流入口５５からケース５０内に流入し、ケース５０内に配置された各中空糸膜６２の外側を通流して、外周流出口５６から排出される。

このように中空糸膜６２の内側をエアが通流し、中空糸膜６２の外側をエアオフガスが通流すると、これらのガスの間で水分が移動する。
具体的には、中空糸膜６２の外側ではエアオフガス中の水分が凝縮し、内側では水分が蒸発する。同時に、中空糸膜６２の外側から内側に向けて、外側で凝縮したエアオフガスの水分が毛管現象により供給される。これにより、中空糸膜６２の内側を通流するエアの加湿が行われる。つまり、中空糸膜６２の内側と外側を通流するガスの水分含有量の差を推進力として、水透過（水分離）が行われる。

上述の制御装置３０は、供給装置２０を制御して、以下の手順で燃料電池１０を発電させる（図１）。
すなわち、エアポンプ２１を駆動することにより、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。同時に、水素タンク２２から、水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。

燃料電池１０に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素オフガスおよびエアオフガスとして、水素排出路４４およびエア排出路４２に流入する。
その後、水素オフガスは、希釈器２３に流入し、希釈器２３においてエアオフガスで希釈されて、外部に排出される。

ここで、制御装置３０は、燃料電池１０から排出されるエアオフガスの流量を流量センサ４２１で測定し、この測定したエアオフガスの流量に応じて流出口遮蔽部移動機構７２および流入口遮蔽部移動機構８２を制御することにより、流出口遮蔽部７１および流入口遮蔽部８１を移動させて、外周流出口５６および外周流入口５５の開口面積を調整する。
すなわち、燃料電池１０から排出されるエアオフガスの流量が多い場合には、図５に示すように、外周流出口５６および外周流入口５５の開口面積を大きくする。これにより、外周流入口５５の手前で流れが滞ることなく、広くそして勢いを持ってエアオフガスがケース５０内に行き渡る。

一方、燃料電池１０から排出されるエアオフガスの流量が少ない場合には、外周流出口５６および外周流入口５５の開口面積を小さくする。
エアオフガスの流量が少ないにもかかわらず、外周流出口５６および外周流入口５５の開口面積を大きくすると、図６に示すように、エアオフガスが行き渡らない領域Ａが発生する。しかしながら、外周流出口５６および外周流入口５５の開口面積を小さくすると、図７に示すように、均等にエアオフガスを行き渡らせることができる。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）制御装置３０により、燃料電池１０から排出されるエアオフガスの流量に応じて流入口の開口面積を調整する。よって、流入するエアオフガスの流量が少ない場合、外周流入口５５の開口面積を小さくすることにより、外周流入口５５からケース５０内に流入するエアオフガスの流速を増加させることができるので、図７に示すように、外周流入口５５から離れた中空糸膜６２にもエアオフガスが通流することとなり、中空糸膜６２に均等にエアオフガスを行き渡らせることができる。

（２）流入口遮蔽部８１および流入口遮蔽部移動機構８２を含んで流入口面積調整装置８０を構成したので、簡素な構成で外周流入口５５の開口面積を調整できる。

（３）制御装置３０により、燃料電池１０から排出されるエアオフガスの流量に応じて外周流出口５６の開口面積を調整する。よって、流入するエアオフガスの流量が少ない場合、外周流出口５６の開口面積を小さくすることにより、ケース５０内に流入したエアオフガスが排出されにくくなるので、図７に示すように、ケース５０内にエアオフガスが充満することになり、中空糸膜６２により均等にエアオフガスを行き渡らせることができる。

（４）流出口遮蔽部７１および流出口遮蔽部移動機構７２を含んで流出口面積調整装置７０を構成したので、簡素な構成で外周流出口５６の開口面積を調整できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上述の各実施形態では、加湿器２４をカソード電極側に設けたが、これに限らず、ＭＥＡ膜の材質によっては、アノード電極側に取り付けてもよい。
また、上述の各実施形態では、膜体を中空糸膜６２としたが、これに限らず、平板状の平膜としてもよい。
また、上述の各実施形態では、加湿器２４を円柱形状としたが、これに限らず、直方体形状としても略箱状のケースとして適している。

また、上述の各実施形態では、筒部５１の外周面に端部流入口５３を設けて、筒部５１の外周側からエアオフガスを導入したが、これに限らない。すなわち、エアオフガスの通流する配管を筒部５１の内部に設けて、筒部５１の内側からエアオフガスを導入する、インナー型の加湿器としてもよい。

本発明の一実施形態に係る加湿器が適用された燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る加湿器の斜視図である。 前記実施形態に係る加湿器の断面図である。 前記実施形態に係る加湿器のＸ−Ｘ断面図およびＹ−Ｙ断面図である。 前記実施形態に係る加湿器について、エアオフガスの流入量が多く、流出口および流入口の開口面積を大きくした場合のガスの流れを示す図である。 前記実施形態に係る加湿器について、エアオフガスの流入量が少なく、流出口および流入口の開口面積を大きくした場合のガスの流れを示す図である。 前記実施形態に係る加湿器について、エアオフガスの流入量が少なく、流出口および流入口の開口面積を小さくした場合のガスの流れを示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
２４ 加湿器
５０ ケース
５６ 外周流出口（流出口）
５５ 外周流入口（流入口）
６２ 中空糸膜（膜体）
７０ 流出口面積調整装置（流出口面積調整手段）
７１ 流出口遮蔽部
７２ 流出口遮蔽部移動機構
８０ 流入口面積調整装置（流入口面積調整手段）
８１ 流入口遮蔽部
８２ 流入口遮蔽部移動機構

Claims (5)

1. 略箱状のケースと、当該ケースに収納された複数の膜体と、を備え、当該膜体を介して燃料電池から排出されたガスと、前記燃料電池に供給されるガスと、の間で水分を移動させる加湿器であって、
   前記ケースには、前記燃料電池から排出されたガスが流入する流入口が形成され、
   前記燃料電池から排出されるガスの流量に応じて前記流入口の開口面積を調整可能な流入口面積調整手段を備えることを特徴とする加湿器。
2. 前記流入口面積調整手段は、前記ケースの流入口の上を移動可能な流入口遮蔽部と、
   当該流入口遮蔽部を移動させる流入口遮蔽部移動機構と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の加湿器。
3. 前記ケースには、前記燃料電池から排出されて前記ケース内に流入したガスが排出される流出口が形成され、
   前記燃料電池から排出されるガスの流量に応じて前記流出口の開口面積を調整可能な流出口面積調整手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の加湿器。
4. 前記流出口面積調整手段は、前記ケースの流出口の上を移動可能な流出口遮蔽部と、
   当該流出口遮蔽部を移動させる流出口遮蔽部移動機構と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の加湿器。
5. 略箱状のケースと、当該ケースに収納された複数の膜体と、を備え、当該膜体を介して燃料電池から排出されたガスと、前記燃料電池に供給されるガスと、の間で水分を移動させる加湿器であって、
   前記ケースには、前記燃料電池から排出されたガスが流入する流入口が形成され、
   前記燃料電池に要求する出力に応じて前記流入口の開口面積を調整可能な流入口面積調整手段を備えることを特徴とする加湿器。

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