JP2020184443A - 加湿器 - Google Patents

Abstract

【課題】排出ガス中の水分を供給ガスに効率よく付与できる加湿器を提供する。【解決手段】加湿器５は、燃料電池１に供給される供給ガス及び燃料電池１から排出される排出ガスがそれぞれ通過する加湿部９を備える。加湿部９には水蒸気透過膜１０が設けられる。加湿器５は、加湿部９を通過する排出ガスを水蒸気透過膜１０に触れさせて同排出ガス中の水分を取り込む一方、加湿部９を通過する供給ガスを水蒸気透過膜１０に触れさせて同水蒸気透過膜１０に取り込んだ上記水分を供給ガスに対し付与する。加湿器５の上記排出ガスの流路における加湿部９よりも上流側の部分には、排出ガスにおける気液分離を行う分離部１６が、上記加湿部９に対し直列に接続されるように設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、加湿器に関する。

自動車等に搭載される燃料電池においては、水素等の燃料ガスと大気等の酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガスと酸化ガスとの反応に基づく発電が行われる一方、その反応に伴って水が生成される。なお、こうして生成された水は、燃料電池から流出する排出ガスに含まれるようになる。また、燃料電池は、湿潤状態のもとで発電効率が高くなる性質を有している。このため、特許文献１に示される加湿器を用いて、燃料電池からの排出ガスに含まれる水分を取り出して同燃料電池に供給される燃料ガスや酸化ガスといった供給ガスに上記水分を付与することにより、燃料電池内を湿潤状態とすることが考えられている。

上記加湿器は、燃料電池に供給される供給ガス及び同燃料電池から排出される排出ガスがそれぞれ通過する加湿部を備えている。そして、加湿部には水蒸気透過膜が設けられている。上記加湿器は、加湿部を通過する排出ガスを水蒸気透過膜に触れさせて同排出ガス中の水蒸気を水分として取り込む一方、加湿部を通過する供給ガスを水蒸気透過膜に触れさせて同水蒸気透過膜に取り込んだ水分を前記供給ガスに対し付与する。

特開２０１２−１３４０６６号公報

ところで、燃料電池から排出された排出ガスには水蒸気だけでなく液体の水も含まれており、その液体の水が排出ガスと共に加湿器の加湿部に流入して水蒸気透過膜に付着する。このように水蒸気透過膜に上記液体の水が付着すると、排出ガス中の水蒸気が水蒸気透過膜に対し水分として取り込まれることが上記液体の水によって妨げられるため、排出ガス中の水分を上記水蒸気透過膜によって供給ガスに効率よく付与することが困難になる。

本発明の目的は、排出ガス中の水分を供給ガスに効率よく付与できる加湿器を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する加湿器は、燃料電池に供給される供給ガス及び前記燃料電池から排出される排出ガスがそれぞれ通過する加湿部を備える。加湿部には水蒸気透過膜が設けられる。上記加湿器は、加湿部を通過する排出ガスを水蒸気透過膜に触れさせて同排出ガス中の水分を取り込む一方、加湿部を通過する供給ガスを水蒸気透過膜に触れさせて同水蒸気透過膜に取り込んだ上記水分を供給ガスに対し付与する。加湿器の上記排出ガスの流路における加湿部よりも上流側の部分には、排出ガスにおける気液分離を行う分離部が、上記加湿部に対し直列に接続されるように設けられている。

上記構成によれば、燃料電池から排出された排出ガスは、加湿器における分離部で液体の水との気液分離が行われた後、加湿器の加湿部に流入して同加湿部を通過する。このため、排出ガスに含まれる液体の水が加湿部に流入して水蒸気透過膜に付着することを抑制でき、その付着した水によって排出ガスから水蒸気透過膜への水蒸気の取り込みが妨げられることは抑制される。従って、排出ガス中の水分を水蒸気透過膜によって供給ガスに効率よく付与することができる。

燃料電池に対するガスの給排構造を示す略図。 加湿器を示す模式図。

以下、加湿器の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
図１に示す燃料電池１は、セパレータによって隔てられた複数層の膜電極接合体を備えており、燃料ガス（この例では水素）及び酸化ガス（この例では大気）の供給を受け、それら水素と大気中の酸素との反応に基づいて発電を行う。

燃料電池１のアノード側には、水素を供給する一方で同燃料電池１のアノード側から排出ガスを流出させる燃料側通路２が接続されている。この燃料側通路２の上流端は、水素を溜めるための水素タンク４に繋がっている。そして、燃料電池１のアノード側、より詳しくは膜電極接合体のアノード電極層とそれに隣合うセパレータとの間に、燃料側通路２における燃料電池１よりも上流側の部分を介して、水素タンク４からの水素が供給される。

また、燃料電池１のカソード側には、大気を供給する一方で同燃料電池１のカソード側から排出ガスを流出させる大気側通路３が接続されている。この大気側通路３の上流端は大気に開放されている。そして、燃料電池１のカソード側、より詳しくは膜電極接合体のカソード電極層とそれに隣合うセパレータとの間に、大気側通路３における燃料電池１よりも上流側の部分を介して、大気が供給される。

燃料電池１においては、アノード側に供給された水素とカソード側に供給された大気中の酸素との反応に基づく発電が行われる一方、その反応に伴って水が生成される。こうして生成された水は、燃料電池１のアノード側から燃料側通路２における燃料電池１よりも下流側の部分に流出する排出ガスに含まれるとともに、燃料電池１のカソード側から大気側通路３における燃料電池１よりも下流側の部分に流出する排出ガスに含まれるようになる。

ところで、燃料電池１においては、その内部の膜電極接合体を湿潤状態とすることによって発電効率が高くなる性質を有している。このため、燃料側通路２と大気側通路３との少なくとも一方の通路に、燃料電池１から流出した排出ガスに含まれる水分を取り出して同燃料電池１に流入する燃料ガスや酸化ガスといった供給ガスに上記水分を付与する加湿器を設けることが考えられる。ちなみに、この実施形態では、大気側通路３において燃料電池１よりも上流側の部分と下流側の部分とに亘るように加湿器５が設けられている。

燃料電池１から大気側通路３における同燃料電池１よりも下流側の部分に流出した排出ガス（大気）は、燃料電池１内で生成された水を水蒸気の状態で含むウェットガスとなっている。そして、上記加湿器５は、上記排出ガス中に含まれている水分（水蒸気）を取り出し、大気側通路３における燃料電池１よりも上流側の部分を流れる乾燥した供給ガス（大気）に対し与えることにより、その大気をウェットガスとする。そして、そのウェットガスとなった大気が燃料電池１のカソード側に供給されることにより、燃料電池１内が湿潤状態とされるようになる。

一方、燃料側通路２において、燃料電池１よりも下流側（排出側）の部分は気液分離器７に繋がっている。この気液分離器７は、燃料電池１から流出した排出ガス（燃料電池１で用いられなかった水素）に含まれる水を同排出ガスから分離する。そして、気液分離器７で水と分離した排出ガス（水素）は、水素通路８を介して燃料側通路２における燃料電池１の上流側の部分に再循環される。

次に、上記加湿器５について詳しく説明する。
図２は、加湿器５を模式的に示している。この加湿器５は、燃料電池１のエンドプレート６に設けられており、燃料電池１に供給される供給ガス及び同燃料電池１から排出される排出ガスがそれぞれ通過する加湿部９を備えている。この加湿部９は、水蒸気透過膜１０を内部に収容した四角箱状のハウジング１１を備えている。水蒸気透過膜１０は、加湿部９（ハウジング１１内）を通過する上記供給ガス及び上記排出ガスに対し触れるものであり、上記供給ガスに含まれる水蒸気を取り込む一方、その取り込んだ水分を上記供給ガスに対し付与する。

ハウジング１１において、略水平方向（図２の左右方向）に対向する壁部１１ａ，１１ｂのうち、壁部１１ａにはドライガス流入口１２が形成されており、壁部１１ｂにはドライガス流出口１３が形成されている。そして、ドライガス流入口１２は、供給ガスを図２の矢印Ｙ１で示すようにハウジング１１内に流入させるためのものであって、大気側通路３（図１）における燃料電池１よりも上流側、且つ加湿器５よりも上流側の部分と接続されている。また、ドライガス流出口１３は、上記供給ガスを図２の矢印Ｙ２で示すようにハウジング１１外に流出させるためのものであって、大気側通路３（図１）における燃料電池１よりも上流側、且つ加湿器５よりも下流側の部分と接続されている。

ハウジング１１において、上下方向に対向する壁部１１ｃ，１１ｄのうち、下側の壁部１１ｃにはウェットガス流入口１４が形成されており、壁部１１ｄには上側の壁部１１ｄにはウェットガス流出口１５が形成されている。そして、ウェットガス流入口１４は、排出ガスを図２の矢印Ｙ３で示すようにハウジング１１内に流入させるものであって、大気側通路３（図１）における燃料電池１よりも下流側、且つ加湿器５よりも上流側の部分と接続されている。また、ウェットガス流出口１５は、上記排出ガスを図２の矢印Ｙ４で示すようにハウジング１１外に流出させるためのものであって、大気側通路３（図１）における燃料電池１よりも下流側、且つ加湿器５よりも下流側の部分と接続されている。

ハウジング１１内には、ドライガス流入口１２及びドライガス流出口１３と連通する図示しないドライガス通路が、略水平方向（図２の左右方向）に延びるように形成されている。また、ハウジング１１内には、ウェットガス流入口１４及びウェットガス流出口１５と連通する図示しないウェットガス通路が、上下方向に延びるように形成されている。そして、上記ドライガス通路では上記供給ガスが図２の右から左に向けて通過する一方、上記ウェットガス通路では上記排出ガスが下から上に向けて通過する。上記ドライガス通路及び上記ウェットガス通路はそれぞれ、内部を流れる上記供給ガス及び上記排出ガスを互いに独立して水蒸気透過膜１０に触れさせることが可能となるよう形成されている。

図２に示すように、加湿器５における加湿部９の近傍には、排出ガスにおける気液分離を行う分離部１６が設けられている。この分離部１６は、大気側通路３における燃料電池１（図１）よりも下流側且つ加湿部９よりも上流側の部分、言い換えれば加湿器５における排出ガスの流路の加湿部９よりも上流側の部分に位置している。従って、分離部１６は、大気側通路３において、加湿部９に対し直列に接続されるように設けられている。この分離部１６は、燃料電池１（図１）に繋がって上記排出ガスを上から下に流す入口通路１７と、加湿部９に繋がって上記排出ガスを下から上に流す出口通路１８と、それら入口通路１７及び出口通路１８の下端部同士を繋ぐとともに上記排出ガスから分離した液体の水を貯留するための貯留部１９と、を有している。分離部１６における出口通路１８の上端は、加湿部９におけるウェットガス流入口１４に対し直接的に接続されている。

次に、本実施形態における加湿器５の作用について説明する。
燃料電池１から大気側通路３における同燃料電池１よりも下流側の部分に排出された排出ガス（大気）は、図２の矢印Ｙ３で示すように分離部１６の入口通路１７、貯留部１９、及び出口通路１８を順に通過した後、ウェットガス流入口１４を介して加湿部９におけるハウジング１１内のウェットガス通路に流入する。上記排出ガスが出口通路１８を下から上に通過する際には、その排出ガスに含まれる液体の水が自重により同排出ガスと分離して貯留部１９に溜まり、上記液体の水と分離した排出ガスが加湿部９におけるハウジング１１内のウェットガス通路に流入する。

そして、分離部１６で液体の水との気液分離が行われた後の排出ガスがハウジング１１内のウェットガス通路を下から上に通過する。このため、排出ガスに含まれる液体の水が、ハウジング１１内のウェットガス通路に流入して水蒸気透過膜１０に付着することを抑制できる。仮に、水蒸気透過膜１０に対し上述したように液体の水が付着したとすると、排出ガスがハウジング１１内のウェットガス通路を通過する際、その排出ガスに含まれる水蒸気の水蒸気透過膜１０への取り込みが上記液体の水によって妨げられるおそれがある。しかし、こうしたことが生じることは抑制されるようになる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）燃料電池１から排出された排出ガスは、加湿器５における分離部１６で液体の水との気液分離が行われた後、加湿器５における加湿部９のハウジング１１に流入して同ハウジング１１内のウェットガス通路を通過する。このため、排出ガスに含まれる液体の水がハウジング１１内のウェットガス通路に流入して水蒸気透過膜１０に付着することを抑制でき、その付着した水によって排出ガスから水蒸気透過膜１０への水蒸気の取り込みが妨げられることは抑制される。従って、排出ガス中の水分（水蒸気）を水蒸気透過膜１０に効率よく取り込み、取り込んだ水分をハウジング１１内のドライガス通路を通過する供給ガスに対し効率よく付与することができる。

（２）上記加湿部９は、そのハウジング１１内のウェットガス通路を排出ガスが下から上に通過する構造となっている。このため、仮にハウジング１１内の上記ウェットガス通路を下から上に通過する排出ガスに液体の水が含まれていたとしても、その水が重力により下方に引かれることからハウジング１１内の水蒸気透過膜１０に到達しにくくなる。

（３）上記分離部１６は、燃料電池１から排出された排出ガスが分離部１６の出口通路１８を下から上に通過する際、その排出ガスに含まれる液体の水を自重により同排出ガスと分離して貯留部１９に溜めるようにしている。このように簡単な構成の分離部１６で上記排出ガスにおける気液分離を行い、液体の水と分離した排出ガスを加湿部９におけるハウジング１１内のウェットガス通路に流入させることができる。

（４）分離部１６における出口通路１８の上端は、加湿部９におけるウェットガス流入口１４に対し直接的に接続されているため、分離部１６で気液分離が行われた排出ガスを直接的に加湿部９のハウジング１１内に流入させることができる。その結果、分離部１６での気液分離後の排出ガスが、上記ハウジング１１内に流入する前に温度低下することを抑制できる。従って、その温度低下によって排出ガス中の水蒸気が結露して液体の水に変化してしまい、上記排出ガスと共に液体の水がハウジング１１内のウェットガス通路に流入することを抑制できるようになる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・分離部１６における出口通路１８の上端は、加湿部９のハウジング１１におけるウェットガス流入口１４に対し必ずしも直接的に接続されている必要はなく、配管等を介して直列に接続されていてもよい。

・分離部１６における排出ガスの気液分離の形式は、表面張力式や遠心分離式など他の形式であってもよい。
・加湿部９は、ハウジング１１内のウェットガス通路を排出ガスが下から上に通過する構造を有するものとしたが、そうした構造を有することは必須ではない。

・燃料側通路２側に加湿器を設けるようにしてもよい。この場合、燃料側通路２における燃料電池１よりも上流側の部分を流れる供給ガス（水素）、及び、燃料側通路２における燃料電池１から大気側通路３における同燃料電池１よりも下流側の部分に流出した排出ガスがそれぞれ上記加湿器を通過する。そして、上記加湿器は、上記排出ガス中に含まれている水分（水蒸気）を取り出して上記供給ガスに付与する。

１…燃料電池、２…燃料側通路、３…大気側通路、４…水素タンク、５…加湿器、６…エンドプレート、７…気液分離器、８…水素通路、９…加湿部、１０…水蒸気透過膜、１１…ハウジング、１１ａ…壁部、１１ｂ…壁部、１１ｃ…壁部、１１ｄ…壁部、１２…ドライガス流入口、１３…ドライガス流出口、１４…ウェットガス流入口、１５…ウェットガス流出口、１６…分離部、１７…入口通路、１８…出口通路、１９…貯留部。

Claims (4)

1. 燃料電池に供給される供給ガス及び前記燃料電池から排出される排出ガスがそれぞれ通過する加湿部に水蒸気透過膜が設けられており、前記加湿部を通過する前記排出ガスを前記水蒸気透過膜に触れさせて同排出ガス中の水分を取り込む一方、前記加湿部を通過する前記供給ガスを前記水蒸気透過膜に触れさせて同水蒸気透過膜に取り込んだ前記水分を前記供給ガスに対し付与する加湿器において、
   前記排出ガスの流路における前記加湿部よりも上流側の部分には、前記排出ガスにおける気液分離を行う分離部が、前記加湿部に対し直列に接続されるように設けられていることを特徴とする加湿器。
2. 前記加湿部は、前記排出ガスを下から上に通過させる構造を有している請求項１に記載の加湿器。
3. 前記分離部は、前記燃料電池に繋がって前記排出ガスを上から下に流す入口通路と、前記加湿部に繋がって前記排出ガスを下から上に流す出口通路と、それら入口通路及び出口通路の下端部同士を繋ぐとともに前記排出ガスから分離した液体の水を貯留するための貯留部と、を有している請求項１又は２に記載の加湿器。
4. 前記加湿部は、前記排出ガスを下から上に通過させる構造を有しており、
   前記分離部における前記出口通路の上端は、前記加湿部における前記排出ガスの流入口に対し直接的に接続されている請求項３に記載の加湿器。