JP3871264B2 - 燃料電池用加湿装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給される燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスと、燃料電池から排出される排気ガスとの間で水分交換することにより、燃料電池の両極を加湿する水透過型の燃料電池用加湿装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が配設されてなる電極膜構造体の両側に、反応ガスの流通路を形成すると共に電極膜構造体を支持するためのセパレータを積層して構成されたものがある。
【0003】
この燃料電池では、アノード電極に燃料用反応ガスとして水素ガスを供給すると共に、カソード電極に酸化剤用反応ガスとして酸素あるいは空気を供給して、これらのガスの酸化還元反応による化学エネルギを、直接電気エネルギとして抽出するようになっている。
【0004】
ところで、この燃料電池では、固体高分子電解質膜が乾燥するとイオン伝導率が低下してエネルギ変換効率が低下することから、固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。このため、この種の燃料電池では、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを、加湿装置で加湿して供給することにより、固体高分子電解質膜に水分を供給して、良好な反応を維持させることが行われている。
【0005】
燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを加湿するための加湿装置としては、ハウジング内に中空糸膜束を収容して構成された加湿モジュールを複数備え、各加湿モジュールのハウジングに収容された中空糸膜内に燃料用反応ガス又は酸化剤用反応ガスを流通させると共に、中空糸膜の外部に排気ガスを流通させることにより、燃料用反応ガスおよび酸化剤用反応ガスよりも水分濃度が高い排気ガス中の水分を、固体高分子電解質膜を透過させて燃料用反応ガスおよび酸化剤用反応ガス中に拡散させ、燃料用反応ガスおよび酸化剤用反応ガスを加湿するようになっている。(特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平8−273687号公報の〔段落0010〕
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
この燃料電池用加湿装置では、加湿モジュールを構成するハウジングを、軸心方向を平行にして複数個配列して構成する場合があるが、この場合には、平面視において隣接するハウジング間に大きな隙間が生じるため、その分広い設置スペースを必要とする。また、燃料電池用加湿装置においては、一般的に、冷却水流通管内に冷却水を流通させて水素加湿モジュール及び空気加湿モジュールを保温することが行われているため、冷却水流通管を設置するためのスペースも確保する必要がある。このように、従来の燃料電池用加湿装置では、余分なスペースが多く、その分広い設定スペースを必要としていた。
【0008】
本発明は前記実情に鑑みてなされたものであり、設置スペースを低減できる燃料電池用加湿装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の燃料電池用加湿装置は、ハウジング内に収容された中空糸膜束を介して燃料用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換するように構成された燃料用反応ガス加湿モジュールと、ハウジング内に収容された中空糸膜束を介して酸化剤用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換するように構成された酸化剤用反応ガス加湿モジュールと、両加湿モジュール間で排気ガスを流通させるための排気ガス流通管と、を備える燃料電池用加湿装置であって、前記両加湿モジュールの少なくとも一方は、奇数個の前記ハウジングを軸心方向を平行にして配列して構成されており、隣接するハウジング間に前記排気ガス流通管を配設して構成されていることを特徴とする。
【0010】
この燃料電池用加湿装置は、一方の加湿モジュールのハウジング内に収容された中空糸膜束を介して燃料用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換し、燃料用反応ガスを加湿して燃料電池のアノード電極に供給すると共に、他方の加湿モジュールのハウジング内に収容された中空糸膜束を介して酸化剤用反応ガスと排気ガスとの間で水分交換して、酸化剤用反応ガスを加湿して燃料電池のカソード電極に供給するようになっている。
【0011】
ここで、燃料電池用加湿装置では、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを加湿するための排気ガスを、一方の加湿モジュールのハウジング内を通過させた後、他方の加湿モジュールのハウジング内を通過させるように構成されているが、この燃料電池用加湿装置では、両加湿モジュールの少なくとも一方が、奇数個のハウジングを軸心方向を平行にして配列されると共に、隣接するハウジング間に排気ガス流通管を配設して構成されている。
【0012】
このように、加湿モジュールを構成するハウジングを軸心方向を平行にして奇数個配列して構成する場合には、加湿モジュールを平面視すると、隣接するハウジング間に大きな隙間が生じるため、その分広い設置スペースを必要とする。しかし、この燃料電池用加湿装置のように、隣接するハウジング間に排気ガス流通管を配設する構成によれば、ハウジング間に生じた隙間を有効に利用でき、その分設置スペースを小さくできる。
【0013】
燃料電池用加湿装置においては、前記両加湿モジュールを保温するための冷却水が流通する冷却水流通管を更に備え、奇数個の前記ハウジングのうち相互に隣接するハウジングの間に前記冷却水流通管を配設して構成してもよい。
【0014】
両加湿モジュールを保温するための冷却水が流通する冷却水流通管を備える燃料電池用加湿装置においては、冷却水流通管を設置するためのスペースも確保する必要があることから、その分装置全体としての設置スペースも広くする必要がある。しかしながら、この燃料電池用加湿装置のように、隣接するハウジング間に冷却水流通管を配設する構成によれば、隣接するハウジング間の余分な設置スペースを有効に活用して、装置全体を小型化でき、その分設置スペースを小さくできる。
【0015】
さらに、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスを加湿した後、燃料電池に供給すると共に、燃料電池を保温するための冷却水を燃料電池と熱交換器との間で循環させるように構成された燃料電池に用いられる燃料電池用加湿装置にあっては、奇数個の前記ハウジングのうち更に相互に隣接するハウジングの間に前記熱交換器を配設して構成してもよい。
【0016】
燃料電池を保温するための冷却水を燃料電池と熱交換器との間で循環させるように構成された燃料電池においては、熱交換器を設置するためのスペースを必要とするが、この構成によれば、隣接するハウジング間の余分なスペースに熱交換器を配設できるため、設置スペースを小さくできる。
【0017】
さらにまた、燃料電池で酸化還元反応に用いられた酸化剤用反応ガスの排気ガスを、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いた後、背圧弁を介して外部に排出するよう構成された燃料電池に用いられる燃料電池用加湿装置にあっては、前記排気ガス流通管が、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスを前記背圧弁に供給するためのものであり、燃料用反応ガス加湿モジュール又は酸化剤用反応ガス加湿モジュールのハウジングから、燃料電池用加湿装置の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接する前記ハウジング間に沿って延設するように配置されている構成としてもよい。
【0018】
燃料電池で酸化還元反応に用いられた燃料用反応ガスを、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスと共に背圧弁を介して外部に排出するよう構成された燃料電池においては、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスを排気ガス流通管を介して背圧弁に供給するが、排気ガスが高い水分濃度を有することから、排気ガス流通管内に排気ガスの水滴が生じて、この水滴が排気ガスと共に背圧弁に供給される虞がある。しかし、この燃料電池用加湿装置のように、排気ガス流通管が、一方の加湿モジュールのハウジングから、燃料電池用加湿装置の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接する前記ハウジング間に沿って延設する構成によれば、排気ガス流通管内に生じた水滴が、排気ガス流通管の上方に向けて延設された部分から、ハウジング間に沿って延設した部分に流入するのを避けることができ、排気ガス流通管内の水滴が背圧弁内に流入するのを防止できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1を説明する。参照する図面において、図1は一実施形態に係る燃料電池システム1の構成の概略を説明する図である。
【0020】
燃料電池システム1は、図1に示すように、水素貯蔵タンク(H2タンク)に貯蔵された燃料用反応ガスとしての水素ガスを、水素管16内を流通させて、熱交換器(H/E)12、エゼクタの順で通過させて燃料電池用加湿装置2を構成するアノード加湿器3に供給し、アノード加湿器3で加湿した後、燃料電池(FCスタック)11のアノード電極に供給して酸化還元反応に供する。そして、酸化還元反応に供した水素ガスは、水素オフガスとしてFCスタック11から排出して水素オフガス管13内を流通させて、再度FCスタック11に供給し、又は適宜時間間隔をおいて流体排出用のパージ弁を介して外部に排気する。
【0021】
一方、酸化剤用反応ガスとしての空気は、スーパーチャージャで加圧して空気管14内を流通させ、インタークーラを介して燃料電池用加湿装置2のカソード加湿器4に供給し、カソード加湿器4で加湿した後、FCスタック11のカソード電極に供給して空気中の酸素を酸化剤として用いる。そして、酸化剤として用いた空気は、空気オフガスとしてFCスタック11から排出して空気オフガス管15内を流通させ、アノード加湿器3、カソード加湿器4の順で通過させて水素ガス及び空気を加湿し、背圧弁18を介して外部に排気するようになっている。
【0022】
また、燃料電池システム1は、FCスタック11を保温するための冷却水を、冷却水管17内を流通させ、アノード加湿器3を通過させてアノード加湿器3を保温した後、一部は熱交換器12を介してFCスタック11に供給し、残りをカソード加湿器4を通過させてカソード加湿器4を保温した後にFCスタック11に供給するようになっている。
【0023】
次に、この燃料電池システム1に用いられる燃料電池用加湿装置2について図2〜図5を参照して説明する。
【0024】
燃料電池用加湿装置2は、図2に示すように、燃料用反応ガスである水素ガスを加湿するためのアノード加湿器3と、酸化剤用反応ガスである空気を加湿するためのカソード加湿器4とから構成されている。
【0025】
アノード加湿器3は、水素加湿用の加湿モジュールであり、複数(図では2個)のハウジング5の内部に、FCスタック11に供給される水素ガスとFCスタック11から排出される空気オフガスとの間で水分交換するための中空糸膜束(水素不透過性の膜)を収容して構成されている。
【0026】
各ハウジング5は、図3(a)に示すように、それぞれ略円筒形状を呈した本体部51の長さ方向の一端部を入口ヘッド52で閉塞すると共に本体部51の長さ方向の他端部を出口ヘッド53で閉塞して構成されている。
【0027】
本体部51は、他端側の外周面に穿設された複数のオフガス流入孔511を覆うように入口環状カバー54が形成されると共に、一端側の外周面に穿設された複数のオフガス流出孔512を覆うように出口環状カバー55が形成されている。入口環状カバー54及び出口環状カバー55には空気オフガス管15(図1参照)が接続されている。また、各ハウジング5の入口ヘッド52及び出口ヘッド53には水素ガス管16(図1参照)が接続されている。
【0028】
アノード加湿器3は、このように構成される各ハウジング5を、図3(a)に示すように、本体部51の軸心方向(長手方向)を互いに平行にして、互いに所定間隔離間した状態で配設して構成されている。そして、各ハウジング5の入口環状カバー54が同一面上において一体となって入口環状カバーブロック54Aを構成し、出口環状カバー55が同一面上において一体となって出口環状カバーブロック55Aを構成している。また、各ハウジング5の入口ヘッド52は、同一面上において一体に形成されて入口ヘッドブロック52Aを構成し各ハウジング5の出口ヘッド53は、同一面上において一体に形成されて出口ヘッドブロック53Aを構成している。
【0029】
このような構成のアノード加湿器3は、図4(a)に示すように、水素ガス管16から入口ヘッドブロック52A内の流通路を介してハウジング5の本体部51内に流入した水素ガスが、ハウジング5内の中空糸膜束の内側を流通し、出口ヘッドブロック53A内の流通路を介して水素ガス管16に排出されると共に、空気オフガス管15からオフガス流入孔511を介してハウジング5内に流入した空気オフガスが、ハウジング5内の中空糸膜束の外側を流通し、オフガス排出孔512を介して空気オフガス管15に供給されるようになっており、これにより空気オフガス中の水分が中空糸膜を介して水素ガスに受け渡されて、水素ガスが加湿されるようになっている。
【0030】
カソード加湿器4は、空気加湿用の加湿モジュールであり、図3(a)に示すように、複数(図では3個)のハウジング6の内部に、FCスタック11に供給される空気とFCスタック11から排出される空気オフガスとの間で水分交換するための中空糸膜束(多孔性の膜)を収容して構成されている。
【0031】
各ハウジング6は、図3(b)に示すように、それぞれ略円筒形状を呈した本体部61の長さ方向の一端部を入口ヘッド62で閉塞すると共に本体部の長さ方向の他端部を出口ヘッド63で閉塞して構成されている。
【0032】
本体部61は、一端側の外周面に穿設された複数のオフガス流出孔612を覆うように出口環状カバー64が形成されている。出口環状カバー64には空気オフガス管15(図1参照)が接続されている。また、各ハウジング6の入口ヘッド62及び出口ヘッド63には空気管14(図1参照)が接続されている。
【0033】
カソード加湿器4は、このように構成される各ハウジング6を、図3(b)に示すように、本体部61の軸心方向(長手方向)を互いに平行にして、互いに所定間隔離間した状態で配設して構成されている。そして、各ハウジング6の出口環状カバー64が同一面上において一体となって出口環状カバーブロック64Aを構成している。また、各ハウジング6の入口ヘッド62は、同一面上において一体に形成されて入口ヘッドブロック62Aを構成し、各ハウジング6の出口ヘッド63は、同一面上において一体に形成されて出口ヘッドブロック63Aを構成している。
【0034】
また、図5に断面で示すように、カソード加湿器4を構成する各ハウジング6のうち相互に隣接するハウジング6の間には、カソード加湿器4において空気の加湿に用いられた空気オフガスを排出するための空気オフガス管15が配設されている。空気オフガス管15は、カソード加湿器4の出口ヘッドブロック63Aから設置面に対して上方に延設した後、隣接するハウジング6間に沿って延設されている。また、他の隣接するハウジング6間にアノード加湿器3及びカソード加湿器4の保温に用いられる冷却水が流通するための冷却水管17が配設されると共に、更に他の相互に隣接するハウジング6の間に熱交換器12が配設されている。
【0035】
このような構成のカソード加湿器4は、図4(b)に示すように、空気管14から入口ヘッドブロック62A内の流通路を介してハウジング6の本体部61内に流入した空気が、ハウジング6内の中空糸膜束の内側を流通し、出口ヘッドブロック63A内の流通路を介して空気管14に排出されると共に、空気オフガス管15からオフガス流入孔611を介してハウジング6内に流入した空気オフガスが、ハウジング6内の中空糸膜束の外側を流通し、オフガス排出孔612を介して空気オフガス管15に供給されるようになっており、これにより空気オフガス中の水分が中空糸膜を介して空気に受け渡されて、空気が加湿されるようになっている。
【0036】
このような構成の燃料電池用加湿装置2は、アノード加湿器3の入口ヘッド52から水素ガスがハウジング5内に流入し、中空糸膜束の内側を流通して出口ヘッド53から水素供給管16に排出されると共に、オフガス流入孔511から空気オフガスがハウジング5内に流入し、中空糸膜束の外側を流通してオフガス流出孔512から空気オフガス管15に排出されることにより、アノード加湿器3内を流通する水素ガスを加湿して、FCスタック11のアノード電極に供給する。一方、カソード加湿器4の入口ヘッド62から空気がハウジング6内に流入し、中空糸膜束の内側を流通して出口ヘッド63から排出されると共に、オフガス流入孔611からオフガスがハウジング6内に流入し、中空糸膜束の外側を流通してオフガス流出孔612から排出することにより、カソード加湿器4内を流通する空気を加湿して、FCスタック11のカソード電極に供給するようになっている。
【0037】
この場合、この燃料電池用加湿装置2では、図5に示すように、カソード加湿器4を構成するハウジング6を軸心方向を平行にして奇数個(図では3個)配列し、互いに隣接するハウジング6の間に空気オフガス管15を配設しているため、ハウジング6間に生じた隙間を有効に利用でき、その分設置スペースを小さくできる。
【0038】
また、他の隣接するハウジング6の間に冷却水管17を配設しているため、隣接するハウジング6間の余分な設置スペースを有効に活用して、装置全体を小型化でき、その分設置スペースを小さくできる。さらに、隣接するハウジング6間の余分なスペースに熱交換器12を配設するため、その分設置スペースを小さくできる。
【0039】
また、水素ガス及び空気の加湿に用いられた空気オフガスを背圧弁18に供給するための空気オフガス管15を、カソード加湿器4のハウジング6から、燃料電池用加湿装置2の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接するハウジング6間に沿って延設するように構成しているため、空気オフガス管15内に生じた水滴が、空気オフガス管15の上方に向けて延設された部分から、ハウジング6間に沿って延設した部分に流入するのを避けることができ、空気オフガス管15内の水滴が背圧弁18内に流入するのを防止できる。
【0040】
なお、本発明の燃料電池システムは、前記実施の形態での燃料電池システム1に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限り適宜変更して差し支えない。カソード加湿器4が備えるハウジング6の数量は奇数個であれば、3個に限らず適宜変更して差し支えない。また、前記実施の形態では、隣接するハウジング6の間に空気オフガス管15、冷却水管17、及び熱交換器12を配設する構成としたが、相互に隣接するハウジング6の間に配設する部材は燃料電池システムのレイアウト等に応じて適宜変更して差し支えない。
【0041】
また、前記実施の形態では、カソード加湿器4が備えるハウジング6の数量を奇数個として、各ハウジング6間に様々な部材を配設する構成としたが、アノード加湿器3が備えるハウジング5の数量を奇数個として、各ハウジング5間にこれらの部材を配設してもよい。前記実施の形態では、各ハウジング5,6が備える中空糸膜の内側に水素ガス又は空気を流通させると共に、中空糸膜の外側に空気オフガスを流通させる場合について説明したが、中空糸膜の外側に水素ガス又は空気を流通させると共に、中空糸膜の内側にオフガスを流通させるように構成してもよい。また、前記実施の形態では、水素オフガスを直接外部に排出するように構成したが、触媒燃焼器に供給して燃焼させた後に外部に排出するように構成してもよい。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池用加湿装置の設置スペースを低減できる。また、燃料電池システムの設置スペースを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図2】同燃料電池システムを構成する燃料電池用加湿装置の構成の概略を説明する図である。
【図3】同燃料電池用加湿装置を構成する加湿モジュールの構成を説明する図である。
【図4】同加湿モジュールによる反応ガスの加湿方法を説明する図である。
【図5】同加湿モジュールを構成するハウジングの配置態様を説明する図である。
【符号の説明】
1 燃料電池システム
12 熱交換器
15 空気オフガス管
17 冷却水管
2 燃料電池用加湿装置
3 アノード加湿器
4 カソード加湿器
5,6 ハウジング
51,61 本体部
52,62 入口ヘッド
52A,62A 入口ヘッドブロック
53,63 出口ヘッド
53A,63A 入口ヘッドブロック
Claims (4)
- ハウジング内に収容された中空糸膜束を介して燃料用反応ガスと燃料電池からの排気ガスとの間で水分交換するように構成された燃料用反応ガス加湿モジュールと、ハウジング内に収容された中空糸膜束を介して酸化剤用反応ガスと燃料電池からの排気ガスとの間で水分交換するように構成された酸化剤用反応ガス加湿モジュールと、両加湿モジュール間で排気ガスを流通させるための排気ガス流通管と、を備える燃料電池用加湿装置であって、
前記両加湿モジュールの少なくとも一方は、奇数個の前記ハウジングを軸心方向を平行にして配列して構成されており、隣接するハウジング間に前記排気ガス流通管を配設して構成されていることを特徴とする燃料電池用加湿装置。 - 前記両加湿モジュールを保温するための冷却水が流通する冷却水流通管を更に備え、
奇数個の前記ハウジングのうち相互に隣接するハウジングの間に前記冷却水流通管を配設して構成されてい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。 - 前記燃料用反応ガス及び前記酸化剤用反応ガスを加湿した後、前記燃料電池に供給すると共に、前記燃料電池を保温するための冷却水を前記燃料電池と熱交換器との間で循環させるように構成された燃料電池に用いられる燃料電池用加湿装置であって、
奇数個の前記ハウジングのうち相互に隣接するハウジングの間に前記熱交換器を配設して構成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池用加湿装置。 - 前記燃料電池で酸化還元反応に用いられた前記酸化剤用反応ガスの排気ガスを、前記燃料用反応ガス及び前記酸化剤用反応ガスの加湿に用いた後、背圧弁を介して外部に排出するよう構成された燃料電池に用いられる燃料電池用加湿装置であって、
前記排気ガス流通管が、燃料用反応ガス及び酸化剤用反応ガスの加湿に用いられた排気ガスを前記背圧弁に供給するためのものであり、燃料用反応ガス加湿モジュール又は酸化剤用反応ガス加湿モジュールのハウジングから、燃料電池用加湿装置の設置面に対して上方に向けて延設した後、隣接する前記ハウジング間に沿って延設するように配置されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の燃料電池用加湿装置。
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