JP3928948B2 - 燃料電池用加湿装置及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【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の内側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、中空糸膜の外側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】
従来の燃料電池用加湿装置では、各加湿モジュールのハウジングは、略円筒状の本体部内に中空糸膜束を収容すると共に両端部をヘッド部で閉塞して構成されているが、燃料電池用加湿装置には、本体部の両端部を閉塞するためのヘッド部を、複数の部材をボルト等で締結して一体として形成したものがある。しかしながら、この種の燃料電池用加湿装置の加湿モジュールでは、各部材間の微細な隙間から燃料用反応ガス又は酸化剤用反応ガスが漏出する虞がある。特に、燃料用反応ガスとして用いられる水素ガス等は、燃費向上のため外部への漏出をなるべく抑える必要がある。また、ボルト等の締結部材を用いる場合にはその分装置が大型化し大きな設置スペースを必要とする。さらに、ベッド部の製造に多数の工程と部品を要するため、その分製造コストが増大する。
【０００８】
本発明は前記実情に鑑みてなされたものであり、燃料用反応ガスの外部への漏出を抑えつつ製造コスト及び設置スペースを削減できる燃料電池用加湿装置及び燃料電池システム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、燃料電池に供給される燃料用反応ガスと前記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ための中空糸膜束を、本体部の長さ方向の両端部をヘッド部で閉塞してなるハウジング内に収容して構成された第１の加湿モジュールと、燃料電池に供給される酸化剤用反応ガスと前記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ための中空糸膜束を、本体部の長さ方向の両端部をヘッド部で閉塞してなるハウジング内に収容して構成された第２の加湿モジュールと、を備える燃料電池用加湿装置であって、前記第１の加湿モジュールのハウジングを構成するヘッド部がアルミニウム合金の押出型材から形成されており、前記第２の加湿モジュールのハウジングを構成するヘッド部がアルミニウム合金の鋳物から形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、第１の加湿モジュールにおいて、ハウジングの本体部内に流入した燃料用反応ガスが、ハウジング内の中空糸膜束の内側又は外側を流通して外部に排出されると共に、ハウジング内に流入した排気ガスが、ハウジングの本体部内の中空糸膜束の外側又は内側を流通して外部に排出されるようになっており、これにより排気ガス中の水分が中空糸膜を介して燃料用反応ガスに受け渡されて、燃料用反応ガスが加湿される。一方、第２の加湿モジュールにおいて、ハウジングの本体部内に流入した酸化剤用反応ガスが、ハウジング内の中空糸膜束の内側を流通して外部に排出されると共に、ハウジング内に流入した排気ガスが、ハウジングの本体部内の中空糸膜束の外側を流通して外部に排出されるようになっており、これにより排気ガス中の水分が中空糸膜を介して酸化剤用反応ガスに受け渡されて、酸化剤用反応ガスが加湿されるようになっている。
【００１１】
この場合、燃料電池用加湿装置では、各加湿モジュールのハウジングを構成する両ヘッド部をアルミニウム合金の押出型材又はアルミニウム合金の鋳物から一体に形成しているため、複数の部材をボルトで締結することによりヘッド部を形成する場合のように、各部材間の隙間から燃料用反応ガスが漏出するのを防止できる。また、加湿装置全体のサイズを小さくでき、加湿装置の設置スペースを小さくできる。さらに、製造コストの面からは、両加湿モジュールのヘッド部をアルミニウム合金の鋳物から形成するのが望ましいが、加湿モジュールのヘッド部をアルミニウム合金の鋳物から形成する場合には、鋳物の金属組織の空孔を通して微小な量のガスが外部に漏出する虞がある。しかし、この燃料電池用加湿装置では、燃料用反応ガスを加湿するための加湿モジュールを構成するヘッド部をアルミニウム合金の押出型材から形成していることから外部への漏出をなるべく抑える必要がある燃料用反応ガスの外部への漏出を十分に抑えられ、一方、多少の外部への漏出を許容できる酸化剤用反応ガスを加湿するための加湿モジュールを構成するヘッド部を、アルミニウム合金の鋳物から形成しているため、反応ガスの漏出を十分に抑えつつ製造コストを削減できる。このように、この燃料電池用加湿装置の加湿モジュールによれば、反応ガスの外部への漏出を抑えつつ製造コスト及び設置スペースを削減できる。
【００１２】
前記燃料電池用加湿装置においては、前記各加湿モジュールは、それぞれ複数の前記ハウジングを互いに平行に配列すると共に、前記各ハウジングを構成する本体部の長さ方向両端部を閉塞するヘッド部が、一体に形成されたヘッド部材として形成されており、前記両加湿モジュールの前記ヘッド部材の平面視における重心位置を、それぞれ固定部材で連結することにより、前記両加湿モジュールの前記ヘッド部材を一体に構成することが好ましい。
【００１３】
この燃料電池用加湿装置では、両加湿モジュールのヘッド部材の平面視における重心位置からずれた位置を固定部材で連結する場合には、ハウジング内を流通する燃料用反応ガス又は燃料用反応ガスにヘッド部が押圧されることにより、ヘッド部に平面視した固定位置を支点としたモーメントが発生し、ヘッド部材が本体部における正常な取付位置からずれて、燃料用反応ガス又は燃料用反応ガスがハウジングから漏出する虞がある。しかし、この構成によれば、両加湿モジュールのヘッド部材の平面視における重心位置を固定部材で連結しているため、ハウジング内を流通する燃料用反応ガス又は燃料用反応ガスからの押圧力によりヘッド部が本体部における正常な取付位置からずれて、燃料用反応ガス又は燃料用反応ガスがハウジングから漏出するといった事態を防止できる。
【００１４】
従って、本発明は、前記燃料電池用加湿装置を用いた燃料電池システムとして、燃料用反応ガスと酸化剤用反応ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排気ガスと前記燃料電池に供給される燃料用反応ガス又は酸化剤用反応ガスを水透過膜を介して接触させて、排気ガスに含まれる水分により燃料用反応ガスと酸化剤用反応ガスとを加湿する加湿手段とを備える燃料電池システムであって、前記加湿手段として前記燃料電池用加湿装置を用いたことを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１５】
【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の構成の概略を説明する図である。
【００１６】
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、水素供給管１６内を流通させてエゼクタを通過させ、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内を流通させて再び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。
【００１７】
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を構成するカソード加湿器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、水素と酸素との反応による生成水を多量に含む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た後、背圧弁１８を介して外部に排気するようになっている。
【００１８】
また、燃料電池システム１は、ＦＣスタック１１を冷却するための冷却水を、冷却水管内を流通させ、アノード加湿器３、カソード加湿器４の順で通過させてアノード加湿器３及びカソード加湿器４を保温した後、ＦＣスタック１１に供給するようになっている。
【００１９】
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。
【００２０】
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、アノード加湿器３とカソード加湿器４とを固定するための固定部材７（図５参照）と、から構成されている。
【００２１】
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を収容して構成されている。
【００２２】
各ハウジング５は、図３（ａ）に示すように、その軸心方向（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されており、それぞれ略円筒状を呈した本体部５１と、本体部５１の長さ方向の一端部を閉塞するための入口ヘッド５２と、本体部５１の長さ方向の他端部を閉塞するための出口ヘッド５３と、を備える。
【００２３】
本体部５１は、図４（ａ）に示すように、内部に長さ方向の一端側から他端側にかけてその長さ方向に沿って中空糸膜束が配設されている。中空糸膜束は、水蒸気透過膜（水透過膜）からなる複数のチューブ状の中空糸膜（水素不透過性の膜）を、各中空糸膜の外表面同士及び各中空糸膜の外表面とハウジング５の内周面とが気密状態となるように束ねて、両端部を本体部５１の長さ方向の両端部（ポッティング部）に固定されている。また、本体部５１は、他端側の外周面に複数のオフガス流入孔５１１が穿設されており、一端側の外周面に複数のオフガス排出孔５１２が穿設されている。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、本体部５１の長さ方向の他端側の外周面には、オフガス流入孔５１１を覆うように入口環状カバー５４が形成されている。各本体部５１の入口環状カバー５４は、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を構成している。入口環状カバーブロック５４Ａには空気オフガス管１５（図１参照）が接続されており、空気オフガスが空気オフガス管１５から入口環状カバーブロック５４Ａ内の環状流通路を介して本体部５１内に流入するようになっている。
【００２５】
本体部５１の長さ方向の一端側の外周面には、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。各本体部５１の出口環状カバー５５は、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。出口環状カバーブロック５５Ａには空気オフガス管１５（図１参照）が接続されており、本体部５１のオフガス排出孔５１２から排出された空気オフガスが出口環状カバーブロック５５Ａ内の環状流通路を介して空気オフガス管１５に供給されるようになっている。
【００２６】
入口ヘッド５２は、各本体部５１の長さ方向の一端部を閉塞するためのものである。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を構成している。入口ヘッドブロック５２Ａには、水素ガス管１６（図１参照）が接続されており、水素ガスが水素ガス管１６から入口ヘッドブロック５２Ａ内の流通路を流通し、本体部５１の一端側開口部から本体部５１内の中空糸膜束内に流入するようになっている。このような構成の入口ヘッドブロック５２Ａは、アルミニウム合金の押出型材から形成されている。
【００２７】
出口ヘッド５３は、各本体部５１の長さ方向の他端部を閉塞するためのものである。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。出口ヘッドブロック５３Ａには、水素ガス管１６（図１参照）が接続されており、中空糸膜束内を流通して本体部５１の他端側開口部から排出される水素ガスが、出口ヘッドブロック５３Ａ内の流通路を流通して、水素ガス管１６内に流入するようになっている。このような構成の出口ヘッドブロック５３Ａは、アルミニウム合金の押出型材から形成されている。
【００２８】
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部を流通し、出口ヘッドブロック５３Ａ内の環状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。
【００２９】
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、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から排出される排気ガスとの間で水分交換するための中空糸膜束を収容して構成されている。
【００３０】
各ハウジング６は、図３（ｂ）に示すように、その軸心方向（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されており、それぞれ略円筒状を呈した本体部６１と、本体部６１の長さ方向の一端部を閉塞するための入口ヘッド６２と、本体部６１の長さ方向の他端部を閉塞するための出口ヘッド６３と、を備える。
【００３１】
本体部６１は、図４（ｂ）に示すように、内部に長さ方向の一端側から他端側にかけてその長さ方向に沿って中空糸膜束が配設されている。また、本体部６１は、他端側の開放端にオフガス流入孔６１１が開口しており、一端側の外周面に複数のオフガス流出孔６１２が穿設されている。
【００３２】
本体部６１の長さ方向の一端側の外周面には、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。各本体部６１の出口環状カバー６４は、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。出口環状カバーブロック６４Ａには空気オフガス管１５（図１参照）が接続されており、本体部６１のオフガス排出孔６１２から排出された空気オフガスが出口環状カバーブロック６４Ａ内の流通路を介して空気オフガス管１５に供給されるようになっている（図３（ｂ）参照）。
【００３３】
入口ヘッド６２は、各本体部５１の長さ方向の一端部を閉塞するためのものである。各ハウジング５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を構成している。入口ヘッドブロック６２Ａには、空気ガス管１６（図１参照）が接続されており、空気が空気管１４から入口ヘッドブロック６２Ａ内の流通路を流通し、本体部６１の一端側開口部から本体部６１内の中空糸膜束内に流入するようになっている。このような構成の入口ヘッドブロック６２Ａは、アルミニウム合金の鋳物から形成されている。
【００３４】
出口ヘッド６３は、各本体部６１の長さ方向の他端部を閉塞するためのものである。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。出口ヘッドブロック６３Ａには、空気管１４（図１参照）が接続されており、中空糸膜束内を流通して本体部６１の他端側開口部から排出される空気が出口ヘッドブロック６３Ａ内の流通路を流通して、空気管１４内に流入するようになっている。また、出口ヘッドブロック６３Ａには、空気オフガス管１５（図１参照）が接続されており、空気オフガスが空気オフガス管１５から出口ヘッドブロック６３Ａ内の流通路を介して本体部６１内に流入するようになっている。このような構成の出口ヘッドブロック６３Ａは、アルミニウム合金の鋳物から形成されている。
【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、空気供給管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部を流通し、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、水素ガスが加湿されるようになっている。
【００３６】
これらアノード加湿器３とカソード加湿器４とは、図５に示すように、ハウジング５の入口ヘッドブロック５２Ａとハウジング６の入口ヘッドブロック６２Ａとが、固定部材７で固定されると共に、ハウジング５の出口ヘッドブロック５３Ａとハウジング６の出口ヘッドブロック６３Ａとが、固定部材７で固定されている。
【００３７】
固定部材７は、図５に示すように、両ハウジング５，６の入口ヘッドブロック５２Ａ，６２Ａ及び出口ヘッドブロック５３Ａ，６３Ａの平面視における重心位置に両端部が接続されて、両ハウジング５，６の入口ヘッドブロック５２Ａ，６２Ａ同士又は出口ヘッドブロック５３Ａ，６３Ａ同士を固定するようになっている。
【００３８】
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から排出されると共に、オフガス流入孔５１１から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から排出することにより、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、中空糸膜束内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。
【００３９】
この場合、この燃料電池用加湿装置２では、ハウジング５を構成する両ヘッドブロック５２Ａ，５３Ａをアルミニウム合金の押出型材から一体に形成しているため、複数の部材をボルトで締結することによりヘッド部を形成する場合のように、各部材間の隙間から水素ガスが漏出するのを防止でき、燃費を改善できる。また、水素ガスを加湿するためのハウジング５を構成する両ヘッドブロック５２Ａ，５３Ａを、アルミニウム合金の押出型材から形成していることから材内部の微小連通孔がなく、外部への漏出をなるべく抑える必要がある水素ガスの外部への漏出を十分に抑えられる。一方、相対的に多少の外部への漏出を許容できる空気を加湿するためのハウジング６を構成する両ヘッドブロック６２Ａ，６３Ａは、アルミニウム合金の鋳物から形成しているため、水素ガスの漏出を十分に抑えつつ製造コストを削減できる。また、燃料電池用加湿装置２全体のサイズを小さくでき、設置スペースを小さくできる。
【００４０】
また、両加湿器３，４のヘッドブロック５２Ａ，５３Ａ，６２Ａ，６３Ａの平面視における重心位置を固定部材７で連結しているため、ハウジング５，６内を流通する水素ガス又は空気からの押圧力によりヘッドブロック５２Ａ，５３Ａ，６２Ａ，６３Ａが固定位置を支点としたモーメントを受けず、本体部５１，６１における正常な取付位置からずれるといった事態を防止できる。
【００４１】
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。例えば、加湿モジュール３，４を構成するハウジング５，６の数量は任意であり適宜変更して差し支えない。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。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料用反応ガスの外部への漏出を抑えつつ製造コスト及び設置スペースを削減できる。
【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】同燃料電池用加湿装置の各加湿モジュールを構成するヘッド部の連結状態を説明する図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム
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
【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の内側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、中空糸膜の外側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】
従来の燃料電池用加湿装置では、各加湿モジュールのハウジングは、略円筒状の本体部内に中空糸膜束を収容すると共に両端部をヘッド部で閉塞して構成されているが、燃料電池用加湿装置には、本体部の両端部を閉塞するためのヘッド部を、複数の部材をボルト等で締結して一体として形成したものがある。しかしながら、この種の燃料電池用加湿装置の加湿モジュールでは、各部材間の微細な隙間から燃料用反応ガス又は酸化剤用反応ガスが漏出する虞がある。特に、燃料用反応ガスとして用いられる水素ガス等は、燃費向上のため外部への漏出をなるべく抑える必要がある。また、ボルト等の締結部材を用いる場合にはその分装置が大型化し大きな設置スペースを必要とする。さらに、ベッド部の製造に多数の工程と部品を要するため、その分製造コストが増大する。
【０００８】
本発明は前記実情に鑑みてなされたものであり、燃料用反応ガスの外部への漏出を抑えつつ製造コスト及び設置スペースを削減できる燃料電池用加湿装置及び燃料電池システム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、燃料電池に供給される燃料用反応ガスと前記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ための中空糸膜束を、本体部の長さ方向の両端部をヘッド部で閉塞してなるハウジング内に収容して構成された第１の加湿モジュールと、燃料電池に供給される酸化剤用反応ガスと前記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ための中空糸膜束を、本体部の長さ方向の両端部をヘッド部で閉塞してなるハウジング内に収容して構成された第２の加湿モジュールと、を備える燃料電池用加湿装置であって、前記第１の加湿モジュールのハウジングを構成するヘッド部がアルミニウム合金の押出型材から形成されており、前記第２の加湿モジュールのハウジングを構成するヘッド部がアルミニウム合金の鋳物から形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、第１の加湿モジュールにおいて、ハウジングの本体部内に流入した燃料用反応ガスが、ハウジング内の中空糸膜束の内側又は外側を流通して外部に排出されると共に、ハウジング内に流入した排気ガスが、ハウジングの本体部内の中空糸膜束の外側又は内側を流通して外部に排出されるようになっており、これにより排気ガス中の水分が中空糸膜を介して燃料用反応ガスに受け渡されて、燃料用反応ガスが加湿される。一方、第２の加湿モジュールにおいて、ハウジングの本体部内に流入した酸化剤用反応ガスが、ハウジング内の中空糸膜束の内側を流通して外部に排出されると共に、ハウジング内に流入した排気ガスが、ハウジングの本体部内の中空糸膜束の外側を流通して外部に排出されるようになっており、これにより排気ガス中の水分が中空糸膜を介して酸化剤用反応ガスに受け渡されて、酸化剤用反応ガスが加湿されるようになっている。
【００１１】
この場合、燃料電池用加湿装置では、各加湿モジュールのハウジングを構成する両ヘッド部をアルミニウム合金の押出型材又はアルミニウム合金の鋳物から一体に形成しているため、複数の部材をボルトで締結することによりヘッド部を形成する場合のように、各部材間の隙間から燃料用反応ガスが漏出するのを防止できる。また、加湿装置全体のサイズを小さくでき、加湿装置の設置スペースを小さくできる。さらに、製造コストの面からは、両加湿モジュールのヘッド部をアルミニウム合金の鋳物から形成するのが望ましいが、加湿モジュールのヘッド部をアルミニウム合金の鋳物から形成する場合には、鋳物の金属組織の空孔を通して微小な量のガスが外部に漏出する虞がある。しかし、この燃料電池用加湿装置では、燃料用反応ガスを加湿するための加湿モジュールを構成するヘッド部をアルミニウム合金の押出型材から形成していることから外部への漏出をなるべく抑える必要がある燃料用反応ガスの外部への漏出を十分に抑えられ、一方、多少の外部への漏出を許容できる酸化剤用反応ガスを加湿するための加湿モジュールを構成するヘッド部を、アルミニウム合金の鋳物から形成しているため、反応ガスの漏出を十分に抑えつつ製造コストを削減できる。このように、この燃料電池用加湿装置の加湿モジュールによれば、反応ガスの外部への漏出を抑えつつ製造コスト及び設置スペースを削減できる。
【００１２】
前記燃料電池用加湿装置においては、前記各加湿モジュールは、それぞれ複数の前記ハウジングを互いに平行に配列すると共に、前記各ハウジングを構成する本体部の長さ方向両端部を閉塞するヘッド部が、一体に形成されたヘッド部材として形成されており、前記両加湿モジュールの前記ヘッド部材の平面視における重心位置を、それぞれ固定部材で連結することにより、前記両加湿モジュールの前記ヘッド部材を一体に構成することが好ましい。
【００１３】
この燃料電池用加湿装置では、両加湿モジュールのヘッド部材の平面視における重心位置からずれた位置を固定部材で連結する場合には、ハウジング内を流通する燃料用反応ガス又は燃料用反応ガスにヘッド部が押圧されることにより、ヘッド部に平面視した固定位置を支点としたモーメントが発生し、ヘッド部材が本体部における正常な取付位置からずれて、燃料用反応ガス又は燃料用反応ガスがハウジングから漏出する虞がある。しかし、この構成によれば、両加湿モジュールのヘッド部材の平面視における重心位置を固定部材で連結しているため、ハウジング内を流通する燃料用反応ガス又は燃料用反応ガスからの押圧力によりヘッド部が本体部における正常な取付位置からずれて、燃料用反応ガス又は燃料用反応ガスがハウジングから漏出するといった事態を防止できる。
【００１４】
従って、本発明は、前記燃料電池用加湿装置を用いた燃料電池システムとして、燃料用反応ガスと酸化剤用反応ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排気ガスと前記燃料電池に供給される燃料用反応ガス又は酸化剤用反応ガスを水透過膜を介して接触させて、排気ガスに含まれる水分により燃料用反応ガスと酸化剤用反応ガスとを加湿する加湿手段とを備える燃料電池システムであって、前記加湿手段として前記燃料電池用加湿装置を用いたことを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１５】
【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の構成の概略を説明する図である。
【００１６】
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、水素供給管１６内を流通させてエゼクタを通過させ、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内を流通させて再び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。
【００１７】
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を構成するカソード加湿器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、水素と酸素との反応による生成水を多量に含む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た後、背圧弁１８を介して外部に排気するようになっている。
【００１８】
また、燃料電池システム１は、ＦＣスタック１１を冷却するための冷却水を、冷却水管内を流通させ、アノード加湿器３、カソード加湿器４の順で通過させてアノード加湿器３及びカソード加湿器４を保温した後、ＦＣスタック１１に供給するようになっている。
【００１９】
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。
【００２０】
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、アノード加湿器３とカソード加湿器４とを固定するための固定部材７（図５参照）と、から構成されている。
【００２１】
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を収容して構成されている。
【００２２】
各ハウジング５は、図３（ａ）に示すように、その軸心方向（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されており、それぞれ略円筒状を呈した本体部５１と、本体部５１の長さ方向の一端部を閉塞するための入口ヘッド５２と、本体部５１の長さ方向の他端部を閉塞するための出口ヘッド５３と、を備える。
【００２３】
本体部５１は、図４（ａ）に示すように、内部に長さ方向の一端側から他端側にかけてその長さ方向に沿って中空糸膜束が配設されている。中空糸膜束は、水蒸気透過膜（水透過膜）からなる複数のチューブ状の中空糸膜（水素不透過性の膜）を、各中空糸膜の外表面同士及び各中空糸膜の外表面とハウジング５の内周面とが気密状態となるように束ねて、両端部を本体部５１の長さ方向の両端部（ポッティング部）に固定されている。また、本体部５１は、他端側の外周面に複数のオフガス流入孔５１１が穿設されており、一端側の外周面に複数のオフガス排出孔５１２が穿設されている。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、本体部５１の長さ方向の他端側の外周面には、オフガス流入孔５１１を覆うように入口環状カバー５４が形成されている。各本体部５１の入口環状カバー５４は、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を構成している。入口環状カバーブロック５４Ａには空気オフガス管１５（図１参照）が接続されており、空気オフガスが空気オフガス管１５から入口環状カバーブロック５４Ａ内の環状流通路を介して本体部５１内に流入するようになっている。
【００２５】
本体部５１の長さ方向の一端側の外周面には、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。各本体部５１の出口環状カバー５５は、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。出口環状カバーブロック５５Ａには空気オフガス管１５（図１参照）が接続されており、本体部５１のオフガス排出孔５１２から排出された空気オフガスが出口環状カバーブロック５５Ａ内の環状流通路を介して空気オフガス管１５に供給されるようになっている。
【００２６】
入口ヘッド５２は、各本体部５１の長さ方向の一端部を閉塞するためのものである。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を構成している。入口ヘッドブロック５２Ａには、水素ガス管１６（図１参照）が接続されており、水素ガスが水素ガス管１６から入口ヘッドブロック５２Ａ内の流通路を流通し、本体部５１の一端側開口部から本体部５１内の中空糸膜束内に流入するようになっている。このような構成の入口ヘッドブロック５２Ａは、アルミニウム合金の押出型材から形成されている。
【００２７】
出口ヘッド５３は、各本体部５１の長さ方向の他端部を閉塞するためのものである。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。出口ヘッドブロック５３Ａには、水素ガス管１６（図１参照）が接続されており、中空糸膜束内を流通して本体部５１の他端側開口部から排出される水素ガスが、出口ヘッドブロック５３Ａ内の流通路を流通して、水素ガス管１６内に流入するようになっている。このような構成の出口ヘッドブロック５３Ａは、アルミニウム合金の押出型材から形成されている。
【００２８】
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部を流通し、出口ヘッドブロック５３Ａ内の環状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。
【００２９】
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、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から排出される排気ガスとの間で水分交換するための中空糸膜束を収容して構成されている。
【００３０】
各ハウジング６は、図３（ｂ）に示すように、その軸心方向（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されており、それぞれ略円筒状を呈した本体部６１と、本体部６１の長さ方向の一端部を閉塞するための入口ヘッド６２と、本体部６１の長さ方向の他端部を閉塞するための出口ヘッド６３と、を備える。
【００３１】
本体部６１は、図４（ｂ）に示すように、内部に長さ方向の一端側から他端側にかけてその長さ方向に沿って中空糸膜束が配設されている。また、本体部６１は、他端側の開放端にオフガス流入孔６１１が開口しており、一端側の外周面に複数のオフガス流出孔６１２が穿設されている。
【００３２】
本体部６１の長さ方向の一端側の外周面には、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。各本体部６１の出口環状カバー６４は、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。出口環状カバーブロック６４Ａには空気オフガス管１５（図１参照）が接続されており、本体部６１のオフガス排出孔６１２から排出された空気オフガスが出口環状カバーブロック６４Ａ内の流通路を介して空気オフガス管１５に供給されるようになっている（図３（ｂ）参照）。
【００３３】
入口ヘッド６２は、各本体部５１の長さ方向の一端部を閉塞するためのものである。各ハウジング５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を構成している。入口ヘッドブロック６２Ａには、空気ガス管１６（図１参照）が接続されており、空気が空気管１４から入口ヘッドブロック６２Ａ内の流通路を流通し、本体部６１の一端側開口部から本体部６１内の中空糸膜束内に流入するようになっている。このような構成の入口ヘッドブロック６２Ａは、アルミニウム合金の鋳物から形成されている。
【００３４】
出口ヘッド６３は、各本体部６１の長さ方向の他端部を閉塞するためのものである。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。出口ヘッドブロック６３Ａには、空気管１４（図１参照）が接続されており、中空糸膜束内を流通して本体部６１の他端側開口部から排出される空気が出口ヘッドブロック６３Ａ内の流通路を流通して、空気管１４内に流入するようになっている。また、出口ヘッドブロック６３Ａには、空気オフガス管１５（図１参照）が接続されており、空気オフガスが空気オフガス管１５から出口ヘッドブロック６３Ａ内の流通路を介して本体部６１内に流入するようになっている。このような構成の出口ヘッドブロック６３Ａは、アルミニウム合金の鋳物から形成されている。
【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、空気供給管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部を流通し、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、水素ガスが加湿されるようになっている。
【００３６】
これらアノード加湿器３とカソード加湿器４とは、図５に示すように、ハウジング５の入口ヘッドブロック５２Ａとハウジング６の入口ヘッドブロック６２Ａとが、固定部材７で固定されると共に、ハウジング５の出口ヘッドブロック５３Ａとハウジング６の出口ヘッドブロック６３Ａとが、固定部材７で固定されている。
【００３７】
固定部材７は、図５に示すように、両ハウジング５，６の入口ヘッドブロック５２Ａ，６２Ａ及び出口ヘッドブロック５３Ａ，６３Ａの平面視における重心位置に両端部が接続されて、両ハウジング５，６の入口ヘッドブロック５２Ａ，６２Ａ同士又は出口ヘッドブロック５３Ａ，６３Ａ同士を固定するようになっている。
【００３８】
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から排出されると共に、オフガス流入孔５１１から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から排出することにより、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、中空糸膜束内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。
【００３９】
この場合、この燃料電池用加湿装置２では、ハウジング５を構成する両ヘッドブロック５２Ａ，５３Ａをアルミニウム合金の押出型材から一体に形成しているため、複数の部材をボルトで締結することによりヘッド部を形成する場合のように、各部材間の隙間から水素ガスが漏出するのを防止でき、燃費を改善できる。また、水素ガスを加湿するためのハウジング５を構成する両ヘッドブロック５２Ａ，５３Ａを、アルミニウム合金の押出型材から形成していることから材内部の微小連通孔がなく、外部への漏出をなるべく抑える必要がある水素ガスの外部への漏出を十分に抑えられる。一方、相対的に多少の外部への漏出を許容できる空気を加湿するためのハウジング６を構成する両ヘッドブロック６２Ａ，６３Ａは、アルミニウム合金の鋳物から形成しているため、水素ガスの漏出を十分に抑えつつ製造コストを削減できる。また、燃料電池用加湿装置２全体のサイズを小さくでき、設置スペースを小さくできる。
【００４０】
また、両加湿器３，４のヘッドブロック５２Ａ，５３Ａ，６２Ａ，６３Ａの平面視における重心位置を固定部材７で連結しているため、ハウジング５，６内を流通する水素ガス又は空気からの押圧力によりヘッドブロック５２Ａ，５３Ａ，６２Ａ，６３Ａが固定位置を支点としたモーメントを受けず、本体部５１，６１における正常な取付位置からずれるといった事態を防止できる。
【００４１】
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。例えば、加湿モジュール３，４を構成するハウジング５，６の数量は任意であり適宜変更して差し支えない。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。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料用反応ガスの外部への漏出を抑えつつ製造コスト及び設置スペースを削減できる。
【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】同燃料電池用加湿装置の各加湿モジュールを構成するヘッド部の連結状態を説明する図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム
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 (3)
- 燃料電池に供給される燃料用反応ガスと前記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ための中空糸膜束を、本体部の長さ方向の両端部をヘッド部で閉塞してなるハウジング内に収容して構成された第１の加湿モジュールと、
燃料電池に供給される酸化剤用反応ガスと前記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ための中空糸膜束を、本体部の長さ方向の両端部をヘッド部で閉塞してなるハウジング内に収容して構成された第２の加湿モジュールと、を備える燃料電池用加湿装置であって、
前記第１の加湿モジュールのハウジングを構成するヘッド部がアルミニウム合金の１つの押出型材から形成されており、前記第２の加湿モジュールのハウジングを構成するヘッド部がアルミニウム合金の鋳物から形成されていることを特徴とする燃料電池用加湿装置。 - 前記各加湿モジュールは、それぞれ複数の前記ハウジングを互いに平行に配列すると共に、前記各ハウジングを構成する本体部の長さ方向両端部を閉塞するヘッド部が、一体に形成されたヘッド部材として形成されており、前記両加湿モジュールの前記ヘッド部材の平面視における重心位置を、それぞれ固定部材で連結することにより、前記両加湿モジュールの前記ヘッド部材を一体に構成した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。
- 燃料用反応ガスと酸化剤用反応ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排気ガスと前記燃料電池に供給される燃料用反応ガス又は酸化剤用反応ガスを水透過膜を介して接触させて、排気ガスに含まれる水分により燃料用反応ガスと酸化剤用反応ガスとを加湿する加湿手段とを備える燃料電池システムであって、
前記加湿手段として請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用加湿装置を用いたことを特徴とする燃料電池システム。
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