JP3963367B2

JP3963367B2 - 加湿ユニット

Info

Publication number: JP3963367B2
Application number: JP2002331204A
Authority: JP
Inventors: 佳夫草野; 敏勝片桐; 幹浩鈴木; 健司南雲
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: JP2004165061A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加湿器を複数備えた加湿ユニットに関し、詳しくは複数の加湿器をレイアウトしてコンパクトに形成した加湿ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ変換効率の優れた燃料電池（固体高分子型燃料電池）が注目されている。この燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される燃料ガス中の水素との電気化学反応によって発電するものである。
ところで、プロトン導電性の固体高分子からなる電解質膜は加湿されることによりその性能を良好に発揮する。一方、電解質膜は、乾燥するとプロトン導電性が低下するとともに、最悪損傷につながることもある。このため、この種の燃料電池には、電解質膜の乾燥を防止すべく、供給される燃料ガスなどの加湿を行う加湿ユニットが設けられている。
【０００３】
たとえば、燃料電池に供給される供給ガスと燃料電池から排出されるオフガスとの間で水分を移動させて供給ガスを加湿する加湿器を複数備えた加湿ユニットがある（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１７８８２号公報（第４ページ、図２）
【０００５】
図６（ａ）は従来の加湿ユニットの斜視図であり、図６（ｂ）は、（ａ）の加湿ユニットの平面図である。
図６（ａ）に示すように、この加湿ユニット１００においては、加湿器１０１Ｅをその他の４本の加湿器１０１Ａ，１０１Ｃ，１０１Ｄ（１本は背面側に隠れているため図示せず）で囲むように、５本の加湿器１０１Ａ〜１０１Ｅを長手方向にそれぞれ並行になるように配置する。そして、図６（ｂ）に示すように、一本の加湿器１０１Ａを他の加湿器１０１Ｃ，１０１Ｄ，１０１Ｅから長手方向に位置をずらすことによって加湿器１０１Ａ〜１０１Ｅの端部にスペースＳを形成し、そのスペースＳに空気オフガス通路１０２を加湿器１０１Ａ〜１０１Ｅに直交するように設けている。
このように加湿ユニット１００は、スペースＳを利用して空気オフガス通路１０２を直交させて設けることで、たとえば、加湿器１０１Ａ〜１０１Ｅから長手方向に沿って空気オフガス通路を設けるよりも、加湿器１０１Ａ〜１０１Ｅの長手方向に沿う長さを短くすることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記加湿ユニット１００では、スペースＳをガス通路にのみ活用していたので、このスペースＳをさらに有効活用して、よりコンパクトな加湿ユニットとすることができないかが思案されていた。
ところで、この種の加湿ユニット１００には、水素タンクからアノード加湿器１０１Ａに燃料ガスである水素を供給するべく、エゼクタや遮断弁等を有する燃料ガス循環ユニット（水素循環ユニット）が設けられている。このような水素循環ユニットを加湿ユニット内に備えられるとよりコンパクトにまとめられる。
そこで、本発明は、複数の加湿器を適当なスペースが形成されるようにレイアウトして、そのスペースを有効活用するコンパクトな加湿ユニットを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決すべく構成されるものであり、請求項１に記載の加湿ユニットは、燃料電池に供給される燃料ガスおよび空気を、前記燃料電池から排出される空気オフガスによってそれぞれ加湿するアノード加湿器およびカソード加湿器を備える加湿ユニットであって、前記アノード加湿器および前記カソード加湿器は、それぞれ長手方向に平行に、かつ、隣接させるとともに、その端面を互いに長手方向にずらして配設し、この長手方向にずらされることで前記アノード加湿器またはカソード加湿器の長手方向に沿った方向に形成されるスペースに、当該スペースの立体的なサイズと同じサイズの、前記アノード加湿器に燃料ガスを供給する前記燃料ガス循環ユニットを収容して配設していることを特徴とする。
【０００８】
ここで、「燃料ガス循環ユニット」とは、水素が通る通路に設けられる複数の機器のうち、特定のものが一体となって構成されたものである。たとえば、遮断弁、レギュレータ、逆止弁、パージ弁等を含んだ（全部または一部を含んだ）機器のことをいう。
【０００９】
請求項１に記載の加湿ユニットによれば、アノード加湿器、カソード加湿器をそれぞれ並行にずらして配置することで、複数本をひとまとまりにした加湿器の束の端部にスペースを形成し、そのスペースに、水素循環ユニットを備えることができる。そのため、加湿ユニットをコンパクトにすることができる。
なお、他方の端部に形成されるスペースを活用して、空気および燃料ガスが通流する通路を形成すると、加湿ユニット全体を、よりコンパクトにすることができる。
【００１０】
また、この加湿ユニットにおいて、前記空気オフガスが、前記アノード加湿器と前記カソード加湿器の双方に直接排出される通路が形成されるように構成されていることが好ましい。このように構成すると、高湿潤ガスである空気オフガスが直接アノード加湿器およびカソード加湿器に供給されるため、それぞれの加湿器内において、水素または空気を効率的に加湿することができる。
さらに、この加湿ユニットにおいて、前記アノード加湿器および前記カソード加湿器は、その両端面を、それぞれずらして配設し、前記燃料ガス循環ユニットが設けられた端部とは反対側の端部のスペースに、前記燃料電池に供給される燃料の通路および空気の通路、並びに前記オフガスの通路を備えることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、燃料電池システムＦＣＳ全体について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図１は燃料電池システムの説明図である。
まず、この燃料電池システムＦＣＳにおける水素（燃料ガス）Ｈの流れについて説明する。
水素タンクＴ内に備えられた図示しない電磁弁と遮断弁３１とを開放することで、水素タンクＴ内から放出される水素Ｈは、レギュレータ３２によって、その圧力が調整される。この圧力調整された水素Ｈは、エゼクタ３４を介して加湿器ユニットＵに供給される。なお、エゼクタ３４は、水素タンクＴからの水素Ｈと燃料電池ＦＣから戻ってくる水素Ｈを混合させて燃料電池ＦＣに再供給して水素Ｈを循環させるものである。
【００１２】
そして、加湿器ユニットＵで加湿された水素Ｈは燃料電池ＦＣ内に供給され、そのうち化学反応しきれなかった余りの水素Ｈが逆止弁３５を通るとともに、前記エゼクタ３４によって加湿器ユニットＵに戻され、再利用される。ここで、逆止弁３５はエゼクタ３４に向かって流れる水素Ｈの逆流を防止するものである。ちなみに、この燃料電池ＦＣから排出する水素Ｈを加湿器ユニットＵに戻す通路には、流体排出用のパージ弁３６が設けられており、このパージ弁３６で循環通路内の水素等を適宜系外に排出するようになっている。
【００１３】
次に、空気Ａの流れについて説明する。
スーパーチャージャＳＰで圧縮された高温の空気Ａは、インタークーラＩＣで冷却された後、加湿器ユニットＵを介して燃料電池ＦＣに供給される。
【００１４】
そして、燃料電池ＦＣ内に供給された空気Ａのうち化学反応しきれなかった余りの空気Ａ（一般にオフガスと呼ばれ、多量の水分を含んでいる。）が、加湿器ユニットＵでの水素Ｈや空気Ａの加湿に利用される。その後、この加湿器ユニットＵから出てくる空気Ａは、背圧弁Ｖ２を介して排出される。
【００１５】
最後に、冷却水の流れについて説明する。
冷却水ＣＷは、温水ポンプＨＰによって燃料電池システムＦＣＳ内を循環しており、ラジエータＲＡＤで冷却された冷却水ＣＷが、燃料電池ＦＣに供給されるようになっている。
【００１６】
次に、図面を参照して、本発明に係る加湿ユニットの詳細について説明する。参照する図面において、図２は、本実施形態に係る加湿ユニットの斜視図であり、図３は、本実施形態に係る加湿ユニットの平面ブロック構成図である。
なお、図２の加湿ユニットＵの状態を基準に加湿ユニットＵの方向性を定めて、以下、説明することとする。
【００１７】
図２に示すように、加湿ユニットＵは、燃料電池ＦＣのアノード側に供給する水素Ｈを加湿するアノード加湿器１（１Ａ，１Ｂ）と、燃料電池ＦＣのカソード側に供給する空気Ａを加湿するカソード加湿器２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）と、水素循環ユニット３と、水素Ｈおよび空気Ａを燃料電池ＦＣに供給する通路４，５と、燃料電池ＦＣから排出される空気Ａの通路６を備えて構成される。具体的には、手前側に２本のアノード加湿器１Ａ，１Ｂが縦に並べて配設され、これらのアノード加湿器１Ａ，１Ｂにカソード加湿器２Ａがその背面側で隣接し、さらにその背面側でカソード加湿器２Ａと隣接するようにカソード加湿器２Ｂ，２Ｃが縦に並べられ、この２本のアノード加湿器１Ａ，１Ｂは３本のカソード加湿器２Ａ，２Ｂ，２Ｃの平面位置を互いにその長手方向にずらして配設されている。
そして、図３に示すように、この２本のアノード加湿器１が３本のカソード加湿器２に対してその長手方向でずらして配設されることで生じたスペースに、水素循環ユニット（燃料ガス循環ユニット）３が配設されている。
【００１８】
２本のアノード加湿器１Ａ，１Ｂは、双方とも同一の構成であるため、以下、アノード加湿器１Ａについて図４を参照しながら説明する。参照する図面において、図４（ａ）は、アノード加湿器の構成図であり、図４（ｂ）は、アノード加湿器内のガス流路について説明する図である。
アノード加湿器１Ａは、図４（ａ）に示すように、ハウジング１１と、このハウジング１１内に収納される中空糸膜束１２とから構成される。
ハウジング１１は、両端が開口された中空の円筒形状をしている。このハウジング１１には、中空糸膜束１２の両端部を固定したポッティング部１３ａ，１３ｂよりも内側の位置に開口部となる孔１４_in，１４_outがそれぞれに周方向に複数個設けてある。
【００１９】
中空糸膜束１２は、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分の交換可能な複数の水透過型の中空糸膜ＨＦを束ねたものである。中空糸膜束１２をハウジング１１に接着して固定してあるポッティング部１３ａ，１３ｂを設けることで、中空糸膜ＨＦの内側の中空通路を通流する低湿潤状態のガス（燃料電池ＦＣに供給するための水素Ｈ）と中空糸膜ＨＦの外側を通流する高湿潤状態のガス（燃料電池ＦＣから排出される空気（空気オフガス）Ａ）とが混合しないようになっている。
尚、図４中の符号１４_inで示す複数の孔は、流体導入孔である空気オフガス導入孔として使用され、符号１４_outで示す複数の孔は、流体送出孔である空気オフガス送出孔として使用される。また、符号１５_inで示すハウジング１１の一端に設けられた開口部は、水素導入口として使用され、符号１５_outで示すハウジング１１の他端に設けられた開口部は、水素送出口として使用される。
【００２０】
このように構成されたアノード加湿器１Ａの作用について、図４（ｂ）を参照しながら説明する。
燃料電池ＦＣから排出され、空気オフガス導入孔１４_inから導入された空気Ａ（高湿潤ガス）は、ハウジング１１内で水分交換を行った後、空気オフガス送出孔１４_outから外部（カソード加湿器２）へと排出される。
一方、水素導入口１５_inから導入された水素Ｈは、各中空糸膜ＨＦの内側を通る間に、中空糸膜ＨＦの外側から毛管凝縮作用により中空糸膜ＨＦの内側に移動してきている水分により加湿され、水素送出口１５_outから、燃料電池ＦＣへと排出される。
【００２１】
次に、３本のカソード加湿器２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、いずれも同一の構成であるため、以下、図５を参照しながら、カソード加湿器２Ａについて説明する。図５（ａ）は、カソード加湿器の構成図であり、図５（ｂ）は、カソード加湿器内のガス流路を説明する図である。
カソード加湿器２Ａは、図５（ａ）に示すように、ハウジング２１と、このハウジング２１内に収納される中空糸膜束２２と、中空糸膜束２２の厚み方向の略中央部で中空糸膜束２２よりも長手方向に短く伸張した有底の内部通路である配管２３とから構成される。
ハウジング２１は、両端が開口された中空の円筒形状をしている。このハウジング２１の一端は空気導入口２１_in、他端は空気送出口２１_outになっており、中空糸膜束２２の両端部を固定したポッティング部２４ａ，２４ｂよりも内側の位置に、周方向に円形の複数の孔で形成される空気オフガス送出孔２５_outが穿設されている。空気オフガス送出孔２５_outは、後記する配管２３の空気オフガス導入孔２３_inとは反対側の位置に設けられる。
【００２２】
内部通路である配管２３は、円形の配管の一端を開口した空気Ａ（空気オフガス）の入口である空気オフガス導入孔２３_in、他端を、図５（ｂ）に示すように、閉じた底２３ａとした管から構成され、側壁の周方向には円形の複数の孔で形成される入口部２３ｂが設けられている。
なお、配管２３の長さは空気オフガス導入孔２３_inから入口部２３ｂまでの長さが中空糸膜束２２の長手方向の長さよりも短くなるように設けられる。
【００２３】
このような構成を有するカソード加湿器２Ａの作用について、図５（ｂ）を参照しながら説明する。
アノード加湿器１の空気オフガス送出孔１４_outから排出され、空気オフガス導入孔２３_inから導入された空気Ａ（空気オフガス）は配管２３の入口部２３ｂ（つまりカソード加湿器２への入口）から中空糸膜束２２の外側を通り、中空糸膜束２２の各中空糸膜内を流れる空気Ａ（低湿潤ガス）を加湿してハウジング２１内の周方向に設けられた複数の孔である空気オフガス送出孔２５_outから外部へ出て行く。
一方、空気Ａは、ハウジング２１内の空気導入口２１_inからの空気Ａ（空気オフガス）の流れに対して向流となるように導入され、ハウジング２１内の中空糸膜束２２の各中空糸膜内の内側を通る間に加湿され、ハウジング２１の空気送出口２１_outから、燃料電池ＦＣへ排出される。
【００２４】
水素循環ユニット３は、水素Ｈが通る通路に設けられる複数の機器のうち、特定のものが一体となって構成されたものである。
図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳを構成する機器としてはいろいろなものがあるが、このうち、水素Ｈまたは空気Ａが通る通路に設けられる遮断弁３１、レギュレータ３２、逆止弁３５およびパージ弁３６が、水素循環ユニット３を構成する機器であり、特許請求の範囲にいう「燃料ガス循環ユニット」に相当する。
【００２５】
通路４は、アノード加湿器１から燃料電池ＦＣに水素Ｈを供給する通路であり、通路５は、カソード加湿器２から燃料電池ＦＣに空気Ａを供給する通路であり、通路６は、燃料電池ＦＣから排出される空気Ａの通路であり、通路７は、アノード加湿器１での水素Ｈの加湿に利用された空気Ａ（空気オフガス）をカソード加湿器２へ導入する通路である。
通路６は、燃料電池ＦＣからアノード加湿器１に直接つながっているが、アノード加湿器１の手前で、通路７につながるバイパス通路６ａが形成されている。このように構成することで、アノード加湿器１から通路７を通って排出された空気Ａ（空気オフガス）のみでなく、燃料電池ＦＣから直接排出された空気Ａ（空気オフガス）が、カソード加湿器２に導入され、高い加湿効率を期待できる。
ちなみに、これらの通路４，５，６については、水素循環ユニット３が設けられる端部と反対側の端部に生じるスペースに、各加湿器１，２に隣接するように配置すると、加湿ユニット全体がコンパクトになる。
【００２６】
以上のように構成された加湿ユニットによれば、以下の効果が得られる。
アノード加湿器１、カソード加湿器２をそれぞれ並行にずらして配置することで、複数本をひとまとまりにした加湿器１，２の束の端部にスペースを形成し、その端部のスペースに、水素循環ユニット３を備えることができる。そのため、加湿ユニットをコンパクトにすることができる。また、他方の端部のスペースに、水素Ｈまたは空気Ａの通路４，５，６を形成すると、より一層コンパクトにすることができる。
また、アノード加湿器１、カソード加湿器２をそれぞれ並行にずらして配置することで、アノード加湿器１の空気オフガス送出孔１４_outからカソード加湿器２の空気オフガス導入孔２３_inまでの通路７の長さを、ずらさずに配置するより短く形成できる。そのため、空気Ａが通路７を通流する時間も短縮でき、放熱しにくくなる。
【００２７】
また、この加湿ユニットにおいて、空気Ａ（空気オフガス）が、アノード加湿器１とカソード加湿器２の双方に直接排出されるような通路６ａが形成されているため、空気Ａ（空気オフガス）が直接アノード加湿器１およびカソード加湿器２に供給され、それぞれの加湿器内において、効率的に水素Ｈまたは空気Ａを加湿することができる。
【００２８】
以上、本発明の好適な実施形態についての一例を説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、アノード加湿器１では、中空糸膜ＨＦの内側を水素Ｈが通流し、外側を空気Ａ（空気オフガス）が通流する構成としたが、本発明はこれに限定されず、内側を空気Ａ（空気オフガス）が通流し、外側を水素Ｈが通流するようにしても同様の効果が得られる。また、カソード加湿器２でも同様に、中空糸膜の外側と内側を流れるガスを逆にすることができる。
また、本実施の形態では、燃料電池ＦＣから排出される空気Ａ（空気オフガス）と燃料電池ＦＣに供給される水素Ｈまたは空気Ａの流れを向流としているが、並流に流してもよい。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１に記載の加湿ユニットによれば、アノード加湿器、カソード加湿器をそれぞれ並行にずらして配置して形成したスペースに、水素循環ユニットを備えることができる。そのため、加湿ユニットをコンパクトにすることができる。
【００３０】
請求項２に記載の加湿ユニットによれば、空気オフガスが直接アノード加湿器およびカソード加湿器に供給されるため、効率的にそれぞれの加湿器内において、水素または空気を加湿することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの説明図である。
【図２】本実施形態に係る加湿ユニットの斜視図である。
【図３】本実施形態に係る加湿ユニットの平面ブロック構成図である。
【図４】（ａ）は、アノード加湿器の構成図であり、（ｂ）は、アノード加湿器内のガス流路について説明する図である。
【図５】（ａ）は、カソード加湿器の構成図であり、（ｂ）は、カソード加湿器内のガス流路を説明する図である。
【図６】（ａ）は従来の加湿ユニットの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の加湿ユニットの平面図である。
【符号の説明】
１（１Ａ，１Ｂ）アノード加湿器
２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）カソード加湿器
３水素循環ユニット
４，５，６通路
ＦＣ燃料電池
ＦＣＳ燃料電池システム
Ａ空気
Ｈ水素（燃料ガス）

Claims

燃料電池に供給される燃料ガスおよび空気を、前記燃料電池から排出される空気オフガスによってそれぞれ加湿するアノード加湿器およびカソード加湿器を備える加湿ユニットであって、
前記アノード加湿器および前記カソード加湿器は、それぞれ長手方向に平行に、かつ、隣接させるとともに、その端面を互いに長手方向にずらして配設し、
この長手方向にずらされることで前記アノード加湿器またはカソード加湿器の長手方向に沿った方向に形成されるスペースに、当該スペースの立体的なサイズと同じサイズの、前記アノード加湿器に燃料ガスを供給する前記燃料ガス循環ユニットを収容して配設していることを特徴とする加湿ユニット。
前記空気オフガスは、前記アノード加湿器と前記カソード加湿器の双方に直接排出される通路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加湿ユニット。
前記アノード加湿器および前記カソード加湿器は、その両端面を、それぞれずらして配設し、
前記燃料ガス循環ユニットが設けられた端部とは反対側の端部のスペースに、前記燃料電池に供給される燃料の通路および空気の通路、並びに前記オフガスの通路を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加湿ユニット。